特許 7178154 光給電コンバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-16

(45)【発行日】2022-11-25

(54)【発明の名称】光給電コンバータ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0232 20140101AFI20221117BHJP

   H01L 31/054 20140101ALI20221117BHJP

   H02J 50/30 20160101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

H01L31/02 C

H01L31/02 D

H01L31/04 620

H02J50/30

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022560213

(86)(22)【出願日】2022-06-22

(86)【国際出願番号】 JP2022024829

【審査請求日】2022-10-11

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000161862

【氏名又は名称】株式会社京都セミコンダクター

(74)【代理人】

【識別番号】100089004

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】磯村 尚友

(72)【発明者】

【氏名】大村 悦司

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－２２４３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１１７０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３１８６２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１０８０８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２１８４９９９（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４０３７１７８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／１１９

Ｈ０２Ｊ ５０／３０

Ｈ０４Ｂ １０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項3】

前記円錐状凹部は、この円錐状凹部に入射した光を、前記円形受光部の直径以下の外径、且つ前記複数の直線状のアイソレーション溝が前記円形受光部の周方向に連なって形成された無効領域の外径よりも大きい内径を有する円環状に変換するように形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光給電コンバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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送られる光を受けて、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。

【0003】

光給電コンバータは光電変換用の半導体受光素子を有する。この半導体受光素子の出力電圧は、通常１Ｖ未満である。光給電コンバータからの給電を受ける機器が高い入力電圧を必要とする場合には、出力電圧を高くした光給電コンバータが利用される。例えば特許文献１のように、半導体受光素子の円形受光部をアイソレーション溝によって複数の扇形のフォトダイオードに分割し、これらを直列に接続することによって出力電圧を高くすることが可能である。

【0004】

分割されて直列に接続された複数のフォトダイオードによって構成された半導体受光素子の出力電圧は、フォトダイオードが多いほど高くなる。一方、その出力電流は、分割されない場合よりも小さくなり、分割数が多いほど小さくなる。その上、この出力電流は、光電変換により生成される光電流が最小のフォトダイオードによって制限される。それ故、複数のフォトダイオードの光電流を互いに等しくするために、これら複数のフォトダイオードが同形状且つ同面積となるように円形受光部が等分される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】米国特許第５３４２４５１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では、円形受光部を同形状且つ同面積で分割するために、一定幅の直線状の複数のアイソレーション溝が、円形受光部の中心から径方向に放射状に形成されているので、複数のアイソレーション溝が円形受光部の中心近傍に集中する。そして、円形受光部の分割数が多いほど、即ちアイソレーション溝が多いほど隣り合うアイソレーション溝が近づき、円形受光部の中心から離隔した位置で複数のアイソレーション溝が幅方向（周方向）に連なるようになる。

【0007】

こうして、複数のアイソレーション溝が周方向に連なって、円形受光部の中心近傍にアイソレーション溝の幅を一辺とする正多角形状の領域が形成される。アイソレーション溝では光電変換をすることができないので、この正多角形状の領域は光電流を生成できない無効領域である。この無効領域は、円形受光部の分割数が多いほど大きくなる。

【0008】

ここで、光ファイバケーブルを介して入力される入射光の光強度分布は、一般的にはガウス分布であり、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。この光を、同形状且つ同面積となるように等分された円形受光部に均等に入射させるために、光軸が円形受光部に対して垂直にこの円形受光部の中心を通るように光を入射させる。

【0009】

しかし、入射光の光軸近傍の光強度が高い部分が、円形受光部の中心近傍に形成された無効領域に照射され、光電流に変換されず無駄になるので、光給電コンバータの出力を大きくすることができない。

【0010】

そこで、本発明は、円形受光部がその中心に対して放射状に等分されて直列に接続された半導体受光素子に、光ファイバケーブルを介して入力される光のうち、無駄になる光を減少させて均等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。

【課題を解決するための手段】

【0011】

請求項１の発明の光給電コンバータは、光ファイバケーブルを介して入力される光を半導体受光素子によって光電流に変換して出力する光給電コンバータにおいて、前記半導体受光素子は、半導体基板の第１面側に光電流を生成するために形成された円形受光部に対して、この第１面に対向する前記半導体基板の第２面側から前記円形受光部に光を入射させる裏面入射型受光素子であり、前記円形受光部は、この円形受光部の中心から延びる複数の直線状のアイソレーション溝によって受光面積が互いに等しくなるように分割され、且つ複数の導電性部材によって直列に接続された複数のフォトダイオードを備え、前記半導体基板の前記第２面側には、前記第１面側ほど縮径する円錐状に前記半導体基板を凹入させた円錐状凹部が、この円錐状凹部の対称軸線が前記円形受光部の中心を通るように形成され、前記第２面側から入射させた光が前記円錐状凹部によって円環状に変換されて、前記円形受光部の前記複数のフォトダイオードに夫々等しい光量が入射するように構成されたことを特徴としている。

【0012】

上記構成によれば、光ファイバケーブルを介して入力される光が、円錐状凹部によって円環状に変換されて複数のフォトダイオードに均等に入射するので、複数のフォトダイオードの出力のばらつきを小さくすることができる。また、光電流を生成しない複数のアイソレーション溝が集中している円形受光部の中心近傍には、円環状の光が入射しないようにすることができるので、光電変換されずに無駄になる光を減少させることができる。従って、複数のフォトダイオードを直列に接続して形成された円形受光部を有する半導体受光素子の光電流を大きくすることができ、光給電コンバータが給電する電力を大きくすることができる。

【0013】

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、前記光ファイバケーブルを介して入力される光を平行光に変換して前記円錐状凹部に入射させるコリメータレンズを備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、円錐状に広がりながら進行する光をコリメータレンズによって平行光に変換するので、円錐状凹部への入射角を一定にすることができる。それ故、入力される光が円形受光部からはみ出ないように、円形受光部の直径に合わせた平行光のビーム径となる光ファイバケーブルとコリメータレンズの間の距離を、容易に設定することができる。従って、入力される光の全部を円形受光部に入射させて、半導体受光素子の光電流を大きくすることができ、光給電コンバータが給電する電力を大きくすることができる。

【0014】

請求項３の発明の光給電コンバータは、請求項１又は２の発明において、前記円錐状凹部は、この円錐状凹部に入射した光を、前記円形受光部の直径以下の外径、且つ前記複数の直線状のアイソレーション溝が前記円形受光部の周方向に連なって形成された無効領域の外径よりも大きい内径を有する円環状に変換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、円錐状凹部によって変換された円環状の光は、円形受光部の中心近傍に形成される光電流を生成できない無効領域を避けて、全て円形受光部に入射する。従って、光ファイバケーブルを介して入力される光の全部を円錐状凹部に入射させることによって、光を無駄なく利用して、光給電コンバータが給電する電力を大きくすることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明の光給電コンバータによれば、円形受光部がその中心に対して放射状に等分されて直列に接続された半導体受光素子に、光ファイバケーブルを介して入力される光のうち、無駄になる光を減少させて均等に入射させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例１に係る光給電コンバータの斜視図である。

【図2】図１の光給電コンバータが有する半導体受光素子への光の入射の説明図である。

【図3】図２の半導体受光素子の円形受光部を示す平面図である。

【図4】基台に固定された図３の半導体受光素子のIV－IV線断面図である。

【図5】光ファイバケーブルを介して入力される光の光強度分布図である。

【図6】図３のVI－VI線断面における半導体受光素子に入射して円環状に変換される光の説明図である。

【図7】円錐状凹部の円錐面への平行光の入射角と円錐状凹部の頂点から円形受光部の中心までの距離をパラメータとして円環状の光の内径を等高線状に示すグラフである。

【図8】半導体受光素子に入射して円環状に変換される光の他の例の説明図である。

【図9】円錐状凹部の形成用のエッチングマスクの説明図である。

【図10】エッチングによって円錐状凹部を形成する説明図である。

【図11】本発明の実施例２に係る光給電コンバータの半導体受光素子に入射して円環状に変換される光の説明図である。

【図12】実施例２に係る光給電コンバータの半導体受光素子に入射して円環状に変換される光の他の例の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【実施例1】

【0018】

図１、図２に示すように、光給電コンバータ１は、例えばシングルモードの光ファイバケーブルＯＣを介して入力される光（入射光Ｌ１）を光電流に変換して外部に給電するための１対の出力端子部２ａ，２ｂを有する。１対の出力端子部２ａ，２ｂが装備された基台３には、受光した光から光電変換により光電流を生成するための半導体受光素子１０と、この半導体受光素子１０の保護及び遮光のためのカバー５が夫々固定されている。半導体受光素子１０は、生成した光電流を出力するために、配線部３ａ，３ｂを介して対応する出力端子部２ａ，２ｂに接続されている。

【0019】

光ファイバケーブルＯＣを介して入力される入射光Ｌ１は、波長が例えば１．５μｍ程度の赤外光である。この入射光Ｌ１は、光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅから出射された後は、進行するほど照射範囲が広がる円錐状のビームである。

【0020】

カバー５は、入射光Ｌ１が通る光学系として、例えば屈折率が１．４５の光学ガラス製のコリメータレンズ６を有する。コリメータレンズ６は、入射光Ｌ１を平行光Ｌ２に変換して半導体受光素子１０に入射させる。半導体受光素子１０は、光電変換を行う円形受光部１２を有し、この円形受光部１２が形成されている側と反対側から光が入射される裏面入射型受光素子である。

【0021】

カバー５は、コリメータレンズ６の光軸６ａが半導体受光素子１０の円形受光部１２に対して垂直に且つ円形受光部１２の中心Ｃを通るように基台３に固定される。光ファイバケーブルＯＣは、カバー５の挿入孔５ａに差し込まれ、その出射端Ｅがコリメータレンズ６から所定の距離だけ離隔した位置となるように固定される。このとき、入射光Ｌ１の光軸ＯＡがコリメータレンズ６の光軸６ａに一致するように、出射端Ｅが位置決めされる。

【0022】

図３、図４に示すように、円形受光部１２は、例えば光吸収層を備えた円形のＰＩＮ型フォトダイオードが、その中心Ｃから径方向に延びる複数の直線状のアイソレーション溝１３によって形状及び面積が同じ複数の扇形のフォトダイオード１４に等分されている。ここでは円形受光部１２が、３０本のアイソレーション溝１３によって３０個のフォトダイオード１４に等分されている。

【0023】

複数の直線状のアイソレーション溝１３は、形状及び受光面積が等しい複数の扇形のフォトダイオード１４となるように、円形受光部１２の中心Ｃから一定幅で放射状に形成されている。また、円形受光部１２の外周に沿って円環状のアイソレーション溝１５が形成され、複数の直線状のアイソレーション溝１３が円環状のアイソレーション溝１５によって接続されている。そして、複数のアイソレーション溝１３によって電気的に分離された複数のフォトダイオード１４が、基台３に形成された導電性部材４によって直列に接続されて、円形受光部１２が形成されている。この円形受光部１２の直径をＤ１とする。

【0024】

こうして円形受光部１２には、中心Ｃを囲むように形状及び受光面積が等しい複数の扇形のフォトダイオード１４が形成されている。アイソレーション溝１３では光電流を生成できないので、アイソレーション溝１３の幅を小さく且つ直線状に形成して、円形受光部１２の面積に占めるアイソレーション溝１３の面積を小さくすることが好ましい。尚、図３ではアイソレーション溝１３とフォトダイオード１４の符号を一部省略している。

【0025】

円形受光部１２の中心Ｃ近傍において、複数の直線状のアイソレーション溝１３が集中している。そのため、中心Ｃ側ほど隣り合うアイソレーション溝１３が近づいて、中心Ｃから離隔した位置で複数の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が円形受光部１２の周方向に連なって、中心Ｃ近傍にアイソレーション溝１３の幅を一辺とする正多角形状の領域が形成されている。アイソレーション溝１３では光電変換をすることができないので、この正多角形状の領域は光電流を生成できない無効領域Ｉである。無効領域Ｉは、円形受光部１２の分割数が多いほど大きくなる。この無効領域Ｉの外径をＤ２とする。

【0026】

フォトダイオード１４は、半絶縁性の半導体基板２０の第１面２０ａに積層されたｎ型半導体層２１と光吸収層２２とｐ型半導体層２３を有する。半導体基板２０は例えばＩｎＰ基板であり、ｎ型半導体層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、ｐ型半導体層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、ｎ型半導体層２１、光吸収層２２、ｐ型半導体層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。

【0027】

アイソレーション溝１３，１５は、ｎ型半導体層２１と光吸収層２２とｐ型半導体層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ｐ型半導体層２３側からエッチングすることによって形成される。これにより、円形受光部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１３，１５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。

【0028】

複数のフォトダイオード１４は、ｐ型半導体層２３と光吸収層２２を貫通してｎ型半導体層２１に到達する接続孔１７を夫々有する。そして、絶縁性の保護膜２４が、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の側壁を覆うように形成されている。この保護膜２４は、複数の直線状のアイソレーション溝１３及び円環状のアイソレーション溝１５の内壁部及び底部を覆っている。

【0029】

各フォトダイオード１４は、ｐ型半導体層２３上の保護膜２４が部分的に除去されて露出したｐ型半導体層２３に接続されたアノード電極２７と、接続孔１７の底部の保護膜２４が除去されて露出したｎ型半導体層２１に接続されたカソード電極２８を備えている。アノード電極２７とカソード電極２８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。

【0030】

隣り合うフォトダイオード１４のうちの一方のアノード電極２７と他方のカソード電極２８とが、導電性ペースト８を介して基台３の導電性部材４によって接続されたことによって、円形受光部１２の複数のフォトダイオード１４が直列に接続されている。図示を省略するが、導電性部材４の代わりに、例えば金を主成分とする導電性ワイヤによって複数のフォトダイオード１４が直列に接続されていてもよく、保護膜２４上に選択的に形成された複数の配線によって複数のフォトダイオード１４が直列に接続されていてもよい。

【0031】

直列に接続された複数の扇形のフォトダイオード１４によって円形受光部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、光ファイバケーブルＯＣを介して入力される入射光Ｌ１を光電変換して給電する光給電コンバータ１は、高い電圧で給電することができる。

【0032】

図２、図５に示すように、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、例えば頂角θ（全角）が１４°の円錐状に広がりながら進行する。この入射光Ｌ１の光強度分布は、光軸ＯＡに垂直な平面Ｐ上においてガウス分布になり、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に対して回転対称の光強度分布になる。尚、光強度が光軸ＯＡ上の光強度の１／ｅ^２になるところを入射光Ｌ１の最外周としている。

【0033】

図６に示すように、入射光Ｌ１をコリメータレンズ６に入射させる場合に、入射光Ｌ１の光軸ＯＡをコリメータレンズ６の光軸６ａに一致させる。コリメータレンズ６は、入射光Ｌ１を平行光Ｌ２に変換して裏面入射型の半導体受光素子１０に入射させる。平行光Ｌ２の光強度分布は、入射光Ｌ１がコリメータレンズ６に入射したときの光強度分布が維持されている。

【0034】

半導体受光素子１０は、円形受光部１２が形成された半導体基板２０の第１面２０ａに対向する半導体基板２０の第２面２０ｂ側（裏面側）に、第１面２０ａ側ほど縮径するように半導体基板２０を円錐状に凹入させて形成された円錐状凹部１６を有する。この円錐状凹部１６の対称軸１６ａの延長線（対称軸線）が、円形受光部１２に対して垂直に且つ円形受光部１２の中心Ｃを通るように、円錐状凹部１６が形成されている。コリメータレンズ６の光軸６ａは、円形受光部１２の中心Ｃを通るように位置合わせされているので、円錐状凹部１６の対称軸線に一致する。そして、入射光Ｌ１の光軸ＯＡをコリメータレンズ６の光軸６ａに一致させたので、光軸ＯＡは平行光Ｌ２の光軸になり、光軸ＯＡが円錐状凹部１６の対称軸線に一致する。

【0035】

円錐状凹部１６の円錐面１６ｂに入射した平行光Ｌ２は、光軸ＯＡから離隔するように屈折し、円環状の光Ｌ３に変換される。コリメータレンズ６で変換された平行光Ｌ２のビーム径をＤｂとする。また、円錐状凹部１６の頂点から距離Ｔだけ離隔した円形受光部１２に入射する円環状の光Ｌ３の外径をＤｏ、内径をＤｉとする。

【0036】

円錐状凹部１６の円錐面１６ｂの傾斜角度（円錐底面と母線のなす角度）をαとすると、平行光Ｌ２の円錐面１６ｂへの入射角がαである。半導体基板２０の空気に対する屈折率をｎとし、円錐面１６ｂに入射した平行光Ｌ２の出射角をβとすると、スネルの法則から下記（１）式が成り立つ。
β＝ｓｉｎ^－１（（ｓｉｎ（α））／ｎ） ・・・（１）
以下ではｎ＝３．２として説明するが、屈折率ｎはこれに限定されるものではない。

【0037】

円錐状凹部１６によって変換された円環状の光Ｌ３が円形受光部１２に入射するときの径方向のビーム幅をｔとすると、このビーム幅は下記（２）式で表される。
ｔ＝（Ｄｂ／２）×（ｃｏｓ（β）／（ｃｏｓ（α）×ｃｏｓ（α－β）） ・・・（２）

【0038】

そして、円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉ、外径Ｄｏは下記（３），（４）式のようになる。
Ｄｉ＝２×Ｔ×ｔａｎ（α－β） ・・・（３）
Ｄｏ＝Ｄｉ＋２×ｔ ・・・（４）

【0039】

図７には、入射角αと距離Ｔをパラメータとして円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉが等高線状に示されている。入射角αが一定であれば、距離Ｔが大きくなるほど内径Ｄｉが大きくなる。一方、距離Ｔが一定であれば、入射角αが大きくなるほど内径Ｄｉが大きくなる。尚、半導体基板の種類によるが、通常は半導体基板２０の厚さが７００μｍ程度であり、距離Ｔを半導体基板２０の厚さ以上にすることはできない。

【0040】

図７及び上記（１）～（４）式を用いることによって、例えば円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉが所望の大きさに設定された場合に、円錐状凹部１６の形状とサイズ、及び平行光Ｌ２のビーム径Ｄｂを設定することができる。そして、カバー５における光ファイバケーブルＯＣとコリメータレンズ６の距離を設定することができる。

【0041】

円形受光部１２の中心Ｃ近傍の無効領域Ｉに入射する光による光入力の無駄を少なくするために、円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉを無効領域Ｉの外径Ｄ２よりも大きく設定する場合について説明する。アイソレーション溝１３の幅を１０μｍ、フォトダイオード１４の数を３０個とすると、無効領域Ｉは一辺が１０μｍの正三十角形なので外周の長さが３００μｍであり、無効領域Ｉの外径Ｄ２は１００μｍ未満である。

【0042】

円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉを例えば１００μｍに設定すると、図７から例えば入射角αが２０°、距離Ｔが４７０μｍになり、円錐状凹部１６の形状とサイズが決まり、出射角βが６．１°になる。このとき半導体基板２０の第２面２０ｂにおける円錐状凹部１６の直径は１２６４μｍ、円錐状凹部１６の深さは２３０μｍになる。平行光Ｌ２の全部が円錐状凹部１６を介して直径Ｄ１が例えば１２００μｍの円形受光部１２に入射するように、円環状の光Ｌ３の外径Ｄｏを１２００μｍとすると、平行光Ｌ２のビーム径Ｄｂが１１０８μｍになる。そして、所定の距離としてコリメータレンズ６と光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅの間の距離が４５１３μｍに定まる。

【0043】

円環状の光Ｌ３の外径Ｄｏは円形受光部１２の直径Ｄ１より小さくてもよいので、平行光Ｌ２のビーム径Ｄｂが小さくなるようにコリメータレンズ６と光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅの間の距離を小さくして、光給電コンバータ１を小型化することができる。コリメータレンズ６と光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅの間の距離を小さくしても、円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉは変わらない。コリメータレンズ６と半導体受光素子１０の間の距離は任意に設定できるが、小さいほど光給電コンバータ１の小型化に有利である。

【0044】

例えば図８に示すように、平行光Ｌ２の光軸近傍部分を円錐状凹部１６を介して円形受光部１２に入射させ、平行光Ｌ２の残り部分は円錐状凹部１６を介さずに平行光のまま円形受光部１２に入射させてもよい。この場合、径方向に広がって進行する光と平行光とが混在する円環状の光Ｌ３が、円形受光部１２に入射する。少なくとも平行光のままでは無効領域Ｉに入射する平行光Ｌ２の一部の光について、円錐状凹部１６によって進行方向を変えることにより、無効領域Ｉを避けて円形受光部１２に均等に入射させることができればよい。特に、無効領域Ｉに近いほど、円形受光部１２の周方向におけるアイソレーション溝１３が占める割合が大きいため、光電変換されない高強度の光が多くなるので、円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉを大きくする場合に有用である。

【0045】

図８の場合も上記と同様に、円錐状凹部１６に入射して円環状になる光の内径Ｄｉを設定して、入射角αと距離Ｔを設定することができる。例えば内径Ｄｉを１５０μｍとして、入射角αを３０°とすると距離Ｔは４８０μｍになり、円錐状凹部１６の形状とサイズが決まり、出射角βが９°になる。このとき第２面２０ｂにおける円錐状凹部１６の直径は７６２μｍ、深さは２２０μｍになる。そして、円錐状凹部１６に入射して円環状になる光の外径Ｄｏは１０８１μｍになる。

【0046】

一方、平行光Ｌ２のビーム径Ｄｂは、円錐状凹部１６の直径より大きく、且つ円形受光部１２の直径Ｄ１以下の範囲内で任意に設定することができる。円環状の光Ｌ３の円形受光部１２における内径は、円錐状凹部１６の形状及びサイズによって、円錐状凹部１６に入射して円環状になる光の内径Ｄｉ又は円錐状凹部１６の直径の何れか一方に決まる。また、円環状の光Ｌ３の円形受光部１２における外径は、円錐状凹部１６の形状及びサイズによって、平行光Ｌ２のビーム径Ｄｂ又は円錐状凹部１６に入射して円環状になる光の外径Ｄｏの何れか一方に決まる。

【0047】

次に、円錐状凹部１６の形成方法について説明する。
例えば図９に示すように、半導体基板２０の第２面２０ｂに、円錐状の凹部３０ａを有するエッチングマスク層３０を形成する。円錐状の凹部３０ａは対称軸３０ｂを有する。エッチングマスク層３０は、例えば露光量の違いによって厚さを連続的に変化させることによって円錐状に凹入させたフォトレジストである。

【0048】

そして、図１０に示すように例えば反応性イオンエッチングによって、エッチングマスク層３０が薄い部分ほど深くエッチングして、エッチングマスク層３０の形状が反映された円錐状凹部１６が形成される。半導体基板２０の第１面２０ａ側に形成された円形受光部１２の中心Ｃに対称軸３０ｂを位置合わせすることによって、対称軸１６ａが円形受光部１２の中心Ｃに位置合わせされた円錐状凹部１６が形成される。円錐状凹部１６は、砥石等によって半導体基板２０を円錐状に研削、研磨することによって形成されてもよい。また、円錐状凹部１６は、半導体基板２０の第１面側２０ａに円形受光部１２を形成した後で第２面側２０ｂに形成されるが、円錐状凹部１６の形成後に対称軸１６ａに中心Ｃが位置合わせされた円形受光部１２が形成されてもよい。

【実施例2】

【0049】

上記実施例１の光給電コンバータ１のコリメータレンズ６を省略した場合について、図１１に基づいて説明する。上記実施例１と共通する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
半導体受光素子１０には、光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅから出射された頂角θの円錐状に広がる入射光Ｌ１が入射する。円形受光部１２の中心Ｃ近傍に形成される無効領域Ｉへの光の入射を防ぐため、上記と同様に円錐状凹部１６によって入射光Ｌ１を円環状の光Ｌ３’に変換して、円形受光部１２に入射させる。

【0050】

円錐状凹部１６の形状、サイズは、光軸ＯＡ上の光に対して、上記と同様に円環状の光Ｌ３’の内径Ｄｉ、入射角α、距離Ｔを設定することによって決まる。例えば内径Ｄｉを１５０μｍ、入射角αを２４°とすると出射角βは７．３°になり、図７から距離Ｔが５８０μｍになり、円錐状凹部１６の底面の直径が５３９μｍ、深さが１２０μｍになる。

【0051】

入射光Ｌ１の全部が円錐状凹部１６を介して円形受光部１２に入射するように、出射端Ｅと半導体受光素子１０の間の距離を設定することができる。入射光Ｌ１の円錐面１６ｂへの入射角は光軸ＯＡから離隔するほど小さくなり、入射光Ｌ１の最外周部分の円錐面１６ｂへの入射角はα－（θ／２）である。また、その出射角γは光軸ＯＡ上の光の出射角βよりも小さくなる。そして、円環状の光Ｌ３’の外径Ｄｏが円形受光部１２の直径Ｄ１以下になる出射端Ｅと半導体受光素子１０の間の距離を所定の距離として設定する。

【0052】

例えばθ＝１４°の場合に、入射光Ｌ１の全部を直径が５３９μｍの円錐状凹部１６に入射させるためには、出射端Ｅと半導体受光素子１０の間の距離が最大で２１９５μｍになる。このとき、ビーム径が円錐状凹部１６の直径Ｄ１に等しい入射光Ｌ１が円錐状凹部１６に入射して、円環状の光Ｌ３’の外径Ｄｏが７０１μｍになる。

【0053】

この外径Ｄｏが円形受光部１２の直径Ｄ１より大きい場合には、出射端Ｅと半導体受光素子１０の間の距離を小さくして円錐状凹部１６への入射光Ｌ１のビーム径を小さくすることにより、入射光Ｌ１の全部が無効領域Ｉを避けながら円形受光部１２に入射させることができる。円環状の光Ｌ３’の外径Ｄｏは円形受光部１２の直径Ｄ１以下であればよい。出射端Ｅと半導体受光素子１０の間の距離を変えても、円環状の光Ｌ３’の内径Ｄｉは変わらない。

【0054】

一方、図１２に示すように、入射光Ｌ１の光軸ＯＡ近傍部分が円錐状凹部１６を介して円形受光部１２に入射し、入射光Ｌ１の残りの外周側部分が円錐状凹部１６を介さずに円形受光部１２に入射するようにしてもよい。この場合、径方向への広がり方が異なる光が混在する円環状の光Ｌ３’が、円形受光部１２に入射する。

【0055】

少なくとも入射光Ｌ１のうちの無効領域Ｉに入射する部分について、円錐状凹部１６によって進行方向を変えることにより、無効領域Ｉを避けて円形受光部１２に均等に入射させることができればよい。特に、無効領域Ｉに近いほど、円形受光部１２の周方向におけるアイソレーション溝１３が占める割合が大きいため、光電変換されない高強度の光が多くなるので、円環状の光Ｌ３’の内径Ｄｉを大きくする場合に有用である。

【0056】

上記光給電コンバータ１の作用、効果について説明する。
光ファイバケーブルＯＣを介して光給電コンバータ１に入力される入射光Ｌ１は、半導体受光素子１０に形成された円錐状凹部１６によって円環状の光Ｌ３，Ｌ３’に変換され、円形受光部１２が等分された複数のフォトダイオード１４に均等に、等しい光量が入射する。従って、複数のフォトダイオード１４の出力のばらつきを小さくすることができる。また、光電流を生成しない複数のアイソレーション溝１３が集中している円形受光部１２の中心Ｃ近傍には、円環状の光Ｌ３，Ｌ３’が入射しないので、入射光Ｌ１のうちの光電変換されずに無駄になる光を減少させることができる。従って、複数のフォトダイオード１４を直列に接続して形成された円形受光部１２を有する半導体受光素子１０の光電流を大きくすることができ、光給電コンバータ１が給電する電力を大きくすることができる。

【0057】

また、円錐状に広がりながら進行する入射光Ｌ１をコリメータレンズ６によって平行光Ｌ２に変換する場合には、円錐状凹部１６への入射角αを一定にすることができる。それ故、入力される入射光Ｌ１が円形受光部１２からはみ出ないように、円形受光部１２の直径Ｄ１に合わせた平行光Ｌ２のビーム径Ｄｂとなる光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅとコリメータレンズ６の間の距離を容易に設定することができる。従って、入力される入射光Ｌ１の全部を円形受光部１２に入射させて、半導体受光素子１０の光電流を大きくすることができ、光給電コンバータ１が給電する電力を大きくすることができる。

【0058】

その上、円錐状凹部１６は、円錐面１６ｂに入射した光を、円形受光部１２の直径Ｄ１以下の外径Ｄｏ、且つ円形受光部１２の無効領域Ｉの外径Ｄ２よりも大きい内径Ｄｉを有する円環状の光Ｌ３，Ｌ３’に変換する。円環状の光Ｌ３，Ｌ３’は円形受光部１２の中心Ｃ近傍に形成される光電流を生成できない無効領域Ｉを避けて、全て円形受光部１２に入射する。従って、光ファイバケーブルＯＣを介して入力される入射光Ｌ１を無駄なく利用して、光給電コンバータ１が給電する電力を大きくすることができる。

【0059】

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。

【符号の説明】

【0060】

１ ：光給電コンバータ
２ａ，２ｂ：出力端子部
３ ：基台
４ ：導電性部材
５ ：カバー
５ａ ：挿入孔
６ ：コリメータレンズ
６ａ ：対称軸
８ ：導電性ペースト
１０ ：半導体受光素子
１２ ：円形受光部
１３ ：アイソレーション溝
１４ ：フォトダイオード
１５ ：アイソレーション溝
１６ ：円錐状凹部
１６ａ：対称軸
１６ｂ：円錐面
１７ ：接続孔
２０ ：半導体基板
２１ ：ｎ型半導体層
２２ ：光吸収層
２３ ：ｐ型半導体層
２４ ：保護膜
２７ ：アノード電極
２８ ：カソード電極
Ｌ１ ：入射光
Ｌ２ ：平行光
Ｌ３，Ｌ３’ ：円環状の光
ＯＡ ：光軸
ＯＣ ：光ファイバケーブル
Ｅ ：出射端
Ｉ ：無効領域

【要約】

【課題】円形受光部がその中心に対して放射状に等分されて直列に接続された半導体受光素子に光ファイバケーブルを介して入力される光のうち、無駄になる光を減少させて均等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。【解決手段】光ファイバケーブルを介して入力される光(L1)を半導体受光素子(10)で光電流に変換して出力する光給電コンバータ(1)は、半導体受光素子(10)には半導体基板(20)の第１面(20a)側の円形受光部(12)に対して裏面である第２面(20b)側から光が入射し、円形受光部(12)はその中心(C)から延びる複数の直線状のアイソレーション溝(13)によって等分され且つ直列に接続された複数のフォトダイオード(14)を備え、半導体基板(20)の第２面(20b)側に、円形受光部(12)に対応させて第１面(20a)側ほど縮径する円錐状凹部(16)が形成され、入射した光が円錐状凹部(16)で円環状に変換されて複数のフォトダイオード(14)に夫々等しい光量で入射するように構成した。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】