特許 6625945 光学的電力伝送を用いる電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6625945

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】光学的電力伝送を用いる電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0352 20060101AFI20191216BHJP

   H01L 31/054 20140101ALI20191216BHJP

   H01L 31/12 20060101ALI20191216BHJP

   H02J 50/30 20160101ALI20191216BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20191216BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/04 340

   H01L31/04 620

   H01L31/12 Z

   H02J50/30

   H02J50/40

【請求項の数】20

【外国語出願】

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2016-157513(P2016-157513)

(22)【出願日】2016年8月10日

(65)【公開番号】特開2017-38057(P2017-38057A)

(43)【公開日】2017年2月16日

【審査請求日】2018年5月30日

(31)【優先権主張番号】14/824,643

(32)【優先日】2015年8月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507342261

【氏名又は名称】トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100160543

【弁理士】

【氏名又は名称】河野上 正晴

(72)【発明者】

【氏名】石垣 将紀

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１１９４０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１２−５２９７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０７４６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１６５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３０２８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１２６１６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−０７８３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５０７９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０３５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３１０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１２６０７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／００９９２６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０２１１４７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０７３５８５１２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１００２６２８９（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０４ − ３１／０６

Ｈ０１Ｌ ３１／１２ − ３１／１６

Ｈ０２Ｊ ５０／００ − ５０／９０

Ｈ０２Ｓ １０／００ − １０／４０

Ｈ０２Ｓ ３０／００ − ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気エネルギーを光に変換するように構成された光源；及び
複数の光電変換デバイス
を有し、
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、
それぞれの第１の導電領域とそれぞれの第２の導電領域との間に挟まれた活性領域を有し、該活性領域は前記光源からの光を前記第１の導電領域中及び前記第２の導電領域中のどちらかに先に伝播させることなく受容するように配置されており、
前記活性領域に受容された光を電気エネルギーに変換し、そして、
前記複数の光電変換デバイスは、前記複数の光電変換デバイス中の第１の光電変換デバイスの活性領域から出て来た光が、前記複数の光電変換デバイス中の第２の光電変換デバイスの活性領域に入射するように構成されている、
光学的電力伝送（ＯＰＴ）装置であって、
前記複数の光電変換デバイスが電気的に直列に接続されており、
前記第１の光電変換デバイスと前記第２の光電変換デバイスとが同量の電流を生成するように、ベールの法則に基づいて、前記第２の光電変換デバイスの活性領域が、前記第１の光電変換デバイスの活性領域よりも大きい幅を有している、
前記ＯＰＴ装置。

【請求項2】

前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記第１の導電領域がｎ−ドープされた半導体領域であり；
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記第２の導電領域がｐ−ドープされた半導体領域であり；
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記活性領域が、前記ｎ−ドープされた半導体領域と、前記ｐ−ドープされた半導体領域との間の空乏領域であり；
前記複数の光電変換デバイス中の各光電変換デバイスにおける、前記活性領域、前記第１の導電領域、および前記第２の導電領域が、第１の方向に種々に積層されており、前記各光電変換デバイスそれぞれの活性領域は、前記各光電変換デバイスの前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間に備えられており；そして
前記光源からの光が前記第１の方向と実質的に直交する方向に伝播する、
請求項１に記載のＯＰＴ装置。

【請求項3】

前記複数の光電変換デバイスが、前記光源からの光が前記第２の光電変換デバイスの前記活性領域に伝播されるより先に前記第１の光電変換デバイスの前記活性領域に伝播されるように構成されており、
前記第２の光電変換デバイスにおける光の伝播距離は、前記第１の光電変換デバイスにおける光の伝播距離よりも長く、そして、
前記第２の光電変換デバイスにおける光の伝播距離及び前記第１の光電変換デバイスにおける光の伝播距離は、前記第２の光電変換デバイスから発生される電流が前記第１の光電変換デバイスから発生される電流と等しくなるように構成されている、
請求項１又は２に記載のＯＰＴ装置。

【請求項4】

光が前記複数の光電変換デバイスにおける前記活性領域中を一旦通過した後に、該光を反射して、前記複数の光電変換デバイスにおける前記活性領域中を再通過するように構成された鏡を更に有する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項5】

前記複数の光電変換デバイスは、光電変換デバイスのそれぞれが、前記第１の方向と直交する方向で他の光電変換デバイスと隣接しており、そして、
前記光源及び前記複数の光電変換デバイスは、前記光源からの光が、前記第１の方向と実質的に直交する方向に進行してそれぞれの光電変換デバイスにおける前記活性領域中を通過するように構成されている、
請求項２に記載のＯＰＴ装置。

【請求項6】

前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記活性領域中の光の伝播距離は、前記光源からの光を照射したときに各光電変換デバイスが同量の電流を発生するように構成されている、
請求項５に記載のＯＰＴ装置。

【請求項7】

それぞれの光電変換デバイスにおける前記ｎ−ドープされた半導体領域は、前記複数の光電変換デバイス中の隣接する光電変換デバイスにおける前記ｐ−ドープされた半導体領域と隣接している、
請求項２、５、及び６のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項8】

前記光源は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化窒化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、及びリン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ）のうちの１種を含有する活性領域を有する半導体光源である、
請求項２〜７のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項9】

前記複数の光電変換デバイスは、前記光源を囲む一連の同心円として構成されており、
光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記第１の方向に突出したリング状の形状を有しており、そして、
光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記光源を中心とし、且つ前記複数の光電変換デバイス中の他の光電変換デバイスと異なる円周を有する、
請求項２に記載のＯＰＴ装置。

【請求項10】

前記複数の光電変換デバイスは、前記光源を囲む同心円の弧として構成されており、
光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記第１の方向に突出したリングの弧の形状を有しており、そして、
弧の形状の光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記光源を中心とする曲率半径を有しており、且つこれらの中心角が等しい光電変換デバイスは、前記光源により近く配置された光電変換デバイスが前記光源により遠く配置された光電変換デバイスよりも小さい曲率半径を有するように、曲率半径が異なる、
請求項２に記載のＯＰＴ装置。

【請求項11】

前記複数の光電変換デバイスは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置されたブロックの列として構成されている、
請求項２に記載のＯＰＴ装置。

【請求項12】

前記光源と前記複数の光電変換デバイスとの間に配置された反射防止層を更に有する、
請求項２〜１１のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項13】

前記複数の光電変換デバイス中の隣接する光電変換デバイスのペアの間に反射防止層を更に有する、
請求項２〜１２のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項14】

前記光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ、レーザーＬＥＤ、及び垂直キャビティー面発光レーザーのうちの１種である、
請求項２〜７及び９〜１３のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項15】

前記光源及び前記複数の光電変換デバイスが一体のデバイスである、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のＯＰＴ装置。

【請求項16】

電気エネルギーを光に変換するように構成された光源；及び
複数の光電変換デバイス
を有し、
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、
それぞれの第１の導電領域とそれぞれの第２の導電領域との間に挟まれた活性領域を有し、該活性領域は前記光源からの光を前記第１の導電領域中及び前記第２の導電領域中のどちらかに先に伝播させることなく受容するように配置されており、
前記活性領域に受容された光を電気エネルギーに変換し、且つ、
前記複数の光電変換デバイスは、前記複数の光電変換デバイス中の第２の光電変換デバイスから、前記複数の光電変換デバイス中の第１の光電変換デバイスから生成される電流と実質的に等しい電流が生成されるように構成されている、
光学的電力伝送（ＯＰＴ）装置であって、
前記複数の光電変換デバイスが電気的に直列に接続されており、
前記第１の光電変換デバイスと前記第２の光電変換デバイスとが同量の電流を生成するように、ベールの法則に基づいて、前記第２の光電変換デバイスの活性領域が、前記第１の光電変換デバイスの活性領域よりも大きい幅を有している、
前記ＯＰＴ装置。

【請求項17】

前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記第１の導電領域がｎ−ドープされた半導体領域であり；
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記第２の導電領域がｐ−ドープされた半導体領域であり；
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記活性領域が、前記ｎ−ドープされた半導体領域と、前記ｐ−ドープされた半導体領域との間の空乏領域であり；
前記複数の光電変換デバイス中の各光電変換デバイスにおける、前記活性領域、前記第１の導電領域、および前記第２の導電領域が、第１の方向に種々に積層されており、前記各光電変換デバイスそれぞれの活性領域は、前記各光電変換デバイスの前記第１の導電領域と前記第２の導電領域との間に備えられており；そして
前記光源からの光が前記第１の方向と実質的に直交する方向に伝播する、
請求項１６に記載のＯＰＴ装置。

【請求項18】

光が前記複数の光電変換デバイスにおける前記活性領域中を一旦通過した後に、該光を反射して、前記複数の光電変換デバイスにおける前記活性領域中を再通過するように構成された鏡を更に有する、
請求項１６又は１７に記載のＯＰＴ装置。

【請求項19】

前記複数の光電変換デバイスが、更に、
前記複数の光電変換デバイスの前記活性領域が、第１の方向に直交する平面状に備えられ、且つ
前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記複数の光電変換デバイスのそれぞれが、他の複数の光電変換デバイスの少なくとも１つと隣接して配置されており、そして、
前記光源が前記第１の方向に直交する平面に前記光を放射して、該光が前記光源から前記複数の光電変換デバイスを通過して伝播する
ように構成されている、
請求項１６に記載のＯＰＴ装置。

【請求項20】

前記複数の光電変換デバイスが実質的に同心円形状を形成し、前記光源を取り囲むように配置されている、請求項１９に記載のＯＰＴ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ここに記載した実施形態は、一般的に、光を使用して、電力需要回路と電力供給回路との絶縁を実現し、電力需要先に電力を提供する、電力を伝送するためのデバイスに関する。より具体的には、複数の光電変換（ＰＶ）デバイスに光を伝送する、光学的電力伝送（ＯＰＴ）デバイスに関する。これら複数のＰＶデバイスは、電気的に直列に接続されており、且つ光が、ＰＶデバイスの空乏領域を通って伝播し、最初にＰＶデバイスの導電領域（例えば、前記空乏領域に隣接する、ｐ−ドープされた領域又はｎ−ドープされた領域）を通って伝播することのないように配置されている。

【背景技術】

【0002】

光学的電力伝送（ＯＰＴ）、光学的電力ともいう、は、電気的電力伝送に対して幾つかの利点を有する。第１に、ＯＰＴは、電力を供給する回路（即ち、電力供給回路）と、電力を消費する回路（即ち、電力需要回路）との間を電気的に絶縁する。第２に、ＯＰＴは、光ファイバー又は自由空間伝播を経由して、遠隔の若しくは隔絶された（inaccessible）環境（例えば、油田中又は宇宙空間）に、又は電気的電力伝送が危険であり得る環境（例えば、スパークが爆発を引き起こし得る、又は落雷の際に電気的電力伝送が敏感な機器への導電路を形成するので危険を増加する環境）に、電力を伝送するために使用することができる。ここで説明される方法及び装置は、主として、接地ループからのノイズを回避し、電磁干渉（ＥＭＩ）を回避するとの最大の利点に焦点を合わせたものである。

【0003】

ＯＰＴにおいては、第１の位置において光源が電気エネルギーを光エネルギーに変換し、この光エネルギーを第２の位置に伝送する。第２の位置において、光エネルギーは、光源から光電変換（ＰＶ）セルへと伝播されて、光は電気エネルギーに再変換される。ＯＰＴは、電気的に絶縁された２つの回路間に信号を送信することを可能にしつつ、接地ループを遮断しＥＭＩを最小化するためにも使用される光アイソレーターに類似する。エネルギー消費及び効率の重要性が２次的なものあってよく、或いは３次的なものであってさえよい一般的な光絶縁回路（例えば光カップラー）とは異なり、ＯＰＴシステムはエネルギー伝送が第１に考慮され、従って、エネルギー伝送プロセスの効率が第１の重要性を有する。一般に、従来のＯＰＴ装置は、嵩張りがちであり、最適効率に未達となりがちである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従って、本開示の目的の１つは、従来のＯＰＴシステムよりも小さく、高効率の、改善されたＯＰＴシステムを提供することである。

【0005】

そのために、本開示はとりわけ、以下の前記ＯＰＴ装置を提供する。
《態様１》電気エネルギーを光に変換するように構成された光源；及び
複数の光電変換デバイス
を有し、
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、
それぞれの第１の導電領域とそれぞれの第２の導電領域との間に挟まれた活性領域を有し、該活性領域は前記光源からの光を前記第１の導電領域中及び前記第２の導電領域中のどちらかに先に伝播させることなく受容するように配置されており、且つ
前記活性領域に受容された光を電気エネルギーに変換する、
光学的電力伝送（ＯＰＴ）装置であって、
前記複数の光電変換デバイスが電気的に直列に接続されている、
前記ＯＰＴ装置。
《態様２》前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記第１の導電領域がｎ−ドープされた半導体領域であり；
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記第２の導電領域がｐ−ドープされた半導体領域であり；
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記活性領域が、前記ｎ−ドープされた半導体領域と、前記ｐ−ドープされた半導体領域との間の空乏領域であり；
前記第１の導電領域、前記活性領域、および前記第２の導電領域が、第１の方向に積層されており、そして
前記光源からの光が前記第１の方向と実質的に直交する方向に伝播する、
態様１に記載のＯＰＴ装置。
《態様３》前記複数の光電変換デバイスが第１の光電変換デバイス及び第２の光電変換デバイスを含み、これら第１の光電変換デバイス及び第２の光電変換デバイスは、前記光源からの光が前記第２の光電変換デバイスの前記活性領域に伝播されるより先に前記第１の光電変換デバイスの前記活性領域に伝播されるように構成されており、
前記第２の光電変換デバイスにおける光の伝播距離は、前記第１の光電変換デバイスにおける光の伝播距離よりも長く、そして、
前記第２の光電変換デバイスにおける光の伝播距離及び前記第１の光電変換デバイスにおける光の伝播距離は、前記第２の光電変換デバイスから発生される電流が前記第１の光電変換デバイスから発生される電流と等しくなるように構成されている、
態様１に記載のＯＰＴ装置。
《態様４》光が前記複数の光電変換デバイスにおける前記活性領域中を一旦通過した後に、該光を反射して、前記複数の光電変換デバイスにおける前記活性領域中を再通過するように構成された鏡を更に有する、
態様１に記載のＯＰＴ装置。
《態様５》前記複数の光電変換デバイスは、光電変換デバイスのそれぞれが、前記第１の方向と直交する方向で他の光電変換デバイスと隣接しており、そして、
前記光源及び前記複数の光電変換デバイスは、前記光源からの光が、前記第１の方向と実質的に直交する方向に進行してそれぞれの光電変換デバイスにおける前記活性領域中を通過するように構成されている、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様６》前記複数の光電変換デバイスのそれぞれにおける前記活性領域中の光の伝播距離は、前記光源からの光を照射したときに各光電変換デバイスが同量の電流を発生するように構成されている、
態様５に記載のＯＰＴ装置。
《態様７》それぞれの光電変換デバイスにおける前記ｎ−ドープされた半導体領域は、前記複数の光電変換デバイス中の隣接する光電変換デバイスにおける前記ｐ−ドープされた半導体領域と隣接している、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様８》前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、光源に最も近い光電変換デバイスを除いて、前記ｎ−ドープされた半導体領域が、前記複数の光電変換デバイス中の隣接する光電変換デバイスにおける前記ｐ−ドープされた半導体領域と電気的に接続されている、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様９》前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、光源に最も近い光電変換デバイスを除いて、前記ｐ−ドープされた半導体領域が、前記複数の光電変換デバイス中の隣接する光電変換デバイスにおける前記ｎ−ドープされた半導体領域と電気的に接続されている、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１０》前記光源は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化窒化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、及びリン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ）のうちの１種を含有する活性領域を有する半導体光源である、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１１》前記複数の光電変換デバイスは、前記光源を囲む一連の同心円として構成されており、
光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記第１の方向に突出したリング状の形状を有しており、そして、
光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記光源を中心とし、且つ前記複数の光電変換デバイス中の他の光電変換デバイスと異なる円周を有する、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１２》前記複数の光電変換デバイスは、前記光源を囲む同心円の弧として構成されており、
光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記第１の方向に突出したリングの弧の形状を有しており、そして、
弧の形状の光電変換デバイスのそれぞれは、実質的に前記光源を中心とする曲率半径を有しており、且つこれらの中心角が等しい光電変換デバイスは、前記光源により近く配置された光電変換デバイスが前記光源により遠く配置された光電変換デバイスよりも小さい曲率半径を有するように、曲率半径が異なる、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１３》前記複数の光電変換デバイスは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置されたブロックの列として構成されている、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１４》前記光源と前記複数の光電変換デバイスとの間に配置された反射防止層を更に有する、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１５》前記複数の光電変換デバイスのペアそれぞれの間に反射防止層を更に有する、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１６》前記光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ、レーザーＬＥＤ、及び垂直キャビティー面発光レーザーのうちの１種である、
態様２に記載のＯＰＴ装置。
《態様１７》前記光源及び前記複数の光電変換デバイスが一体のデバイスである、
態様１に記載の光学的電力伝送装置。
《態様１８》第１の光共振器；
電気エネルギーを光に変換するように構成された第１の光源；及び
第１の光電変換デバイス
を有し、
前記第１の光源は、前記第１の光共振器の光学モードとオーバーラップするように配置された活性領域を含み、
前記第１の光電変換デバイスは、前記第１の光共振器の光学モードとオーバーラップするように配置された活性領域を含み、且つ光を電気エネルギーに変換するように構成されている、
光学的電力伝送（ＯＰＴ）装置であって、
前記第１の光共振器は、前記第１の光源の前記活性領域からの増加を含む往復の増加量が、前記第１の光電変換デバイスの活性領域による吸収を含む往復の損失量よりも大きいときにレーザー光を発するように構成されている、
前記ＯＰＴ装置。
《態様１９》前記第１の光共振器を含む複数の光共振器；
前記第１の光源を含む複数の光源；及び
電気的に直列に接続されている複数の光電変換デバイス
を更に有し、
前記複数の光源のそれぞれは、前記複数の光発信機のそれぞれの光共振器の光学モードとオーバーラップするように配置された活性領域を含み、
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、前記複数の光共振器のそれぞれの光共振器の光学モードとオーバーラップするように配置された活性領域を含み、そして、
光電変換装置のそれぞれは、前記複数の光源によって光が発生されたときに各光電変換装置が相等しい電流を発生するように構成されている、
態様１８に記載のＯＰＴ装置。
《態様２０》電気的に直列に接続されている複数の光電変換デバイスを更に有し、
前記複数の光電変換デバイスのそれぞれは、光共振器の光学モードとオーバーラップするように配置された活性領域を含み、そして、
光電変換装置のそれぞれは、光源によって光が発生されたときに各光電変換装置が相等しい電流を発生するように構成されている、
態様１８に記載のＯＰＴ装置。

【0006】

その他の例示的な実施形態において、本開示は、（ｉ）第１の光共振器、（ｉｉ）電気エネルギーを光に変換するように構成された第１の光源、この第１の光源は、第1の光共振器の光学モードとオーバーラップするように構成された活性層を含む；及び（ｉｉｉ）第１の光電変換デバイスは第１の光共振器の光学モードとオーバーラップするように配置され、且つ光を電気エネルギーに変換するように構成された、第１の光電変換デバイスを有するＯＰＴ装置であって、（ｉｖ）第１の光共振器は、第１の光源のゲイン活性層からのゲインを含む往復のゲインが、第１の光電変換デバイスの活性層による吸収を含む往復の損失量よりも大きいときにレーザー光を発するように構成されている、前記ＯＰＴ装置を提供する。

【0007】

本発明についての上記の一般的記載及び以下の詳細な説明は、双方とも、例示であると理解されるべきであり、特許請求された発明を限定するものではない。

【0008】

以下の詳細な説明を下記の図面と関連付けて参照することにより、本開示を更に完全に理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1A】図１Ａは、ＯＰＴシステムのある実施態様の図である；

【図1B】図１Ｂは、集光器及び光スプレッダを用いる、ＯＰＴシステムのある実施態様の図である；

【図2A】図２Ａは、光が導電領域のうちの１つ（例えばｎ−ドープされた領域）を通って伝播した後に空乏領域に入射する、ＰＶデバイスのある実施態様の図である；

【図2B】図２Ｂは、光が空乏領域に直接入射する、ＰＶデバイスのある実施態様の図である；

【図3】図３は、ＯＰＴシステムにおける損失メカニズムの一例の棒グラフである；

【図4A】図４Ａは、特に絶縁された電力供給器の使用によって相互に絶縁されたゲート電圧回路及び信号処理回路の、ある実施態様の回路図である；

【図4B】図４Ｂは、絶縁された電力供給器を特別に使用することによって相互に絶縁された電流センサ回路及びアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路の、ある実施態様の回路図である；

【図5】図５は、円盤状ＯＰＴシステムのある実施態様の側面の断面図である；

【図6】図６は、円盤状ＯＰＴシステムのある実施態様の上面図である；

【図7A】図７Ａは、ｎ−ドープされた上部導電領域及びｐ−ドープされた上部導電領域を交互に有する円盤状ＯＰＴシステムのある実施態様の側面の断面図である；

【図7B】図７Ｂは、ｎ−ドープされた上部導電領域及びｐ−ドープされた上部導電領域を交互に有する円盤状ＯＰＴシステムのある実施態様の上面図である；

【図8】図８は、レーザーキャビティーＯＰＴシステムのある実施態様の上面図である；

【図9】図８は、レーザーキャビティーＯＰＴシステムのある実施態様の側面図である；

【図10】図１０は、直線伝播ＯＰＴシステムのある実施態様の側面図である；

【図11】図１１は、直線伝播ＯＰＴシステムのある実施態様の上面図である；

【図12A】図１２Ａは、４分割した円盤状ＯＰＴシステムのある実施態様の透視図である；そして

【図12B】図１２Ｂは、電極が、複数のＰＶシステムを直列に接続する、円盤状ＯＰＴシステムのある実施態様の透視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示の観点の１つは、強い電磁干渉（ＥＭＩ）環境下で稼働することが可能な、電気的に絶縁された電力供給器を与えるために、より小さく、より効率的な光学的電力伝送（ＯＰＴ）システムを提供することである。ＯＰＴは、電力を遠隔地に伝送すること、向上された安全性、接地ループの緩和、及びＥＭＩの抑制を含む、多くの利益を与える。ＯＰＴの適用の幾つかは、これらの利益のうちの幾つかに重点を置き、他には重点を置かない。例えば地上レーザーから衛星への自由空間ＯＰＴは、遠隔地へのエネルギー伝送能力に重点を置く。他の例において、電気スパークによって発火し得る微細なグレインダスト（grain dust）を含有するグレインサイロ（grain silo）のような、揮発性且つ爆発性の環境下へ電力を伝送するＯＰＴの使用は、ＯＰＴの安全性の観点を重視する。これらの例はいずれも、電力供給回路と電力需要回路との間の電気的絶縁に加えて、追加的な目標を達成するために、嵩高く、そしておそらくは高価な、ＯＰＴの自由空間又はファイバーにおける光学プロセスを利用する。回路間の電気的絶縁と、ノイズカップリングを最小限にすることと、を重視する用途においては、嵩高い及び／又は高価な光学系を使わなくてもＯＰＴを機能させることができる。更に、嵩高く高価な光学系を排除し、光源及び光電変換（ＰＶ）デバイスを近接状態にすることにより、光の散乱及び吸収による損失を減少して効率を向上するとの更なる利益を享受することができる。

【0011】

ここに記載されるＯＰＴデバイス／システムは、光源及び光電変換（ＰＶ）デバイスを近接状態にすることによって、効率を向上し、且つデバイスサイズを減少する、光源及びＰＶデバイスの構成を提供する。このようなデバイスは、例えば、電気自動車のＥＭＩ環境下で、敏感な制御回路及び測定回路中のＥＭＩを減少し、これら敏感な回路におけるエラーを最小化するために、有用であり得る。

【0012】

以下、図面を参照する。参照の数字は、幾つかの図面を通して同一の又は対応する部分を示す。図１Ａに、光源１１０、導光路１３０、及びＰＶデバイス１２０を有する、一般的なＯＰＴシステム１００を示す。光源１１０は、電気エネルギーを光に変換する。例えば、光源１１０は、単色光源（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザーダイオード（ＬＤ）等の半導体デバイス）であってよい。光源１１０からの光は、導光路１３０（例えば、光ファイバー、導波管、又は自由空間伝播チャネルであってもよい）中に結合される。

【0013】

光は、導光路１３０を通って伝播した後、ＰＶデバイス１２０上へと方向付けられることによって、電気信号に変換される。例えば、ＰＶデバイス１２０はフォトンを吸収し、ＰＮ接合の空乏領域内に電子−正孔のペアを生成する。空乏領域を横切る電位が、各電荷キャリアを、ＰＮ接合の２つの面に対応するｎ−ドープされた領域及びＰ−ドープされた領域中に分離する。このように、電子−正孔ペアは再結合を回避し、電子及び正孔は、ＰＮ接合のｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域中にそれぞれ捕集される。ｐ−ドープされた領域及びｎ−ドープされた領域間の電位差は、半導体のバンドギャップによって決定される。このようにして、入射したフォトンは電力に変換される。

【0014】

図１Ｂに示したように、ある実施態様において、光源１１０は、例えば半導体ＬＤ又は垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の電気−光変換器１１４を含んでいてよい。光源１１０は、例えば、ＦＣ、ＳＭＡ、又は他のファイバー光コネクタに対して固定位置に保持されたレンズ等の集光器１１２を更に含む。集光器１１２は、導光路１３０であるファイバー光ケーブルの第１の末端に結合する。集光器１１２は、電気−光変換器１１４からの光を、ファイバーのコア上に集光し、ファイバー光ケーブルのモードに適合させる。例えば、電気−光変換器１１４の集光されたビームは、ほぼガウシアンビームであってよく、導光路１３０はマルチモードの光ファイバーであってよい。導光路１３０の第２の末端において、ファイバー光ケーブルは光スプレッダ１２２に結合する。光スプレッダ１２２は、例えば、ファイバー光ケーブルから発する拡散光をコリメートする（平行光にする）他のレンズアセンブリに結合された他のファイバーコネクタ（例えば、第２のＦＣ、ＳＭＡ、又は他のファイバー光学コネクタ）を含んでいてよい。コリメート光学系からの光は、次いで、１つ以上のＰＶセル上に向かう。これらのＰＶセルは、光電変換器１２４の一部である。光電変換器１２４で発生した電力は、次いで、ＯＰＴシステム１００によって電力を供給されるデバイスに接続される。

【0015】

ファイバー導光路を用いて遠隔位置に電力を伝送することは、多くの用途において有益である。しかし、ＯＰＴシステムは、主として、接地ループの影響を緩和し、ノイズに敏感な回路に接続されたＥＭＩを抑制する電気的絶縁の目的で使用される。これらの場合において、光ファイバー、並びにこれに付随するコネクタ類及び光学系は、ＯＰＴシステムに、不要の嵩高さ、複雑さ、及び光学的な損失をもたらす。これらの場合において、光源１１０及びＰＶデバイス１２０を配置し、導光路１３０を実質的に排除することには、相当の利益がある。

【0016】

更に、ＯＰＴシステム１００の有効性は、ＰＶデバイスのＰＮ接合中に、太陽光ＰＶデバイスにおいて従来から使用されている、より一般的な末端カップリングではなく、サイドカップリングを用いることにより向上され得る。太陽光ＰＶデバイスは、光が、図２Ａに示したようにｐ−ドープされた領域とｎ−ドープされた領域との間の接合部分にある空乏領域の活性層に到達する前に、先ずｐ−ドープされた領域又はｎ−ドープされた領域を通ることを担保するために、基板表面上に平面状のジオメトリで構成される。これらのＰＶデバイスは、光が、ドープされた領域の平面スタックの上面を通って入射するように構成される。フレネル反射による散乱損失を減少するために、最上層の半導体層の上面に反射防止手段を含む場合もある。

【0017】

このようなジオメトリは、このＰＶデバイスが大量の太陽光を捕集する目的で大面積を有するように製造可能なので、近年の微細加工法を用いて製造される太陽光ＰＶデバイスに有利である。しかし、これらのＰＶデバイスは、最上層の導電層（例えば、図２Ａ中のｐ−ドープされた領域）中に吸収されたフォトンは電流に寄与しないから、非効率的でもある（例えば、最上層の導電領域中の電子−正孔ペアは、電流に寄与するよりもむしろ再結合する。これに対して、空乏領域中で生成した電子−正孔ペアは、再結合するより前に分離されるから、電流に寄与する。）。最上層の導電層中に吸収されたフォトンの数は、この層を薄くすることによって減少することができるであろうが、この層を薄くすると、ＰＮ接合からの電流の流れに対する抵抗が増大することによって、抵抗損失が増大する。このように、最上層が厚いときの光学損失の増大と、最上層が薄いときの電力損失の増大との間にはトレードオフの関係があり、図２Ａに示したＰＶデバイス構成とすると、不可避的な損失を有することとなる。

【0018】

図２Ａに対して、図２Ｂに、横入射の構成を示す。横入射の構成において、光は、ｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域、並びに活性層の積層方向と実質的に直交する方向に伝播する。光は、最初にｎ−ドープされた導電領域又はｐ−ドープされた導電領域を通ることなく、直接空乏領域に入射する。光が積層方向と実質的に直交する方向に伝播すると（例えば、空亡領域に入射した光線のほとんどがＰＶデバイスを通って伝播するときに該空乏領域中に留まるように、光の角度が極めて小さいと）、空乏領域に入射した光は、光電電流に寄与せずにｎ−ドープされた導電層又はｐ−ドープされた導電層のうちの一方に吸収されるのではなく、空乏領域に吸収されて光電電流を生成し、或いは吸収されずに空乏領域を通過する。このような構成によって、最上層の導電領域を通って吸収されることによる損失を回避することができ、最上層の半導体層の厚さを厚くして抵抗損失を減少することができる。図２Ｂに示した構成によると、太陽輻射の捕集には最適化されていないが、ＰＶデバイスと光源とが１つのチップ上に一体的に構築されているならば、光源の活性層をＰＶデバイスの活性層と位置合わせすることにより、効率的なＯＰＴシステムを得ることができる。

【0019】

吸収損失を減少することに加えて、光源１１０及びＰＶデバイス１２０を近接して配置することにより（例えば、１つのチップ上にこれらを集積することにより）、散乱損失を減少し、従ってＯＰＴシステムの効率を更に向上することができる。図３に示したように、従来のＯＰＴシステムは複数の損失源を有する。電力損失源としては、（ｉ）光源における電気−光変換プロセスの量子効率、（ｉｉ）光源からＰＶデバイスへの伝送路における、吸収及び散乱によるフォトンの損失、（ｉｉｉ）ＰＶセルにおける光−電力変換プロセスの量子効率、及び（ｉｖ）半導体材料、金属層、ワイヤボンディング等における抵抗損失、が挙げられる。光源１１０とＰＶデバイス１２０とを近接して配置することにより、散乱損失を減少することができる。上述したように、光源１１０とＰＶデバイス１２０との配置は、ＯＰＴシステムのサイズを減じ、コストを削減ずるとの更なる利点を有する。更に、横入射配置の使用により、従来のＰＶデバイスにおいて起こる、光がＰＮ接合の空乏領域に到達する前に先ず導電部を通って伝播することによる吸収損失が減少される。

【0020】

図４Ａ及び図４Ｂに、ＯＰＴシステムが電力供給回路と電力需要回路との間の電気的絶縁を提供することを要する場合の適用例を示す。例えば電力駆動モーター車において、電気モーターの稼働に使用される高い電圧及び電流は、高いＥＭＩ環境をもたらす。電力駆動モーター車は、測定及び制御の電気回路構成に頼っている。これらの電気回路構成は、ＥＭＩがモーター回路から制御及び測定回路構成に伝達されると悪影響を受け得る。これらのノイズに敏感な回路の機能を高いレベルに維持するには、高い効率の電気的絶縁が重要であり得る。

【0021】

図４Ａに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のゲートにゲート電圧４１０を供給するゲート電圧回路４０５の例を示す。ゲート電圧は、例えば、電気モーターへの電流を制御することができる。ある実施態様において、信号プロセッサ４２０は、受信信号上でデジタル信号処理を実行し、該デジタル処理に基づくデジタル出力を生成し、そして信号プロセッサ４２０中のデジタルーアナログ変換器を使用して前記デジタル信号をアナログ信号に変換する。ノイズ及びＥＭＩが信号プロセッサ４２０に与える影響を軽減するために、低ノイズの電源４１８（例えば電池）が使用され、信号プロセッサ４２０及び電源４１８は、ＩＧＢＴに接続されたゲート電圧回路上のノイズから電気的に絶縁される。信号プロセッサ４２０は、増幅器４１４の高電圧（増幅器４１４に供給される電圧は、例えば１５ボルトであってよい）と比べて、比較的低い電圧（電源４１８から供給される電圧は、例えば５ボルトであってよい）で操作することができる。同様に、信号プロセッサ４２０、電源４１８、及び光カップラー４１６の接地の接続は、ボディー接地接続であってよい。

【0022】

信号プロセッサ４２０中のカップリングによるＥＭＩを避けるため、信号プロセッサ４２０は、該信号プロセッサ４２０から増幅器４１４にアナログ出力を光学的に伝送するために光カップラー４１６を用いることにより、増幅器４１４の回路から絶縁される。増幅器４１４は、次いで、受信信号を増幅し、ゲート電圧４１０としてＩＧＢＴに伝送する。増幅器４１４の設置は独立しており（フローティングであり）、該増幅器４１４に供給される電圧は信号プロセッサ４２０に供給される電圧より高くてよい（増幅器４１４の電圧は、例えば１５ボルトであってよい）。

【0023】

増幅器４１４への電力は、絶縁された電力供給器４１２を用いて供給される。電力供給器４１２は、電力供給器４１８から増幅器４１４へ、これら２つの回路間の電気的絶縁を維持しつつ電力を伝送する。絶縁された電力供給器４１２はまた、電力供給器４１８の５ボルトから、増幅器４１４にて使用される１５ボルトへ昇圧する。絶縁された電力供給器４１２のこれらの機能（即ち、電気的絶縁下に電力を供給すること）は、幾つかの相異なるデバイスによって実行することができる。例えば、絶縁された電力供給器４１２として絶縁トランスを使用して、信号プロセッサ４２０と増幅器４１４との間を絶縁することができる。しかし、絶縁トランスは、該トランスの増幅器側と該トランスの信号プロセッサ側とのカップリングであるノイズの抑制に効果的とはいえない。特に、高周波数においては、絶縁トランスの寄生容量による２つの回路間のノイズの顕著なカップリングがあり、該トランスの増幅器側と信号プロセッサ側との間に顕著な容量カップリングをもたらす。このように、ＯＰＴシステムは特に高周波数において、より良好な電気的絶縁を与えることから、絶縁された電力供給器４１２としてはＯＰＴシステムが絶縁トランスに勝る。これに加えて、ＯＰＴシステムは、絶縁トランスに比べて小さくてもよいとの更なる利点を有する。

【0024】

図４Ｂに、絶縁された電力供給器を使用する第２の例として、モーター電流感知回路４４５を示した。図４Ｂにおいて、アイソレーションアンプ４５２を用いて基準値４５０がアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４５８に伝送される。Ａ／Ｄ変換器４５８からの信号４６０は、次いで、種々の決定機能又は制御機能のために、信号プロセッサ（例えば信号プロセッサ４２０）によって使用されてよい。基準値４５０をデジタル信号４６０に正確に変換することは、これら種々の決定機能又は制御機能において、エラーの伝播による混乱を起こさないために重要である。

【0025】

図４Ｂに示したように、基準値４５０は、アイソレーションアンプ４５２へのインプットとして受信される。アイソレーションアンプ４５２は、回路の電流感知側のノイズが回路のＡ／Ｄ変換器側に伝播して信号４６０に悪影響を与えることを回避するために、電気的に絶縁された２つの側端を有する。同様に、絶縁された電力供給器４５４も、アイソレーションアンプにおける２つの回路に対応する２つの側端を有する。アイソレーションアンプ４５２の２つの側端は、ノイズが電圧供給ラインを通ってＡ／Ｄ変換器４５８に伝播される代替パスを回避する。このように、電気的絶縁には２つの階層がある：（ｉ）基準値４５０に対応して、アイソレーションアンプ４５２を通って伝播する信号、及び（ｉｉ）絶縁された電力供給器４５４を用いて絶縁された、電圧供給レール。

【0026】

アイソレーションアンプ４５２及び絶縁された電力供給器４５４の双方につき、右側の電気回路はフローティング接地を有する高電圧モーター駆動に対応し、そして左側の電気回路は低電圧Ａ／Ｄ変換器４５８に対応する。モーター駆動に対応する右側の電気回路は、高電圧のモーター電流をサンプリングし、フローティングの接地ラインを用いる。Ａ／Ｄ変換器４５８に対応する左側の電気回路は、低電圧及びボディー接地を使用する。この左側の電気回路は、アイソレーションアンプ４５２及び絶縁された電力供給器４５４の双方を用いるモーター駆動側のＥＭＩから遮断されている。アイソレーションアンプ４５２は、低電圧及び低ノイズの回路と、高電圧モーター駆動回路との間を電気的に絶縁する。アイソレーションアンプ４５２の低電圧側への電力は、電源４１８から直接的に供給され、アイソレーションアンプ４５２の高電圧側への電力は、電源４１８から、絶縁された電力供給器４５４を通して間接的に供給される。ＯＰＴシステムは、回路４０５に使用される絶縁された電源４１２について上述したのと同じ理由により、絶縁された電力供給器４５４と同様に望ましい。例えば、ＯＰＴシステムは、高周波数において絶縁トランスよりも良好な絶縁を提供することができる。

【0027】

図５及び図６に、ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０の同心円によって囲まれた中心光源５１０を有する円盤状ＯＰＴデバイス５００のある実施態様を示した。図５はＯＰＴシステム５００を右側から見た断面図であり、図６はＯＰＴシステム５００の上面図である。図５及び図６の寸法は正確ではない。このデバイスの最外縁の周りは鏡５６０であり、該鏡に到達した光が反射し、光を吸収して電気エネルギーに変換することのできるＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０を再通過する。鏡５６０は任意である。中心光源５１０、並びに同心円状ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０のそれぞれは、２つの導電層の間に挟まれた活性層を有する。例えば、上部導電層／領域はｎ−ドープされていてよく、下部層／領域はｐ−ドープされていてよい。活性層は、ｎ−ドープ領域とｐ−ドープ領域との間の接合部における空乏領域であってよい。これと代替的に、図５に示したように、上部導電領域はｐ−ドープされていてよく、下部領域はｎ−ドープされていてよい。

【0028】

ある実施態様において、光源５１０は、ｐ−ドープされた半導体である上部導電領域５１４に電気的に接続された電極５１６（Ｐ）を含む。電極５１６（Ｎ）は、ｎ−ドープされた半導体である下部導電領域５１２に電気的に接続されており、活性層５１８は、ｐ−ドープされた領域及びｎ−ドープされた領域５１４及び５１２の間の接合部に位置する。ＰＮ接合が順方向にバイアスされて該ＰＮ接合に電流が注入されるとき、ｎ−ドープされた領域からの電子、及びｐ−ドープされた領域からの正孔は、活性領域中で結合して光を発生する。光源は、図５に示した「光の方向」とラベルされた矢印に沿って、ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０の活性領域中に優先的に輻射を放射するように構成されてよい。

【0029】

ある実施態様において、ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０のそれぞれは、金属層（例えば、５２６（Ｐ）、５３６（Ｐ）、５４６（Ｐ）、及び５５６（Ｐ））に電気的に接続された、ｐ−ドープされた導電領域（例えば、５２４、５３４、５４２、及び５５２）を含む。ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０のそれぞれは、各金属層（例えば、５２６（Ｎ）、５３６（Ｎ）、５４６（Ｎ）、及び５５６（Ｎ））に電気的に接続された、ｎ−ドープされた導電領域（例えば、５２２、５３２、５４４、及び５５４）も有する。各ＰＶデバイスにおける導電領域の間は、ＰＮ接合の空乏領域に対応する活性領域である。ある実施態様において、ＰＮ接合に真性ドープ領域（intrinsically doped region）を使用してＰＩＮフォトダイオードを形成することによって、空乏の幅を広げることができる。ここで、「ＰＮ接合」の語は、空乏領域の幅を広げる真性層（intrinsic layer）を含む、及び含まない、双方のＰＮ接合を含む広義に定義される。図５におけるＰＶデバイス５２０の活性領域は、領域５２８である。同様に、ＰＶデバイス５３０、５４０、及び５５０の活性領域は、それぞれ、領域５３８、５４８、及び５５８である。

【0030】

鏡５６０は、円盤状ＯＰＴシステム５００の外縁を囲うように配置され、ＰＶデバイスを横切って外縁に到達した光を反射し、ＰＶデバイスをもう一度通過させ、残りの光がこの２回目の通過中に吸収されて電気エネルギーに変換され得るようにする。このように、任意的な鏡５６０は、ＰＶデバイス中に吸収される光を増加することによって、効率を向上させる。光がＰＶデバイス５５０の外縁に一旦到達した場合、該到達光は、円盤状ＯＰＴシステムの外部に散逸するのではなく、反射されてＰＶデバイス５５０を通って光源に向かって反射され、各ＰＶデバイスを２回目に通るときに、残りの光が吸収されて電流に変換される。従来の太陽光ＰＶデバイスとは異なり、光は活性領域に到達するために導電領域を通らないから、図５に示したＯＰＴシステム構成は以前のＯＰＴシステムに比べてより効率的であり得る。

【0031】

更に、隣接するＰＶデバイスが、従来のＰＶ積層体における直列電圧の総計（aggregate）を減少させる負電圧と関連するＰＮトンネル接合を用いて分離されている、従来の積層型ＰＶデバイスとは異なり、図５中のＰＶデバイスのそれぞれは、他のＰＶデバイスに、トンネル接合ではなく、導体を用いて電気的に接続されている。図５及び図６のＰＶデバイスにおけるＰＶデバイスの直列電圧の総計は、ＰＮ接合すべての電圧の総和である。例えば、図５に示したように、ＰＶデバイス５３０、５４０、及び５５０のそれぞれは、対応する金属層５３６（Ｐ）、５４６（Ｐ）、及び５５６（Ｐ）から、ＰＶデバイス５２０、５３０、及び５４０の対応する金属層５２６（Ｎ）、５３６（Ｎ）、及び５４６（Ｎ）へのワイヤ結合を有する。このように、複数のＰＶデバイスの電圧の総計は、個々のＰＶデバイスそれぞれの電圧の４倍である。

【0032】

他の実施態様によると、ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０は、直列に配線されるのではなくて、並列に電気的に接続されていてよい。しかし、複数のＰＶデバイスを直列に配線して高電圧を得ることが要求される幾つかの理由がある。第１に、多くの用途において高電圧が使用され、低電圧高電流源の電圧を上げるためには、ＤＣ−ＤＣブーストコンバータを使用するよりは、直接に高電圧を実現することがより効果的であることである。例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示した用途の双方において、電圧を約５ボルトから約１５ボルト及び１０ボルトまで上げるために、絶縁された電力供給器が使用される。ＰＶデバイスそれぞれの電圧は、半導体のバンドギャップによって決定され、ほとんどの半導体において、ＰＶデバイス当たり１ボルトの電圧に相当する約１ｅＶである。ＤＣ−ＤＣ昇圧ブーストコンバータは、高電流低電圧のＰＶ電源を高電圧に変換するために使用することができるが、これらのコンバータは効率が悪いことがある。更に、ＰＶデバイスにおける電力消費は、
Ｐ＝Ｉ^２Ｒ
によって与えられる。ここで、Ｐは消費電力であり、Ｉは電流であり、そしてＲは抵抗である。従って、ＰＶデバイスにおいて消費される電力は、電流の２乗に比例し、低電流高電圧のデバイスとすることがより効率的である。高電流源を使用したときの２次関数的な電力消費とは対照的に、ＰＶデバイスを直列に配列すると、ＰＶデバイスの電力消費がＰＶデバイス数に直線比例する高電圧低電流源を得ることができる。従って、複数のＰＶデバイスを直列に接続すると、増幅器４１４及びアイソレーションアンプ４５２でそれぞれ使用される１０〜１５ボルトの電圧レールを得るためのより効率的な電源を得ることができる。

【0033】

図６に、光源５１０、並びにＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０の上面図を示した。ＰＶデバイスは、光源５１０を中心として、その周りに同心円状に配置されている。中心からより遠いＰＶデバイスについては、該ＰＶデバイスは円周が大きくなるだけでではなく、光線が通る材料の量も増加している（つまり、光源５１０からより遠いＰＶデバイスについては、該ＰＶデバイス中を光が伝播する距離が増加している）。光源５１０からより遠いＰＶデバイスの幅を広げることにより、該ＰＶデバイスの活性領域を通って伝播する光の指数関数形吸収を相殺（オフセット）する。ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０のそれぞれは、他のすべてのＰＶデバイスと同量の電流を生成するように構成されている。複数のＰＶデバイスを通って伝達された光の残存強度は次第に減少するから、より外側のＰＶデバイスは、残存光を高いパーセンテージで吸収するために、伝播の長さがより大きい。複数のＰＶデバイスが直列に接続されているとき、ＰＶデバイスのそれぞれが同量の電流を生成することが担保され、ＯＰＴシステムの効率が向上する。直列に接続されたすべてのＰＶデバイスが同量の電流を生成するとき、該ＯＰＴシステムは最適の効率で機能する。たとえ、中心からより遠いＰＶデバイスへの入射光が中心により近いＰＶデバイスにおける吸収のために減衰していたとしても、中心のＰＶデバイスからより遠いＰＶデバイスの幅を増加することによって、これらのＰＶデバイスにおける光吸収量を中心により近いＰＶデバイスと等しくすることができる。一般に、光の吸収は、ベールの法則（即ち、位置の関数として指数関数的な吸収）に従う。しかし、光強度が強いと、吸収は、飽和及び他の非線形効果によってベールの法則から逸脱する。更に、鏡５６０による反射も、ＰＶデバイスそれぞれの厚さの最適値に影響する。ＰＶデバイスのそれぞれが所望の操作範囲において同量の電流を生成することを担保する目的で、ＰＶデバイス５２０、５３０、５４０、及び５５０の最適の厚さを決定するためには、これらすべての影響が考慮される。

【0034】

図５及び図６において、直接に接続されたＰＶデバイスの数は４である。他の実施態様においては、ＰＶデバイスの数は４より多くても少なくてもよい。更に、鏡５６０は任意的に省略できる。

【0035】

図７Ａ及び図７Ｂに他の実施態様を示した。これらの実施態様では、ｐ−ドープされた導電層が奇数番目のＰＶデバイス７２０及び７４０（つまり、第１及び第３のＰＶデバイス）の頂部にあり、ｎ−ドープされた導電層が偶数番目のＰＶデバイス７３０及び７５０（つまり、第２及び第４のＰＶデバイス）の頂部にある。この場合の奇数及び偶数とは、ＰＶデバイスの、中心の光源７１０に近接する順番に関する。ＯＰＴシステム５００において、光は、光源７１０の活性領域７１８から放射状に外側に伝播し、ＰＶデバイス７２０、７３０、７４０、及び７５０それぞれの活性領域７２８、７３８、７４８、及び７５８を通って伝播する。光源７１０は、例えば、ｐ−ドープされた導電層７１４に接続された電極７１６（Ｐ）、及びｎ−ドープされた導電層７１２に接続された電極７１６（Ｎ）から活性領域に電流が注入されたときに光を生成するＬＥＤ又はＬＤであってよい。

【0036】

ある実施態様において、第１のＰＶデバイス７２０は、ｐ−ドープされた半導体７２４に電気的に接続された電極７２６（Ｐ）、及びｎ−ドープされた半導体７２２に電気的に接続された電極７２６（Ｎ）を含む。電極７２６（Ｎ）は、ＰＶデバイス７３０のｐ−ドープされた半導体７３４にも電気的に接続されている。ＰＶデバイス７３０も、電極７３６に電気的に接続されたｎ−ドープされた半導体７３２を含む。この電極７３６も同様に、ＰＶデバイス７４０におけるｐ−ドープされた半導体７４４に電気的に接続されている。ＰＶデバイス７４０も同様に、ｎ−ドープされた半導体７４２を含む。このｎ−ドープされた半導体７４２は電極７４６に電気的に接続されており、該電極７４６も同様にＰＶデバイス７５０におけるｐ−ドープされた半導体７５４に電気的に接続されている。最後に、ＰＶデバイス７５０は、電極７５６に電気的に接続された、ｎ−ドープされた半導体７５２を含む。このように、複数のＰＶデバイスは、１つのＰＶデバイスの頂部から隣接するＰＶデバイスの底部に伸びる電気的接続手段を要せずに、直列に接続されていてよい。鏡７６０は、最後のＰＶデバイス７５０から出て来た光を光源７１０に戻す方向に反射し、反射光がＰＶデバイス７２０、７３０、７４０、及び７５０を再通過する間に吸収されて電流に変換されるようにする。

【0037】

図８及び図９に、他のＯＰＴシステム８００の実施形態を示した。図８はＯＰＴシステム８００の上面図であり、図９はＯＰＴシステム８００の側面図である。ＯＰＴシステム８００は、レーザー発振器のキャビティー内に集積された複数のＰＶデバイスを含む。例えば、これら複数のＰＶデバイスは、それぞれがＬＤレーザー発振器のキャビティー内にあってよい。

【0038】

ＯＰＴシステム８００は、４つのサブシステム（１）、（２）、（３）、及び（４）を含む。これらサブシステムのそれぞれは、２つのゲインセクション（例えば８２０（１）及び８３０（１））及び１つの吸収領域（例えば８１０（１））を有する。第１のサブシステム（１）は、２つのゲインセクション８２０（１）及び８３０（１）を含み、吸収領域８１０（１）を含む。第２のサブシステム（２）は、２つのゲインセクション８２０（２）及び８３０（２）を含み、吸収領域８１０（２）を含む。第３のサブシステム（３）は、２つのゲインセクション８２０（３）及び８３０（３）を含み、吸収領域８１０（３）を含む。第４のサブシステム（４）は、２つのゲインセクション８２０（４）及び８３０（４）を含み、吸収領域８１０（４）を含む。

【0039】

ゲイン領域及び吸収領域は、２つの鏡８４０及び８４２の間に位置し、光共振器キャビティー（共振器キャビティー、又は単純に共振器ともいう）を形成する。光共振器キャビティーは、例えば、フラット−フラット共振器キャビティーであってよい。ゲイン領域からの小信号ゲインが、周回損失（例えば、鏡及び種々雑多な損失源における吸収セクション損失の吸収による）を超過する光共振器キャビティーの周回ゲインよりも顕著に大きいときには、対応するサブシステムは、光キャビティーの共鳴周波数でレーザー発光を開始する。サブシステム（１）、（２）、（３）、及び（４）がレーザー発光のゲイン閾値を下回った場合でも、光共振器のキャビティーモードに従って伝播した光は、吸収セクション８１０（１）、８１０（２）、８１０（３）、及び８１０（４）においてＰＶデバイスの活性層に吸収される。しかし、キャビティーがレーザー発光する場合、その励起された発光によって、ゲインセクション８２０（１）、８２０（２）、８２０（３）、８２０（４）、８３０（１）、８３０（２）、８３０（３）、及び８３０（４）が、それぞれのＰＶ吸収セクション８１０（１）、８１０（２）、８１０（３）、及び８１０（４）を通過するように配置されたキャビティーモード中に、優先的に発光する。このように、キャビティーがレーザー発光する場合、ゲイン媒体（即ち光源）からＰＶデバイスへのエネルギー伝送の効率は向上する。従って、レーザー発光が起こるときには、ＯＰＴシステムの効率は増大する。

【0040】

ある実施態様においては、図８に示したように、光共振器の左側に１つの鏡８４０が配置され、ＯＰＴシステム８００の右側に１つの鏡８４２が配置される。他の実施態様においては、サブシステム（１）、（２）、（３）、及び（４）がそれぞれの鏡を有し、サブシステム（１）、（２）、（３）、及び（４）のそれぞれが他のサブシステムから分離されて配置された光共振器を有してもよい。

【0041】

図９に、サブシステム（１）を示したＯＰＴシステム８００の側面図を示す。ゲインセクション８２０（１）及び８３０（１）は、それぞれｐ−ドープされた導電領域８２４（１）及び８３４（１）、並びにｎ−ドープされた導電領域８２２（１）及び８３２（１）を含む。ｐ−ドープされた導電領域とｎ−ドープされた導電領域との間は、活性領域８２８（１）及び８３８（１）である。該活性領域８２８（１）及び８３８（１）において、電子と正孔との再結合がフォトンを生成し、電流が半導体の固有の損失に打ち勝つのに十分なほど高いときにはゲインを得る。活性領域中の矢印は、鏡８４０及び８４２によって規定されるような光共振器のキャビティーモードにおける光の方向を示す。ゲイン領域を進む電流は、電極８２６（１）、８２７（１）、８３６（１）、及び８３７（１）を通過して流れる。ある実施態様において、電極８２６（１）は電極８３６（１）に電気的に接続されており、電極８２７（１）は電極８３７（１）に電気的に接続されている。ＰＶデバイス８１０（１）の活性領域８１８（１）が２つのゲイン領域から放出されたフォトンを吸収するとき、光は電流に変換され、該電流は次いでｎ−ドープされた領域８１２（１）及びｐ−ドープされた領域８１４（１）を通過して、それぞれの電極８１６（１）及び８１７（１）を通過して、電力需要デバイス（例えば、図４Ｂ及び４Ａ中の増幅器４１４のアイソレーションアンプ４５２）に導電される。ＰＶデバイス８１０（１）、８１０（２）、８１０（３）、及び８１０（４）は、単独のＰＶデバイスそれぞれの電流と比べて４倍大きな電圧を得るために、直列に接続されてよい。ＯＰＴシステム８００は、ＰＶデバイス８１０（１）、８１０（２）、８１０（３）、及び８１０（４）のそれぞれが同量の電流を生成するように構成されてよい。

【0042】

ある実施態様では、複数のＰＶデバイスが１個の光共振器内に配置される。従って、該光共振器内で光強度が増大又は減少したときには、これに比例して、該光共振器内のすべてのＰＶデバイスによって生成される電流は一緒に変化する。従って、光共振器キャビティーへの光出力に影響する変化にかかわらず、複数のＰＶデバイスの電流は一致することになる。ある実施態様では、光共振器は、ＰＶデバイスのそれぞれが当量の電流を生成することができるフィードバックを獲得するように構成される。

【0043】

図１０及び図１１に、ＯＰＴシステム１０００のある実施態様を示す。図１０にＯＰＴシステム１０００の側面図を示し、図１１にＯＰＴシステム１０００の上面図を示した。各光源１０１０、並びにＰＶデバイス１０２０、１０３０、１０４０、及び１０５０は、対応するｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域を含む。これらのｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域は、対応する導電領域の間に挟持された活性層１０１８、１０２８、１０３８、１０４８、及び１０５８を有する。ある実施態様では、領域１０１２、１０２２、１３４、１０４２、及び１０５４はｎ−ドープされた領域であり、領域１０１４、１０２４、１３２、１０４４、及び１０５２はｐ−ドープされた領域である。別の実施態様では、領域１０１２、１０２２、１３２、１０４２、及び１０５２はｎ−ドープされた領域であり、領域１０１４、１０２４、１３４、１０４４、及び１０５４はｐ−ドープされた領域である。複数のＰＶデバイスは、各ＰＶデバイスのｎ−ドープされた領域の電極に直列に接続されており、各ＰＶデバイスは光源１０１０から次に遠いＰＶデバイスのｐ−ドープされた領域の電極に電気的に接続されている。ある実施態様においては、最後のＰＶデバイス１０５０の外側端縁部に鏡１０６０を含む。同様に、光源１０１０の背面から発せられた光をＰＶデバイス方向に向けるための鏡１００２を、光源１０１０の外側端縁部に含んでもよい。ある実施態様では、鏡１００２は誘電体の積層体である。ある実施態様では、鏡１００２は分布ブラッグ反射器である。ある実施態様では、鏡１００２は金属製の鏡である。ある実施態様では、光源１０１０は、光を優先的に狭いビームとして発するＶＣＳＥＬ又はＬＤであってよい。

【0044】

図１２Ａ及び図１２Ｂに、光源を囲む同心円状に構成されたＰＶデバイスを使用するＯＰＴシステムの実施態様を示した。図１２Ａ及び図１２ＢはいずれもＯＰＴシステム１２００の斜視図である。ＯＰＴシステム１２００は、４つのセクション（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）を有する。図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、セクション（Ｃ）はＯＰＴシステム１２００の内部構造を示すために除去されている。各セクションは、光源１２１０（Ａ）、１２１０（Ｂ）、１２１０（Ｃ）、及び１２１０（Ｄ）を含む。各光源は、ｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域（例えば１２１６（Ｂ）及び１２１２（Ｂ））を含む。これらｎ−ドープされた領域とｐ−ドープされた領域との間には、活性領域が挟持されている（例えば１２１４（Ｂ））。各セクションは３つのＰＶデバイスを含む。ＰＶデバイス１２４０（Ａ）、１２４０（Ｂ）、１２４０（Ｃ）、及び１２４０（Ｄ）は、それぞれのセクションにおける最も外側のＰＶデバイスである。各ＰＶデバイスは、対応するｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域（例えば１２３６（Ｂ）及び１２３２（Ｂ）はＰＶデバイス１２３０（Ｂ）のｐ−ドープされた領域及びｎ−ドープされた領域である）を含む。該ｎ−ドープされた領域及びｐ−ドープされた領域の間には、活性領域が挟持されている（例えば１２１４（Ｂ）はＰＶデバイス１２３０（Ｂ）の活性層である）。円盤状のＯＰＴシステムを囲んで、効率向上のために光源の方向に向かって光を反射する鏡１２６０（Ａ）、１２６０（Ｂ）、１２６０（Ｃ）、及び１２６０（Ｄ）が存在する。

【0045】

図１２Ｂに、セクション（Ｂ）における、ＰＶデバイスを直列に接続するための電極の構成を示した。ある実施態様において、図１２Ａ及び図１２ＢのＰＶデバイスの底部導電層は、すべて同じドーピングタイプを有する（例えば、底部導電層がすべてｎ−ドープされている）。同様に、図１２Ａ及び図１２ＢのＰＶデバイスの頂部導電層は、すべて同じドーピングタイプを有する（例えば、頂部導電層がすべてｐ−ドープされている）。図１２Ｂは、ＰＶデバイス１２２０（Ｂ）の底部導電層に接続された電極１２５２（Ｂ）が、ＰＶデバイス１２３０（Ｂ）の端部及びＯＶデバイス１２３０（Ｂ）の頂部導電層上を覆うことを示す。形状及び機能において１２５２（Ｂ）と同様の電極１２５２（Ｄ）は、該電極が、１つのＰＶデバイスの底部から次に遠いＰＶデバイスの頂部までを、どのようにして接続するかを視覚的に示す。電極１２５４（Ｂ）は、ＰＶデバイス１２３０（Ｂ）の底部導電層に接続されており、ＰＶデバイス１２４０の頂部導電送にも接続されている。最後に、電極１２５６（Ｂ）が、ＰＶデバイス１２４０（Ｂ）の底部導電層に接続されている。このように、複数のＰＶデバイスは直列に接続され、所定のセクションにおけるＰＶデバイスの電圧の総和である電圧を供給する。各ＰＶデバイス中を光が伝播する長さは、各セクション中の各ＰＶデバイスが等しい量の電流を生成するように構成される。

【0046】

ある実施態様では、各セクションは他のセクションと直列に接続され、すべてのセクション中のすべてのＰＶデバイスの電圧の総和である電圧を生成する。例えば図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、各セクションには３つのＰＶデバイスがあり、合計で１２のＰＶデバイスを有する４つのセクションがある。従って、得られる直列電圧は、各ＰＶデバイスの電圧の１２倍となろう。更に、各ＰＶデバイスが同量の電流を生成するよう、光源は、すべてのセクションに等しい光量を提供するように構成されている。

【0047】

ある実施態様では、各セクション中の複数のＰＶデバイスは電気的に直列に接続され、複数のセクションは電気的に並列に接続されている。

【0048】

ある実施態様では、各セクション中の複数のＰＶデバイスは電気的に並列に接続され、複数のセクションは電気的に直列に接続されている。

【0049】

ある実施態様では、光源１２１０（Ａ）、１２１０（Ｂ）、１２１０（Ｃ）、及び１２１０（Ｄ）は、ＰＶデバイスの対応する活性領域中に放射状に光放射する単一の光源である。

【0050】

ある実施態様では、光源１２１０（Ａ）、１２１０（Ｂ）、１２１０（Ｃ）、及び１２１０（Ｄ）は、それぞれ独立した光源である。

【0051】

例えば図６に示したように複数のＰＶデバイスが同心円状に構成されているとき、又は例えば図１２Ａに示したように同心円弧状に構成されているとき、該同心円又は同心円弧の中心に配置されたそれぞれの光源を有することが、一般に有利である。しかしながら、ＯＰＴシステムは、各光源が、実質的に該同心円又は同心円弧の中心にあるに過ぎないときであっても機能する。例えば、ＯＰＴシステムは、該ＯＰＴシステムそれぞれの光源が、最も内側のＰＶデバイスによって画定される円の範囲内のどの位置にあっても機能する。ＯＰＴシステムの光源が、最も内側のＰＶデバイスによって描かれる内側円周の範囲内にあるとき、該光源は実質的にＰＶデバイスの同心円又は同心円弧の中心にある。

【0052】

ＯＰＴシステム５００、７００、１０００、及び１２００のそれぞれにおいて、電力需要回路を電力供給回路から電気的に絶縁するために、光学的電力伝送が使用される。複数のＰＶデバイスは、単一のＰＶデバイスにより提供されるものより高い電圧を提供するために、直列に接続される。伝播距離（すなわち、各ＰＶデバイスの幅）は、（例えば、光源により近いＰＶデバイスで起こる吸収によって減ぜられた光強度を補償するために、光源からより遠いＰＶデバイスを通過する伝播距離を長くすることにより）対応する複数のＰＶデバイスから同量の電流が提供されるように構成される。光は、ＰＶデバイスの活性領域を通過し、且つ導電領域を通過せずに伝播する；従って、光がＰＶデバイスの活性領域に入射する前に必ず導電領域を通過する、従来のＰＶデバイスにおける吸収が排除されることにより、効率は向上する。光源としては、ＬＥＤ、ＬＤ、及びＶＣＳＥＬを含む如何なる光源も使用可能である。ＰＶデバイス及び光源は、例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化窒化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、及びリン化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＰ）を含む任意の半導体を使用して製造することができる。ＰＶデバイス及び光源は、ヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、或いは光源及び／又はＰＶデバイスを作るために使用される半導体構造の、その他の公知のタイプであってよい。散乱損失を最小化するために、光源とＰＶデバイスとの間にインデックス整合材料を使用してよい。更に、反射及び散乱損失を減少させるために、光源とＰＶデバイスとの間に反射防止コーティングを使用してよい。ある実施態様では、光源及びＰＶデバイスは、単一の基体上に一体として製造される。ある実施態様では、光源及びＰＶデバイスは、構造間に（例えば、反応性イオンエッチを用いて、又はウェットエッチ若しくはドライ及びウェットエッチの組み合わせを用いて）エッチングすることにより分離される。ある実施態様では、光源の電極とＰＶデバイスの電極との間の距離を十分大きく設定して、該光源の電極と該ＰＶデバイスの電極との間の容量性カップリングを、電力需要回路と電力供給回路との間のＥＭＩの容量カップリング及び容量伝達を防ぐ所定の閾値未満に収められる。

【0053】

ある実施態様が記載されたとき、該実施態様は例示のためにのみ提示されており、本開示の教示の限定を意図するものではない。実際、ここに記載された新規な方法、装置、及びシステムは、種々の他の形態で具体化されてよい；更に、ここに記載された方法、装置、及びシステムの形態において、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、及び変更を行うことができる。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】