WO2024028981A1 - 光給電コンバータ - Google Patents

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WO2024028981A1
WO2024028981A1 PCT/JP2022/029662 JP2022029662W WO2024028981A1 WO 2024028981 A1 WO2024028981 A1 WO 2024028981A1 JP 2022029662 W JP2022029662 W JP 2022029662W WO 2024028981 A1 WO2024028981 A1 WO 2024028981A1
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WO
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light
incident
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light receiving
axis
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PCT/JP2022/029662
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尚友 磯村
悦司 大村
Original Assignee
株式会社京都セミコンダクター
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/30—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using light, e.g. lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/20—Optical components
    • H02S40/22—Light-reflecting or light-concentrating means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to an optical power supply converter that converts light input through an optical fiber cable into electric power and supplies the converted electric power.
  • optical power supply converters are used that receive light input to electronic devices via optical fiber cables, generate photocurrent through photoelectric conversion, and supply power.
  • Patent Document 1 discloses that a concave reflecting mirror that utilizes the properties of a paraboloid focuses light input through multiple optical fiber cables to a focal point of the paraboloid, and a light receiving element photoelectrically converts this light.
  • the technology for supplying power by Patent Document 2 a concave reflecting mirror that utilizes the properties of an ellipsoid of revolution focuses light input through a plurality of optical fiber cables at the focal point of the ellipsoid of revolution, and this light is sent to a photodetector by a photodetector.
  • the technology to convert and supply power is described.
  • the light input through the optical fiber cable is a conical beam whose irradiation area expands as it advances after being emitted from the output end of the optical fiber cable.
  • the light intensity distribution of this light is generally a Gaussian distribution, and the light intensity decreases as the distance from the optical axis increases, and the light intensity distribution is rotationally symmetrical with respect to the optical axis.
  • an object of the present invention is to provide an optical power supply converter that allows light input via a plurality of optical fiber cables to enter a semiconductor light receiving element without increasing the light intensity.
  • the optical power supply converter according to the invention of claim 1 is an optical power supply converter that generates photocurrent from a plurality of incident lights inputted through a plurality of optical fiber cables to supply power, and includes a plurality of optical fiber cables for reflecting the incident light. It includes a reflecting mirror and a semiconductor light-receiving element having a light-receiving region that generates a photocurrent, and each of the reflecting mirrors has an apex in the direction of the short axis with respect to the center where the long axis and short axis of the bottom surface of the ellipse intersect.
  • the shifted oblique ellipsoidal conical surface is a reflecting surface facing the light receiving area, and the apex of the plurality of reflecting mirrors is located on a central axis passing through the center of the light receiving area perpendicularly to the light receiving area, and The long axis is parallel to the light receiving area, the short axis intersects the central axis at a predetermined angle, and the side on which the apex is shifted is the incident side of the incident light, and the space is spaced apart in an inclined posture.
  • the plurality of incident lights are arranged such that the optical axes of the incident lights reach the corresponding apex of the reflecting mirror from the plurality of optical fiber cables arranged on a plane including the short axis and the central axis.
  • a plurality of reflected lights which are input perpendicular to the central axis and are reflected by the plurality of reflecting mirrors and converted into ring-shaped lights, enter the light receiving area without intersecting each other. It is characterized by being composed of.
  • a plurality of incident lights inputted via a plurality of optical fiber cables are each converted into ring-shaped reflected lights by the corresponding reflecting mirrors.
  • a plurality of reflecting mirrors are arranged at intervals such that their oblique ellipsoidal conical surfaces face the light receiving area of the semiconductor light receiving element and their apexes are located on the central axis of the light receiving area. are incident on each other without intersecting each other. Therefore, since the light input through the plurality of optical fiber cables is not concentrated, the light can be input to the semiconductor light receiving element without increasing the light intensity.
  • the light-fed converter of the invention of claim 2 is the invention of claim 1, wherein the reflecting mirror is formed such that the reflected light enters the light receiving area in an annular shape concentric with the center of the light receiving area. It is characterized by According to the above configuration, the plurality of reflected lights form an annular shape, the variation in the light intensity in the circumferential direction of the reflected lights incident on the light receiving area is reduced, and it is possible to make the light incident on the semiconductor light receiving element without increasing the light intensity. can.
  • the light receiving area includes a plurality of photodiodes equally divided in the circumferential direction by a plurality of isolation grooves extending radially from the center of the light receiving area. They are characterized by being connected in series. According to the above configuration, the plurality of annular reflected lights are equally incident on the light receiving areas that are equally divided in the circumferential direction. Therefore, variations in photocurrent generated between photodiodes are reduced, and it is possible to output a high output voltage and increase output power.
  • optical power supply converter of the present invention light input via a plurality of optical fiber cables can be made to enter the semiconductor light receiving element without increasing the light intensity.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical power supply converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of light incident on a semiconductor light receiving element of the optical power feeding converter of FIG. 1.
  • FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram of a reflecting mirror having an oblique elliptic conical surface as a reflecting surface.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of an oblique elliptic conical surface.
  • FIG. 3 is a light intensity distribution diagram of light emitted from an optical fiber cable.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view including the central axes of a plurality of reflecting mirrors and the central axis of a light-receiving region of the optical power feeding converter of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the distribution of reflected light incident on a light receiving area by a reflecting mirror having an oblique ellipsoidal conical surface as a reflecting surface.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the distribution of reflected light incident on a light receiving area by a reflecting mirror having a right circular conical surface as a reflecting surface.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the distribution of reflected light incident on a light receiving area by a reflecting mirror having a right ellipsoidal conical surface as a reflecting surface.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an optical power supply converter in which three reflecting mirrors are provided.
  • FIG. 11 is a sectional view taken along the line X
  • the optical power supply converter 1 includes a base 2, a cover portion 5, and a semiconductor light receiving element 10.
  • This optical power supply converter 1 generates a photocurrent from a plurality of incident lights L1 inputted via, for example, a plurality of single mode optical fiber cables OC, and supplies this photocurrent to the outside.
  • An example in which light is input via two optical fiber cables OC will be described below.
  • a semiconductor light-receiving element 10 and a cover part 5 for protecting the semiconductor light-receiving element 10 and positioning the output ends E of the plurality of optical fiber cables OC are fixed to the base 2.
  • This base 2 has a pair of output terminal portions 3a and 3b for feeding photocurrent from the semiconductor light receiving element 10 to the outside.
  • the semiconductor light receiving element 10 is housed and fixed, for example, in a housing portion 2a formed on the base 2.
  • This semiconductor light-receiving element 10 has a light-receiving region 12 for generating photocurrent through photoelectric conversion, and a pair of electrodes 10a and 10b for outputting the generated photocurrent.
  • the light receiving region 12 is, for example, a PIN photodiode formed by stacking a first conductivity type semiconductor layer, a light absorption layer, and a second conductivity type semiconductor layer.
  • the electrode 10a is connected to a second conductivity type semiconductor layer, and the electrode 10b is connected to a first conductivity type semiconductor layer.
  • These electrodes 10a, 10b are connected to corresponding output terminal portions 3a, 3b by, for example, conductive wires 11a, 11b.
  • the output terminal portions 3a and 3b extend to the side surface of the base 2.
  • the cover part 5 has a cylindrical peripheral wall part 5a, a transparent resin 5b filled in the peripheral wall part 5a and cured, and a plurality of reflecting mirrors 6.
  • the transparent resin 5b is, for example, an epoxy-based synthetic resin that transmits the incident light L1.
  • a plurality of optical fiber introduction portions 5c are formed in the cover portion 5 to correspond to the plurality of reflecting mirrors 6 and have a predetermined depth extending through the peripheral wall portion 5a and into the transparent resin 5b.
  • the plurality of optical fiber cables OC are inserted into the corresponding optical fiber introducing portions 5c and fixed with the output ends E in contact with the transparent resin 5b at the back of the optical fiber introducing portions 5c.
  • the peripheral wall portion 5a may have a cylindrical shape other than a rectangular cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape.
  • the reflecting mirror 6 includes a main body 6a in the shape of an elliptical column, for example, formed of the same material as the transparent resin 5b filled in the peripheral wall 5a, a bottom surface 6b of the main body 6a, and a bottom surface 6b opposite to the bottom surface 6b.
  • the bottom surface of the side has an oblique elliptical conical surface 6c formed by processing into an oblique elliptic cone shape.
  • the bottom surface 6d of the oblique elliptical conical surface 6c has the same elliptical shape as the bottom surface 6b, and the intersection of the long axis and short axis of the bottom surface 6d is the center EC of the bottom surface 6d.
  • a bottom surface 6b of an elliptical columnar main body 6a is fixed to the tip of a columnar support member 7 made of the same material as the transparent resin 5b.
  • an inclined end surface 7b is formed which is inclined at a predetermined angle ⁇ of 45 degrees with respect to the axis 7a of the support member 7, and the bottom surface 6b of the reflecting mirror 6 is fixed to this inclined end surface 7b.
  • the shape of the cross section perpendicular to the axis 7a of the support member 7 is, for example, an ellipse, but is not limited to this.
  • the oblique ellipsoidal conical surface 6c has a bottom surface 6d that is an ellipse on the xy plane with the origin at the center EC, the short axis coincides with the x axis, the long axis coincides with the y axis, and the central axis 6e coincides with the z axis. , the apex is shifted in the minor axis direction (x-axis direction).
  • the coordinates of the apex are (x1, 0, k).
  • a metal film such as gold or silver is formed on the oblique elliptic conical surface 6c by, for example, vapor deposition, and the oblique elliptical conical surface 6c serves as a reflective surface that reflects the incident light L1.
  • the plurality of reflecting mirrors 6 have oblique elliptic conical surfaces 6c of the same shape, for example, the length r of the long axis of the bottom surface 6d is 90 ⁇ m, the length kr of the short axis is 67.5 ⁇ m, and the length from the bottom surface 6d to the apex is 90 ⁇ m.
  • the distance h is 10 ⁇ m, and the vertex shift distance x1 is 18 ⁇ m.
  • a plurality of supporting members 7 each have a reflecting mirror 6 fixed to an inclined end surface 7b such that the side to which the apex of the oblique ellipsoidal conical surface 6c is shifted is the tip side. They are each arranged so that the oblique ellipsoidal conical surface 6c faces the light receiving area 12.
  • the proximal ends of the plurality of support members 7 are respectively inserted and fixed into the plurality of support member mounting portions 5d provided at intervals so as to penetrate the peripheral wall portion 5a. .
  • the cover part 5 to which the plurality of supporting members 7 are fixed is fixed to the base 2 to which the semiconductor light receiving element 10 is fixed. Note that the base end side of the support member 7 is cut so as not to protrude outward from the peripheral wall portion 5a.
  • the plurality of reflecting mirrors 6 are arranged at intervals such that the apexes of the oblique ellipsoidal conical surfaces 6c are aligned on the central axis 12a of the light receiving area 12, which passes through the center C of the light receiving area 12 perpendicularly to the light receiving area 12. It is placed with a space between.
  • the plurality of reflecting mirrors 6 are arranged in such a manner that their respective central axes 6e are inclined with respect to the central axis 12a of the light receiving area 12 and are parallel to each other.
  • the support member 7 is fixed to the peripheral wall portion 5a so that the extension line of the axis 7a is perpendicular to the central axis 12a, and the bottom surface 6d of the oblique ellipsoidal conical surface 6c and the central axis 6e are perpendicular to the central axis 12a of the light receiving area 12. and intersect at a constant angle ⁇ of 45°.
  • the long axis is parallel to the light receiving area 12
  • the short axis intersects the central axis 12a of the light receiving area 12 at a predetermined angle
  • the side on which the apex is shifted is the incident side of the incident light L1.
  • a plurality of reflecting mirrors 6 are arranged.
  • the inside of the peripheral wall 5a of the cover part 5 fixed to the base 2 is filled with a transparent resin 5b, and when this transparent resin 5b hardens, the supporting member 7 and the main body 6a of the reflecting mirror 6 are integrated with the transparent resin 5b. Ru. Since the inside of the peripheral wall portion 5a is sealed with the transparent resin 5b, the reflecting mirror 6 is prevented from swinging or falling off due to vibration, for example, and the reflecting mirror 6 and the semiconductor light receiving element 10 are protected from, for example, moisture. Further, refraction and reflection of light at the interface between the transparent resin 5b and the support member 7 and the interface between the transparent resin 5b and the main body 6a is prevented. Note that the cover portion 5 in which the transparent resin 5b is filled in the peripheral wall portion 5a may be fixed to the base 2.
  • a plurality of optical fiber introducing portions 5c into which a plurality of optical fiber cables OC are inserted are drilled, for example, with a micro drill so as to correspond to a plurality of reflecting mirrors 6, and penetrate through the peripheral wall portion 5a to reach inside the transparent resin 5b. It is formed to a predetermined depth.
  • a rod-shaped mold may be inserted into the plurality of optical fiber introducing portions 5c provided in the peripheral wall portion 5a to fill the transparent resin 5b, and the mold may be removed after the transparent resin 5b has hardened.
  • the plurality of optical fiber introducing portions 5c extend in a direction perpendicular to the central axis 12a of the light receiving area 12 in a plane including the central axis 6e of the plurality of reflecting mirrors 6 and the central axis 12a of the light receiving area 12.
  • the plurality of optical fiber cables OC are fixed to the corresponding optical fiber introducing portions 5c and arranged on a plane including the central axis 6e of the plurality of reflecting mirrors 6 and the central axis 12a of the light receiving area 12.
  • the output end is adjusted such that the optical axis OA of the incident light L1 passes through the apex of the oblique ellipsoidal conical surface 6c of the corresponding reflecting mirror 6 (the apex of the reflecting mirror 6) perpendicularly to the central axis 12a of the light receiving area 12.
  • the positions of E are adjusted respectively.
  • the light input through the optical fiber cable OC is infrared light with a wavelength of, for example, about 1.5 ⁇ m.
  • the incident light L1 emitted from the output end E of the optical fiber cable OC is a conical beam with an apex angle ⁇ (full angle) whose irradiation range expands as it advances, and this apex angle ⁇ is often around 14°.
  • the light intensity distribution of the incident light L1 is generally a Gaussian distribution, and the light intensity decreases as the distance from the optical axis OA increases, and the light intensity distribution is rotationally symmetrical with respect to the optical axis OA.
  • the outermost circumference of the incident light L1 is defined as the point where the light intensity of the incident light L1 entering the plane P perpendicular to the optical axis OA becomes 1/e 2 of the light intensity on the optical axis OA.
  • the plurality of incident lights L1 emitted from the output ends E of the plurality of optical fiber cables OC are directed toward the light receiving area 12 of the semiconductor light receiving element 10 by the corresponding plurality of reflecting mirrors 6. reflected respectively.
  • the plurality of incident lights L1 are reflected by the oblique ellipsoidal conical surfaces 6c of the corresponding reflecting mirrors 6 and converted into ring-shaped reflected lights L2, and these reflected lights L2 do not intersect with each other and reach the light receiving area 12. incident on .
  • the distance H1 between the light receiving area 12 and the vertex of the reflecting mirror 6 near the light receiving area 12 is, for example, 700 ⁇ m, and the distance H2 between the vertices of the two reflecting mirrors 6 is, for example, 1500 ⁇ m.
  • the outer diameter of the light-receiving region 12 is, for example, 2500 ⁇ m, and both of the reflected lights L2 reflected by the two reflecting mirrors 6 enter the light-receiving region 12.
  • the plurality of ring-shaped reflected lights L2 reflected by the oblique ellipsoidal conical surfaces 6c of the plurality of reflecting mirrors 6 are incident in a ring shape concentric with the center C of the light-receiving area 12.
  • Arrow A in the figure indicates the direction of incidence of the incident light L1.
  • the plurality of points distributed in a ring shape each indicate the arrival point of a light ray included in the incident light L1 in the optical simulation of the optical power supply converter 1, and are distributed in an elliptical ring shape that approximates a ring.
  • the inner distribution is that of the reflected light L2 reflected by the reflecting mirror 6 near the light receiving area 12, and the outer distribution is that of the reflected light L2 reflected by the reflecting mirror 6 far from the light receiving area 12. Since the inner distribution is not widely spread, it is denser than the outer distribution and the light intensity is higher, but since the light on the optical axis OA of the incident light L1 spreads in the circumferential direction, the light intensity does not become too high. do not have. Further, in both the inner distribution and the outer distribution, the reflected light L2 is approximately evenly incident in the circumferential direction.
  • FIG. 8 shows an example of the distribution of reflected light in the light receiving area 12 when the reflecting mirror 6 uses a right circular conical surface as a reflecting surface
  • FIG. FIG. 9 shows an example of the distribution of reflected light in the light receiving area 12.
  • the diameter of the base of the right conical surface is 90 ⁇ m
  • the distance from the base to the apex is 10 ⁇ m
  • the length of the short axis of the oblique elliptic conical surface 6c is made equal to the length of the long axis
  • the shift distance x1 of the apex is set to zero. corresponds to the case.
  • the length of the major axis of the base of the right ellipsoidal conical surface is 90 ⁇ m
  • the length of the short axis is 67.5 ⁇ m
  • the distance from the base to the apex is 10 ⁇ m
  • the shift distance x1 of the apex of the oblique elliptic conical surface 6c is This corresponds to the case where it is set to zero.
  • the distribution becomes an elliptical ring shape with a longer axis larger than that in FIG. It can be seen that there is an incident part.
  • the difference between the major axis and the minor axis becomes small as in Fig. 7, resulting in an elliptic annular distribution that approximates a circular ring. It can be seen that there is a portion where the distribution is biased on the side opposite to the side where L1 is incident and the reflected light L2 is concentrated and incident.
  • the distribution of reflected light can be approximated to a circular shape, and by changing the right elliptical conical surface to an oblique elliptical conical surface, the distribution of reflected light can be made circular.
  • the deviation of the annular or elliptical annular distribution can be reduced. Therefore, by appropriately setting the length kr of the short axis with respect to the length r of the long axis of the bottom surface of the reflecting surface of the reflecting mirror 6, it is possible to obtain an annular distribution.
  • the annular distribution is biased. It is possible to avoid this. Note that while maintaining the size of the ellipse on the bottom surface, the larger the distance h from the bottom surface to the apex, the more the reflection spreads. The distance h from the bottom surface to the apex of the reflecting mirror 6 may be increased.
  • the optical power supply converter 1 can be formed by increasing the number of reflecting mirrors 6 to correspond to the number of optical fiber cables OC. For example, as shown in FIG. 10, even in an optical power supply converter 1 in which three reflecting mirrors 6 are arranged in correspondence with three optical fiber cables OC, the distance between adjacent reflecting mirrors 6 is adjusted appropriately to form three rings.
  • the reflected lights L2 can be made to enter the light receiving area 12 without intersecting each other. Note that it is also possible to arrange four or more reflecting mirrors 6.
  • a plurality of ring-shaped reflected lights L2 are photoelectrically converted in the light receiving region 12, which is a single photodiode, and a large photocurrent is output at a low voltage. However, depending on the power supply destination, a small current may be sufficient, but a high voltage may be required.
  • the light receiving area 12 is connected to a plurality of photodiodes by a plurality of linear isolation grooves 13 formed radially with respect to the center C of the light receiving area 12. It is divided into 14 parts.
  • the circular light receiving area 12 is equally divided in the circumferential direction by 30 isolation grooves 13, and 30 photodiodes 14 are formed.
  • the light receiving region 12 is electrically isolated from the outside by an isolation groove 15 formed on its outer periphery.
  • the plurality of electrically isolated photodiodes 14 are connected in series by a conductive member 25. In FIG. 11, some of the symbols of the isolation groove 13, the photodiode 14, and the conductive member 25 are omitted.
  • the plurality of linear isolation grooves 13 are formed radially with a constant width with respect to the center C of the light receiving area 12. Since the light receiving area 12 is equally divided in the circumferential direction, when the light receiving area 12 is circular, the shape and area of the plurality of photodiodes 14 are equal, but the light receiving area 12 does not have to be circular. Near the center C of the light-receiving region 12, a plurality of isolation grooves 13 are closely packed and adjacent isolation grooves 13 are connected in the width direction. As a result, a plurality of isolation grooves 13 are continuous in the circumferential direction, and a region I in which no photocurrent can be generated is formed in the shape of a regular polygon with the width of the isolation groove 13 as one side.
  • the photodiode 14 includes, for example, a semiconductor layer 21 of a first conductivity type, a light absorption layer 22, and a semiconductor layer 23 of a second conductivity type, which are laminated on a semi-insulating semiconductor substrate 20.
  • the semiconductor substrate 20 is, for example, an InP substrate
  • the semiconductor layer 21 is, for example, an n-InP layer
  • the light absorption layer 22 is, for example, an InGaAs layer
  • the semiconductor layer 23 is, for example, a p-InP layer, but is not limited thereto. It's not something you can do.
  • the photodiode 14 is not limited to the PIN type. Note that the thicknesses of the semiconductor layer 21, the light absorption layer 22, and the semiconductor layer 23 can be set as appropriate, and are often formed to have a thickness of about 0.5 to 10 ⁇ m.
  • the isolation groove 13 is formed from the semiconductor layer 23 side so that the semiconductor substrate 20, in which the semiconductor layer 21 of the first conductivity type, the light absorption layer 22, and the semiconductor layer 23 of the second conductivity type are stacked, is exposed. Formed by etching. Thereby, the light receiving area 12 is divided into a plurality of electrically isolated photodiodes 14. Note that the isolation groove 13 may be formed so that its sidewalls are inclined, for example, so that the width becomes narrower toward the semiconductor substrate 20 side.
  • the plurality of photodiodes 14 each have a connection hole 17 that penetrates the second conductivity type semiconductor layer 23 and the light absorption layer 22 and reaches the first conductivity type semiconductor layer 21. Then, an insulating protective film 24 is formed to cover the surfaces of the plurality of photodiodes 14 and the side walls of the connection holes 17 of these photodiodes 14 and to bury the plurality of linear isolation grooves 13 and isolation grooves 15. has been done.
  • each photodiode 14 the protective film 24 on the second conductivity type semiconductor layer 23 and inside the connection hole 17 is partially removed, and the first conductivity is formed on the second conductivity type semiconductor layer 23 and the bottom of the connection hole 17.
  • the semiconductor layers 21 of each mold are exposed.
  • the semiconductor layer 21 of the mold is connected by a conductive member 25 .
  • Conductive members 25 at both ends of the plurality of photodiodes 14 connected in series are connected to corresponding electrodes 10a and 10b.
  • the conductive member 25 is formed by selectively depositing a metal laminated film using, for example, a lift-off method.
  • the metal laminated film is composed of an adhesion layer such as titanium or chromium, and a low resistivity layer such as gold, silver, or aluminum. Since the isolation grooves 13 and 15 are filled with the protective film 24 and have small steps, the conductive member 25 can be easily formed.
  • the isolation groove 13 does not need to be completely filled with the protective film 24, and it is sufficient that the level difference is small enough to form the conductive member 25.
  • a first electrode connected to the semiconductor layer 21 of the first conductivity type and a second electrode connected to the semiconductor layer 23 of the second conductivity type are formed. Between the matching photodiodes 14, one first electrode and the other second electrode may be connected by a conductive member 25.
  • the optical power supply converter 1 equipped with this semiconductor light receiving element 10 can supply power at a high voltage. Further, since the reflected light L2 is converted into a circular shape by the oblique elliptic conical surface 6c, it is possible to prevent the input light from being wasted by preventing it from entering the region I where photocurrent cannot be generated.
  • the photocurrent output is limited by the photodiode that generates the smallest photocurrent.
  • this annular reflected light L2 has a small deviation in the circumferential direction, it is possible to reduce variations in the photocurrent generated by the plurality of photodiodes 14 equally divided in the circumferential direction and improve the output. .
  • a plurality of incident lights L1 inputted via a plurality of optical fiber cables OC are respectively converted into ring-shaped reflected lights L2 by corresponding reflecting mirrors 6.
  • a plurality of reflecting mirrors 6 are arranged at intervals such that their oblique ellipsoidal conical surfaces 6c face the light receiving area 12 of the semiconductor light receiving element 10, and their apexes are located on the central axis 12a of the light receiving area 12.
  • the reflected lights L2 enter the light receiving area 12 without intersecting with each other. Therefore, since the light input via the plurality of optical fiber cables OC is not concentrated, the light can be input to the semiconductor light receiving element 10 without increasing the light intensity.
  • the reflecting mirror 6 When the reflecting mirror 6 is formed so that the reflected light L2 enters the light receiving area 12 in an annular shape concentric with the center C of the light receiving area 12, the variation in the light intensity of the reflected light L2 in the circumferential direction is reduced. , the light can be made to enter the semiconductor light receiving element 10 so that the light intensity does not become high.
  • the light receiving area 12 is formed by connecting in series a plurality of photodiodes 14 equally divided in the circumferential direction by a plurality of isolation grooves 13 extending radially from the center C, A plurality of annular reflected lights L2 are equally incident on the light receiving area 12, which is divided into equal parts. Therefore, variations in photocurrent generated between the plurality of photodiodes 14 are reduced, and output power can be increased with a high output voltage.
  • the semiconductor light-receiving element 10 When the semiconductor light-receiving element 10 is a back-illuminated type in which light enters from the semiconductor substrate side, the distance from the back surface to the vertices of the plurality of reflecting mirrors 6 is reduced while maintaining the diameter of the reflected light L2. 1 can be downsized.
  • the ring-shaped reflected light L2 spreads in the circumferential direction and its light intensity decreases. It is also possible to configure so that a part of the reflected light L2 overlaps with each other.
  • those skilled in the art can implement various modifications to the embodiments described above without departing from the spirit of the present invention, and the present invention includes such modifications.
  • Optical power supply converter 2 Base 3a, 3b: Output terminal section 5: Cover section 5a: Peripheral wall section 5b: Transparent resin 5c: Optical fiber introduction section 5d: Support member mounting section 6: Reflector 6a: Main body 6b: Bottom surface 6c: Oblique ellipsoidal conical surface 6d: Bottom surface 6e: Central axis 7: Support member 10: Semiconductor light receiving elements 10a, 10b: Electrodes 11a, 11b: Conductive wire 12: Light receiving area 12a: Central axis 13: Isolation groove 14: Photo Diode 20: Semiconductor substrate 21: First conductivity type semiconductor layer 22: Light absorption layer 23: Second conductivity type semiconductor layer 24: Protective film 25: Conductive member L1: Incident light L2: Reflected light OA: Optical axis OC :Optical fiber cable

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Abstract

【課題】複数の光ファイバケーブルから入力される光を光強度が高くならないように半導体受光素子に入射させる光給電コンバータを提供すること。 【解決手段】複数の入射光(L1)から光電流を生成して給電する光給電コンバータ(1)は、入射光(L1)を反射する複数の反射鏡(6)と、光電流を生成する受光領域(12)を有する半導体受光素子(10)を備え、反射鏡(6)の各々は楕円形の底面(6d)の長軸と短軸の交点に対して短軸方向に頂点をシフトさせた斜楕円錐面(6c)を受光領域(12)に臨む反射面とし、複数の反射鏡(6)は、受光領域(12)の中心軸線(12a)上に頂点が位置し、且つ底面(6d)の長軸が受光領域(12)と平行となり、短軸が中心軸線(12a)と斜めに交差して頂点をシフトさせた側が入射光(L1)の入射側となる傾斜姿勢で間隔を空けて配設され、複数の入射光(L1)は、対応する反射鏡(6)に光軸(OA)が頂点を中心軸線(12a)に対して垂直に通るように入力され、反射されたリング状の複数の反射光(L2)を交差させずに受光領域(12)に入射させる。

Description

光給電コンバータ
　本発明は、光ファイバケーブルを介して入力される光を電力に変換して給電する光給電コンバータに関する。
　給電設備がない遠隔地、給電による微弱な電磁界がノイズとなる環境、防爆を必要とする環境、電気的相互影響がある超高電圧設備内等、特殊な環境では電源ケーブルを介して電子機器類を作動させる電力を供給できない場合がある。そのため、電子機器類の傍まで光ファイバケーブルを介して入力される光を受けて、光電変換によって光電流を生成して給電する光給電コンバータが利用されている。
　大きな電力を給電することが光給電コンバータに求められる場合には、例えば光入力を大きくすることが有効である。しかし、一般的なシングルモードの光ファイバケーブルは、光が伝搬するコアの直径が１０μｍ程度と小さいので、例えば１Ｗを超える大きい光入力に対してファイバフューズ現象によってコアが損傷する場合がある。それ故、例えば特許文献１，２のように、複数の光ファイバケーブルを用いて光を入力することが検討されている。
　特許文献１には、放物面の性質を利用する凹面反射鏡によって、複数の光ファイバケーブルを介して入力される光を放物面の焦点位置に集め、この光を受光素子が光電変換して給電する技術が記載されている。また、特許文献２には、回転楕円面の性質を利用する凹面反射鏡によって、複数の光ファイバケーブルを介して入力される光を回転楕円面の焦点位置に集め、この光を受光素子が光電変換して給電する技術が記載されている。
特許第６９２８９９２号公報 特許第６９３７５３８号公報
　光ファイバケーブルを介して入力される光は、光ファイバケーブルの出射端から出射された後には進行するほど照射領域が広がる円錐状のビームである。この光の光強度分布は一般的にガウス分布であり、光軸から離隔するほど光強度が低下すると共に、光軸に対して回転対称状の光強度分布である。
　複数の光ファイバケーブルから出射されたガウス分布の光が特許文献１，２のように焦点位置に集められた場合には、光強度が最も高い光軸上の光が焦点位置で重なる。それ故、この焦点位置及びこの焦点近傍において光強度が高くなり過ぎ、この光を受ける半導体受光素子は、例えば空間電荷効果、温度上昇等によって光電変換の効率が低下して、光給電コンバータの給電能力が低下する虞がある。
　そこで、本発明は、複数の光ファイバケーブルを介して入力される光を光強度が高くならないように半導体受光素子に入射させることができる光給電コンバータを提供することを目的としている。
　請求項１の発明の光給電コンバータは、複数の光ファイバケーブルを介して入力される複数の入射光から光電流を生成して給電する光給電コンバータにおいて、前記入射光を反射するための複数の反射鏡と、光電流を生成する受光領域を有する半導体受光素子を備え、前記反射鏡の各々は、楕円形の底面の長軸と短軸が交差する中心に対して前記短軸方向に頂点をシフトさせた斜楕円錐面を前記受光領域に臨む反射面とし、複数の前記反射鏡は、前記受光領域の中心をこの受光領域に対して垂直に通る中心軸線上に前記頂点が位置し、且つ前記長軸が前記受光領域と平行であって、前記短軸が前記中心軸線に所定の角度で交差して前記頂点をシフトさせた側が前記入射光の入射側となる傾斜姿勢で間隔を空けて配設され、複数の前記入射光は、前記短軸と前記中心軸線を含む平面上に並べられた複数の前記光ファイバケーブルから、前記入射光の光軸が対応する前記反射鏡の前記頂点を前記中心軸線に対して垂直に通るように入力され、複数の前記反射鏡で反射されてリング状の光に夫々変換された複数の反射光が、互いに交差せずに前記受光領域に入射するように構成されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、複数の光ファイバケーブルを介して入力される複数の入射光は、対応する反射鏡によってリング状の反射光に夫々変換される。そして、複数の反射鏡が斜楕円錐面を半導体受光素子の受光領域に向けてこの受光領域の中心軸線上に頂点が位置するように間隔を空けて配設され、複数の反射光が受光領域に互いに交差せずに入射する。従って、複数の光ファイバケーブルを介して入力される光を集中させないので、光強度が高くならないように半導体受光素子に入射させることができる。
　請求項２の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、前記反射鏡は、前記反射光が前記受光領域にこの受光領域の中心と同心の円環状に入射するように形成されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、複数の反射光が円環状になって、受光領域に入射する反射光の周方向の光強度のばらつき小さくなり、光強度が高くならないように半導体受光素子に入射させることができる。
　請求項３の発明の光給電コンバータは、請求項２の発明において、前記受光領域は、この受光領域の中心から放射状に延びる複数のアイソレーション溝によって周方向に等分された複数のフォトダイオードが直列に接続されて形成されたことを特徴としている。
　上記構成によれば、周方向に等分された受光領域に、複数の円環状の反射光が均等に入射する。従って、フォトダイオード間における生成される光電流のばらつきが小さくなり、高い出力電圧で出力できると共に出力電力を大きくすることができる。
　本発明の光給電コンバータによれば、複数の光ファイバケーブルを介して入力される光を光強度が高くならないように半導体受光素子に入射させることができる。
本発明の実施例に係る光給電コンバータを示す図である。 図１の光給電コンバータの半導体受光素子への光の入射例を示す図である。 斜楕円錐面を反射面とする反射鏡の説明図である。 斜楕円錐面の説明図である。 光ファイバケーブルから出射される光の光強度分布図である。 図１の光給電コンバータの複数の反射鏡の中心軸線と受光領域の中心軸線を含む断面図である。 斜楕円錐面を反射面とする反射鏡によって受光領域に入射する反射光の分布の１例を示す図である。 直円錐面を反射面とする反射鏡によって受光領域に入射する反射光の分布の１例を示す図である。 直楕円錐面を反射面とする反射鏡によって受光領域に入射する反射光の分布の１例を示す図である。 ３つの反射鏡が配設された光給電コンバータの例を示す断面図である。 周方向に等分された半導体受光素子の受光領域の例を示す平面図である。 図１１のXII－XII線断面図である。
　以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
　図１、図２に示すように、光給電コンバータ１は、基台２と、カバー部５と、半導体受光素子１０を有する。この光給電コンバータ１は、例えばシングルモードの複数の光ファイバケーブルＯＣを介して入力される複数の入射光Ｌ１から光電流を生成し、この光電流を外部に給電する。以下では、２本の光ファイバケーブルＯＣを介して光が入力される例について説明する。
　基台２には、半導体受光素子１０と、この半導体受光素子１０を保護すると共に複数の光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅを位置決めするためのカバー部５が固定されている。この基台２は、半導体受光素子１０から光電流を外部に給電するための１対の出力端子部３ａ，３ｂを有する。
　半導体受光素子１０は、例えば基台２に形成された収容部２ａに収容されて固定されている。この半導体受光素子１０は、光電変換により光電流を生成するための受光領域１２と、生成された光電流を出力するための１対の電極１０ａ，１０ｂを有する。受光領域１２は、例えば第１導電型の半導体層と光吸収層と第２導電型の半導体層が積層されて形成されたＰＩＮフォトダイオードである。
　電極１０ａ，１０ｂは、例えば電極１０ａが第２導電型の半導体層に接続され、電極１０ｂが第１導電型の半導体層に接続されている。そして、これらの電極１０ａ，１０ｂは、例えば導電性ワイヤ１１ａ，１１ｂによって、対応する出力端子部３ａ、３ｂに接続されている。図示を省略するが、出力端子部３ａ，３ｂは基台２の側面に延びている。
　カバー部５は、筒状の周壁部５ａと、周壁部５ａ内に充填されて硬化した透明樹脂５ｂと、複数の反射鏡６を有する。透明樹脂５ｂは、入射光Ｌ１を透過させる例えばエポキシ系の合成樹脂である。このカバー部５には、複数の反射鏡６に対応するように、周壁部５ａを貫通して透明樹脂５ｂ内に至る所定の深さの複数の光ファイバ導入部５ｃが形成されている。複数の光ファイバケーブルＯＣは、対応する光ファイバ導入部５ｃに差し込まれ、出射端Ｅが光ファイバ導入部５ｃの奥の透明樹脂５ｂに当接した状態で固定される。尚、周壁部５ａは、矩形の筒状以外の円筒又は多角形の筒状であってもよい。
　図３に示すように、反射鏡６は、周壁部５ａ内に充填された透明樹脂５ｂと同じ材料で形成された例えば楕円柱状の本体６ａと、この本体６ａの底面６ｂと、底面６ｂと反対側の底面が斜楕円錐状に加工されて形成された斜楕円錐面６ｃを有する。
　図４に示すように、斜楕円錐面６ｃの底面６ｄは底面６ｂと同じ楕円形であり、底面６ｄの長軸と短軸の交点を底面６ｄの中心ＥＣとする。底面６ｄを表す楕円は、例えばｘｙ平面上で長軸の長さをｒ、短軸の長さをｋｒとしたときに、ｘ２／ｋ２＋ｙ２＝ｒ２と表すことができ、中心ＥＣは原点に位置する。そして図３、図４のように、底面６ｄの中心ＥＣを通る楕円柱状の本体６ａの軸線を反射鏡６の中心軸線６ｅとすると、中心軸線６ｅは、ｘ軸とｙ軸に夫々直交するｚ軸に一致する。
　反射鏡６は、楕円柱状の本体６ａの底面６ｂが、透明樹脂５ｂと同じ材料で形成された柱状の支持部材７の先端に固定されている。支持部材７の先端には、この支持部材７の軸７ａに対して所定の角度φとして４５°傾斜した傾斜端面７ｂが形成され、この傾斜端面７ｂに反射鏡６の底面６ｂが固定されている。支持部材７の軸７ａに直交する断面の形状は、例えば楕円形であるが、これに限定されるものではない。
　斜楕円錐面６ｃは、中心ＥＣを原点とするｘｙ平面上の楕円を底面６ｄとして、短軸がｘ軸に一致し、長軸がｙ軸に一致し、中心軸線６ｅがｚ軸に一致し、頂点が短軸方向（ｘ軸方向）にシフトされている。斜楕円錐面６ｃの底面６ｄから頂点までの距離をｈとし、頂点の中心軸線６ｅ（ｚ軸）からのシフト距離をｘ１とすると、頂点の座標は（ｘ１，０，ｋ）である。この斜楕円錐面６ｃには例えば金、銀のような金属膜が例えば蒸着によって形成されており、斜楕円錐面６ｃが入射光Ｌ１を反射する反射面になっている。尚、複数の反射鏡６は同形状の斜楕円錐面６ｃを有し、例えば底面６ｄの長軸の長さｒが９０μｍ、短軸の長さｋｒが６７．５μｍ、底面６ｄから頂点までの距離ｈが１０μｍ、頂点のシフト距離ｘ１が１８μｍである。
　図１～３のように、斜楕円錐面６ｃの頂点がシフトされた側が先端側となるように傾斜端面７ｂに反射鏡６が夫々固定された複数の支持部材７は、半導体受光素子１０の受光領域１２に斜楕円錐面６ｃが臨むように夫々配設される。例えば、透明樹脂５ｂの充填前に、周壁部５ａを貫通するように間隔を空けて設けられた複数の支持部材装着部５ｄに、複数の支持部材７の基端側が夫々挿通されて固定される。そして、複数の支持部材７が固定されたカバー部５が、半導体受光素子１０が固定された基台２に固定される。尚、支持部材７の基端側は、周壁部５ａから外側に突出しないように切断されている。
　このとき、複数の反射鏡６は、斜楕円錐面６ｃの頂点が、受光領域１２に対して垂直にこの受光領域１２の中心Ｃを通る受光領域１２の中心軸線１２ａ上に並ぶように、間隔を空けて配設される。これと同時に、複数の反射鏡６は、各々の中心軸線６ｅが受光領域１２の中心軸線１２ａに対して夫々傾斜し且つ互いに平行になる姿勢で配設される。支持部材７は、その軸７ａの延長線が中心軸線１２ａ対して直交するように周壁部５ａに固定され、斜楕円錐面６ｃの底面６ｄ及び中心軸線６ｅが受光領域１２の中心軸線１２ａに対して一定の角度φとして夫々４５°の角度で交差している。こうして、長軸が受光領域１２と平行であって、短軸が受光領域１２の中心軸線１２ａに所定の角度で交差して頂点をシフトさせた側が入射光Ｌ１の入射側となる傾斜姿勢で、複数の反射鏡６が配設される。
　基台２に固定されたカバー部５の周壁部５ａの内側に透明樹脂５ｂが充填され、この透明樹脂５ｂが硬化して支持部材７及び反射鏡６の本体６ａが透明樹脂５ｂと一体化される。周壁部５ａの内部が透明樹脂５ｂによって封止されるので、例えば振動による反射鏡６の揺動、脱落が防止され、例えば水分等から反射鏡６及び半導体受光素子１０が保護される。また、透明樹脂５ｂと支持部材７の界面、及び透明樹脂５ｂと本体６ａの界面における光の屈折、反射が防止される。尚、周壁部５ａ内に透明樹脂５ｂが充填されたカバー部５が、基台２に固定されてもよい。
　複数の光ファイバケーブルＯＣが差し込まれる複数の光ファイバ導入部５ｃは、複数の反射鏡６に対応するように、例えばマイクロドリルによって掘削されて、周壁部５ａを貫通して透明樹脂５ｂ内に至るように所定の深さに形成される。周壁部５ａに設けられた複数の光ファイバ導入部５ｃに棒状の金型を挿入して透明樹脂５ｂを充填し、透明樹脂５ｂの硬化後に金型を除去してもよい。複数の光ファイバ導入部５ｃは、複数の反射鏡６の中心軸線６ｅと受光領域１２の中心軸線１２ａを含む平面において、受光領域１２の中心軸線１２ａに対して直交する方向に延びている。
　複数の光ファイバケーブルＯＣは、対応する光ファイバ導入部５ｃに固定され、複数の反射鏡６の中心軸線６ｅと受光領域１２の中心軸線１２ａを含む平面上に並べられる。このとき、入射光Ｌ１の光軸ＯＡが対応する反射鏡６の斜楕円錐面６ｃの頂点（反射鏡６の頂点）を受光領域１２の中心軸線１２ａに対して垂直に通るように、出射端Ｅの位置が夫々調整される。
　光ファイバケーブルＯＣを介して入力される光は、波長が例えば１．５μｍ程度の赤外光である。この光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅから出射された入射光Ｌ１は、図５に示すように、進行するほど照射範囲が広がる頂角θ（全角）の円錐状のビームであり、この頂角θは１４°程度の場合が多い。入射光Ｌ１の光強度分布は、一般的にはガウス分布であり、光軸ＯＡから離隔するほど光強度が低下すると共に、光軸ＯＡに対して回転対称状の光強度分布である。そして、光軸ＯＡと直交する平面Ｐに入射する入射光Ｌ１の光強度が光軸ＯＡ上の光強度の１／ｅ２になるところを、入射光Ｌ１の最外周としている。
　図３、図６のように、複数の光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅから出射された複数の入射光Ｌ１は、対応する複数の反射鏡６によって、半導体受光素子１０の受光領域１２に向けて夫々反射される。このとき、複数の入射光Ｌ１は、対応する反射鏡６の斜楕円錐面６ｃで反射されてリング状の反射光Ｌ２に夫々変換され、これらの反射光Ｌ２が互いに交差せずに受光領域１２に入射する。受光領域１２とこの受光領域１２に近い反射鏡６の頂点との距離Ｈ１は例えば７００μｍであり、２つの反射鏡６の頂点間の間隔Ｈ２は例えば１５００μｍである。尚、受光領域１２の外径は例えば２５００μｍであり、２つの反射鏡６で反射された反射光Ｌ２はどちらも受光領域１２に入射する。
　複数の反射鏡６の斜楕円錐面６ｃで夫々反射された複数のリング状の反射光Ｌ２は、図７に示すように、受光領域１２の中心Ｃに対して同心のリング状に入射する。図中の矢印Ａは入射光Ｌ１の入射方向を示している。リング状に分布している複数の点は、光給電コンバータ１の光学シミュレーションにおいて入射光Ｌ１に含まれる光線の到達点を夫々示し、円環に近似する楕円環状に分布している。内側の分布は受光領域１２に近い反射鏡６で反射された反射光Ｌ２のものであり、外側の分布は受光領域１２から遠い反射鏡６で反射された反射光Ｌ２のものである。内側の分布は大きく広がっていないので、外側の分布よりも密集して光強度が高くなるが、入射光Ｌ１の光軸ＯＡ上の光が周方向に広がるので、光強度が高くなり過ぎることがない。また、内側の分布と外側の分布の両方とも、反射光Ｌ２が周方向に概ね均等に入射している。
　ここで、比較例として、反射鏡６が直円錐面を反射面とする場合の受光領域１２における反射光の分布例を図８に、反射鏡６が直楕円錐面を反射面とする場合の受光領域１２における反射光の分布例を図９に示す。直円錐面の底面の直径は９０μｍ、底面から頂点までの距離は１０μｍであり、斜楕円錐面６ｃの短軸の長さを長軸の長さと等しくして頂点のシフト距離ｘ１をゼロとした場合に相当する。また、直楕円錐面の底面の長軸の長さは９０μｍ、短軸の長さは６７．５μｍ、底面から頂点までの距離は１０μｍであり、斜楕円錐面６ｃの頂点のシフト距離ｘ１をゼロとした場合に相当する。
　図８の直円錐面の場合には、図７よりも長径が大きい楕円環状の分布になり、入射光Ｌ１が入射する側と反対側に楕円環状の分布が偏って反射光Ｌ２が集中して入射する部分があることがわかる。また、図９の直楕円錐面の場合には、図７と同じように長径と短径の差が小さくなって円環に近似する楕円環状の分布になるが、図８と同様に入射光Ｌ１が入射する側と反対側に分布が偏って反射光Ｌ２が集中して入射する部分があることがわかる。
　図７～図９によれば、直円錐面を直楕円錐面に変更することによって反射光の分布を円環状に近づけることができ、直楕円錐面を斜楕円錐面に変更することによって円環状又は楕円環状の分布の偏りを小さくすることができる。従って、反射鏡６の反射面の底面の長軸の長さｒに対する短軸の長さｋｒを適切に設定することによって、円環状の分布にすることができる。そして、反射面に対する入射光Ｌ１の入射角が小さくなるように、短軸方向において入射光Ｌ１の入射側にシフトさせた頂点のシフト距離ｘ１を適切に設定することによって、円環状の分布の偏りがないようにすることができる。尚、底面の楕円のサイズを維持し、底面から頂点までの距離ｈを大きくするほど大きく広がるように反射されるので、例えば光給電コンバータ１の小型化のために受光領域１２からの距離に応じて反射鏡６の底面から頂点までの距離ｈを大きくしてもよい。
　光給電コンバータ１は、光ファイバケーブルＯＣの数に対応するように反射鏡６を増加させて形成することができる。例えば図１０のように、３本の光ファイバケーブルＯＣに対応させて３つの反射鏡６を配設した光給電コンバータ１においても、隣接する反射鏡６間の間隔を適宜調整して３つのリング状の反射光Ｌ２を互いに交差せずに受光領域１２に入射させることができる。尚、４つ以上の反射鏡６を配設することも可能である。
　複数のリング状の反射光Ｌ２が、単一のフォトダイオードである受光領域１２で光電変換され、大きい光電流が低い電圧で出力される。しかし、給電先によっては、電流は小さくてよいが、高い電圧が要求される場合がある。
　このような場合、例えば図１１、図１２に示すように、この受光領域１２の中心Ｃに対して放射状に形成された複数の直線状のアイソレーション溝１３によって、受光領域１２が複数のフォトダイオード１４に分割される。ここでは円形の受光領域１２が３０本のアイソレーション溝１３によって周方向に等分され、３０個のフォトダイオード１４が形成されている。受光領域１２は、その外周に形成されたアイソレーション溝１５によってその外側から電気的に分離されている。そして、これら電気的に分離された複数のフォトダイオード１４が、導電性部材２５によって直列に接続されている。尚、図１１ではアイソレーション溝１３、フォトダイオード１４、導電性部材２５の符号を一部省略している。
　複数の直線状のアイソレーション溝１３は、受光領域１２の中心Ｃに対して放射状に一定の幅で形成されている。受光領域１２が周方向に等分されたので、この受光領域１２が円形の場合には複数のフォトダイオード１４の形状及び面積が等しくなるが、受光領域１２は円形でなくてもよい。受光領域１２の中心Ｃ近傍では、複数のアイソレーション溝１３が密集して隣り合うアイソレーション溝１３が幅方向に連なっている。これにより、複数のアイソレーション溝１３が周方向に連なって、アイソレーション溝１３の幅を１辺とする正多角形状に、光電流を生成できない領域Ｉが形成されている。
　フォトダイオード１４は、例えば半絶縁性の半導体基板２０に積層された第１導電型の半導体層２１と光吸収層２２と第２導電型の半導体層２３を有する。半導体基板２０は例えばＩｎＰ基板であり、半導体層２１は例えばｎ－ＩｎＰ層であり、光吸収層２２は例えばＩｎＧａＡｓ層であり、半導体層２３は例えばｐ－ＩｎＰ層であるが、これに限定されるものではない。また、フォトダイオード１４はＰＩＮ型に限定されるものではない。尚、半導体層２１、光吸収層２２、半導体層２３の厚さは適宜設定することができ、０．５～１０μｍ程度の厚さに形成される場合が多い。
　アイソレーション溝１３は、第１導電型の半導体層２１と光吸収層２２と第２導電型の半導体層２３が積層された半導体基板２０を、半導体基板２０が露出するように半導体層２３側からエッチングして形成される。これにより、受光領域１２が電気的に分離された複数のフォトダイオード１４に分割される。尚、アイソレーション溝１３は、例えば半導体基板２０側ほど幅が狭くなるように側壁が傾斜状に形成されてもよい。
　複数のフォトダイオード１４は、第２導電型の半導体層２３と光吸収層２２を貫通して第１導電型の半導体層２１に到達する接続孔１７を夫々有する。そして、複数のフォトダイオード１４の表面とこれらフォトダイオード１４の接続孔１７の側壁を覆い且つ複数の直線状のアイソレーション溝１３及びアイソレーション溝１５を埋め込むように、絶縁性の保護膜２４が形成されている。
　各フォトダイオード１４において、第２導電型の半導体層２３上及び接続孔１７の内部の保護膜２４が部分的に除去されて、第２導電型の半導体層２３及び接続孔１７底部で第１導電型の半導体層２１が夫々露出する。そして、複数のフォトダイオード１４を直列に接続するために、アイソレーション溝１３を介して隣り合うフォトダイオード１４間で、一方の露出した第２導電型の半導体層２３と他方の露出した第１導電型の半導体層２１とが導電性部材２５によって接続される。直列に接続された複数のフォトダイオード１４の両端の導電性部材２５は、対応する電極１０ａ，１０ｂに接続される。
　導電性部材２５は、例えばリフトオフ法を用いて金属積層膜を選択的に堆積させることによって形成される。金属積層膜は、例えばチタン、クロムのような密着層と、例えば金、銀、アルミニウムのような低抵抗率層によって構成されている。アイソレーション溝１３，１５は、保護膜２４によって埋め込まれて段差が小さくなっているので、導電性部材２５の形成が容易になる。
　アイソレーション溝１３は、保護膜２４によって完全に埋め込まれる必要はなく、導電性部材２５を形成できる程度に段差が小さくなっていればよい。図示を省略するが、各フォトダイオード１４において、第１導電型の半導体層２１に接続する第１電極と第２導電型の半導体層２３に接続する第２電極が形成され、上記と同様に隣り合うフォトダイオード１４間で一方の第１電極と他方の第２電極とが導電性部材２５により接続されてもよい。また、これも図示を省略するが、導電性部材２５として例えば金を主成分とする導電性ワイヤによって、上記と同様に隣り合うフォトダイオード１４間で、一方の第１電極と他方の第２電極とが接続されてもよい。
　直列に接続された複数のフォトダイオード１４によって受光領域１２が形成されているので、半導体受光素子１０が出力する光電流は小さくなるが、その出力電圧を高くすることができる。従って、この半導体受光素子１０を備えた光給電コンバータ１は、高い電圧で給電することができる。また、斜楕円錐面６ｃによって反射光Ｌ２は円環状に変換されるので、光電流を生成できない領域Ｉに入射させないようにして、入力される光が無駄にならないようにすることができる。
　直列に接続された複数のフォトダイオード１４は、生成する光電流が最小のフォトダイオードによって出力される光電流が制限される。しかし、この円環状の反射光Ｌ２は、周方向における偏りが小さいので、周方向に等分された複数のフォトダイオード１４が生成する光電流のばらつきを小さくして、出力を向上させることができる。
　上記光給電コンバータ１の作用、効果について説明する。
　複数の光ファイバケーブルＯＣを介して入力される複数の入射光Ｌ１は、対応する反射鏡６によってリング状の反射光Ｌ２に夫々変換される。そして、複数の反射鏡６が斜楕円錐面６ｃを半導体受光素子１０の受光領域１２に向けてこの受光領域１２の中心軸線１２ａ上に頂点が位置するように間隔を空けて配設され、複数の反射光Ｌ２が受光領域１２に互いに交差せずに入射する。従って、複数の光ファイバケーブルＯＣを介して入力される光を集中させないので、光強度が高くならないように半導体受光素子１０に入射させることができる。
　反射光Ｌ２が受光領域１２にこの受光領域１２の中心Ｃと同心の円環状に入射するように反射鏡６が形成されている場合には、反射光Ｌ２の周方向の光強度のばらつき小さくなり、光強度が高くならないように半導体受光素子１０に入射させることができる。このとき、受光領域１２が、その中心Ｃから放射状に延びる複数のアイソレーション溝１３によって周方向に等分された複数のフォトダイオード１４を直列に接続して形成されている場合には、周方向に等分された受光領域１２に、複数の円環状の反射光Ｌ２が均等に入射する。従って、複数のフォトダイオード１４間における生成される光電流のばらつきが小さくなり、高い出力電圧で出力電力を大きくすることができる。
　半導体受光素子１０が半導体基板側から入射させる裏面入射型である場合には、反射光Ｌ２の径を維持しながら、この裏面から複数の反射鏡６の頂点までの距離を小さくして光給電コンバータ１を小型化可能である。リング状の反射光Ｌ２は周方向に広がって光強度が低下するため、径方向において他のリング状の反射光Ｌ２と重なっても光強度が高くなり過ぎることがない場合に、複数のリング状の反射光Ｌ２の一部が重なるように構成することも可能である。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。
１　　：光給電コンバータ
２　　：基台
３ａ，３ｂ：出力端子部
５　　：カバー部
５ａ　：周壁部
５ｂ　：透明樹脂
５ｃ　：光ファイバ導入部
５ｄ　：支持部材装着部
６　　：反射鏡
６ａ　：本体
６ｂ　：底面
６ｃ　：斜楕円錐面
６ｄ　：底面
６ｅ　：中心軸線
７　　：支持部材
１０　：半導体受光素子
１０ａ，１０ｂ：電極
１１ａ，１１ｂ：導電性ワイヤ
１２　：受光領域
１２ａ：中心軸線
１３　：アイソレーション溝
１４　：フォトダイオード
２０　：半導体基板
２１　：第１導電型の半導体層
２２　：光吸収層
２３　：第２導電型の半導体層
２４　：保護膜
２５　：導電性部材
Ｌ１　：入射光
Ｌ２　：反射光
ＯＡ　：光軸
ＯＣ　：光ファイバケーブル

Claims (3)

  1. 　複数の光ファイバケーブルを介して入力される複数の入射光から光電流を生成して給電する光給電コンバータにおいて、
    　前記入射光を反射するための複数の反射鏡と、光電流を生成する受光領域を有する半導体受光素子を備え、
    　前記反射鏡の各々は、楕円形の底面の長軸と短軸が交差する中心に対して前記短軸方向に頂点をシフトさせた斜楕円錐面を前記受光領域に臨む反射面とし、
    　複数の前記反射鏡は、前記受光領域の中心をこの受光領域に対して垂直に通る中心軸線上に前記頂点が位置し、且つ前記長軸が前記受光領域と平行であって、前記短軸が前記中心軸線に所定の角度で交差して前記頂点をシフトさせた側が前記入射光の入射側となる傾斜姿勢で間隔を空けて配設され、
    　複数の前記入射光は、前記短軸と前記中心軸線を含む平面上に並べられた複数の前記光ファイバケーブルから、前記入射光の光軸が対応する前記反射鏡の前記頂点を前記中心軸線に対して垂直に通るように入力され、
    　複数の前記反射鏡で反射されてリング状の光に夫々変換された複数の反射光が、互いに交差せずに前記受光領域に入射するように構成されたことを特徴とする光給電コンバータ。
  2. 　前記反射鏡は、前記反射光が前記受光領域にこの受光領域の中心と同心の円環状に入射するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光給電コンバータ。
  3. 　前記受光領域は、この受光領域の中心から放射状に延びる複数のアイソレーション溝によって周方向に等分された複数のフォトダイオードが直列に接続されて形成されたことを特徴とする請求項２に記載の光給電コンバータ。
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