JP7178151B1 - 光給電コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】複数の光ファイバケーブルを介して入力される複数のコリメート光(L2)から光電流を生成して給電する光給電コンバータ(1)は、円錐面(6b)を有する複数のアキシコンレンズ(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、複数のアキシコンレンズ(6)が、対応するコリメート光(L2)を、その光軸と円錐面(6b)の対称軸線(SA)とを一致させて円錐面(6b)に頂点と反対側から入射させる反射部(7)を夫々備え、且つ対称軸線(SA)が受光領域(12)の中心を垂直に通るように円錐面(6b)を受光領域(12)に向けて対称軸線(SA)上に間隔を空けて配設され、円錐面(6b)に入射したコリメート光(L2)が円環状の光(L3)に変換され、複数のアキシコンレンズ(6)で変換された複数の円環状の光(L3)が受光領域(12)に同心状に入射する。

Description

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コリメート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、円錐面を有する複数のアキシコンレンズと、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、複数の前記アキシコンレンズは、対応する前記コリメート光を、その光軸と前記円錐面の対称軸線とを一致させて前記円錐面に頂点と反対側から入射させるための反射部を夫々備え、且つ前記対称軸線が前記受光領域に対して垂直にこの受光領域の中心を通るように前記円錐面を前記受光領域に向けて前記対称軸線上に間隔を空けて配設され、前記反射部を介して前記円錐面に入射した前記コリメート光が円環状の光に変換され、複数の前記アキシコンレンズで変換された複数の円環状の光が前記受光領域に同心状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コリメート光は、対応するアキシコンレンズの反射部を介して円錐面に頂点と反対側から夫々入射する。各アキシコンレンズに入射したコリメート光は、円環状の光に変換されて出射される。そして、複数のアキシコンレンズが円錐面を半導体受光素子の受光領域に向けて対称軸線上に間隔を空けて配設されているので、複数のアキシコンレンズから出射された円環状の光が受光領域に同心状に入射する。従って、複数の光ファイバケーブルから入力される複数のコリメート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の受光領域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、複数の前記アキシコンレンズは、前記円錐面の頂角が互いに等しいことを特徴としている。
上記構成によれば、複数のアキシコンレンズを同一種類にすることができるので、光給電コンバータの形成が容易になると共に、製造コストを低減することができる。

請求項３の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、前記反射部は、前記コリメート光を直角に反射することを特徴としている。
上記構成によれば、複数のアキシコンレンズが並ぶ方向に対して垂直方向からコリメート光を入射させることができるので、他のアキシコンレンズに遮られることなく入射させることができ、光給電コンバータの形成が容易になる。

請求項４の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、複数の前記アキシコンレンズによって変換された複数の円環状の光は、互いに重ならずに前記受光領域に同心状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、複数の円環状の光が重ならずに半導体受光素子の受光領域に入射するので、光強度が高くならない。

請求項５の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、複数の前記アキシコンレンズのうちの少なくとも１つは、前記円錐面の頂角が他の前記アキシコンレンズと異なることを特徴としている。
上記構成によれば、他の円錐面の頂角と異なる頂角の円錐面から出射される円環状の光の進行方向が変わる。これを利用して、円錐面の頂角に対応するように複数のアキシコンレンズ間の間隔を調整して、光ファイバケーブルを配設し易くすることができる。

請求項６の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、前記半導体受光素子から最も遠い前記アキシコンレンズは、前記反射部を備えていないことを特徴としている。
上記構成によれば、半導体受光素子から最も遠い前記アキシコンレンズの反射部が省略されたので、光給電コンバータの構成部品を減らして製造コストを低減することができる。

請求項７の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、複数の前記アキシコンレンズが等間隔に配設されたことを特徴としている。
上記構成によれば、隣接するアキシコンレンズ間の間隔が一定になるので、光給電コンバータの形成が容易になる。

請求８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、出力電圧を高くするために受光領域が周方向に等分されて直列に接続された複数のフォトダイオードに、周方向の光強度が一定である複数の円環状の光を同心状に入射させる。従って、複数のフォトダイオードの光電流のばらつきを小さくして光給電コンバータの出力を向上させることができる。

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。

本発明の実施形態に係る光給電コンバータの例を示す図である。 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。 反射部を備えたアキシコンレンズの斜視図である。 アキシコンレンズによって変換される円環状の光の説明図である。 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。 アキシコンレンズの頂点からの距離と円環状の光の内径の関係を示すグラフである。 アキシコンレンズの円錐面への入射角とアキシコンレンズの頂点からの距離と円環状の光の内径の関係を示すグラフである。 実施例１に係る複数の円環状の光が半導体受光素子に同心状に入射する光給電コンバータの例を示す断面図である。 実施例１に係る複数の円環状の光が半導体受光素子に同心状に入射する光給電コンバータの他の例を示す断面図である。 半導体受光素子の受光領域が周方向に等分された例を示す平面図である。 図１０のXI－XI線断面図である。 実施例２に係る複数のアキシコンレンズが等間隔に配設された光給電コンバータの例を示す断面図である。

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には、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力光Ｌ１が、対応するコリメータレンズＣＬによって変換された複数のコリメート光Ｌ２が入力される。この光給電コンバータ１は、入力された複数のコリメート光Ｌ２を光電流に変換して外部に給電する。そのために、光給電コンバータ１は、光電変換により光電流を生成する半導体受光素子１０と、この半導体受光素子１０が固定された基台２と、基台２に装備された給電用の１対の出力端子部３ａ，３ｂと、半導体受光素子１０を保護するために基台２に固定されたカバー４を有する。以下では、３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。

光ファイバケーブルＯＣを介して入力される入力光Ｌ１は、波長が例えば１．５μｍ程度の赤外光である。この入力光Ｌ１は、光ファイバケーブルＯＣから出射された後に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。複数の光ファイバケーブルＯＣから出射された複数の入力光Ｌ１は、対応するコリメータレンズＣＬによってコリメート光Ｌ２に変換されて、光給電コンバータ１に入力される。尚、複数のコリメータレンズＣＬは、例えば複数の光ファイバケーブルＯＣに夫々装備されていてもよく、光給電コンバータ１に装備されていてもよい。

半導体受光素子１０は、光電流を生成するための受光領域１２と、生成した光電流を出力するための１対の電極１０ａ，１０ｂを有する。１対の電極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。

カバー４は、複数のコリメート光Ｌ２に対応する複数のカバーモジュール５を重ねることによって形成されている。各カバーモジュール５は、例えば矩形筒状の周壁部５ａと、この周壁部５ａの内側の空間を周壁部５ａの軸方向に直交するように節状に仕切る隔壁部５ｂを有する。周壁部５ａには、周壁部５ａの外側と隔壁部５ｂで仕切られた周壁部５ａの内側の一方とが連通するように、切欠き部５ｃが形成されている。この切欠き部５ｃからコリメート光Ｌ２がカバーモジュール５内に入力される。尚、切欠き部５ｃの代わりに周壁部５ａを貫通する開口部が形成されてもよい。また、周壁部５ａは矩形以外の例えば円形又は多角形の筒状に形成されてもよい。

カバーモジュール５の隔壁部５ｂは、コリメート光Ｌ２に対して透明な合成樹脂又はガラスによって例えば厚さ２００μｍの平板状に形成され、周壁部５ａの内側にはめ込まれて固定されている。隔壁部５ｂは、この隔壁部５ｂを貫通するように形成されたレンズ装着孔を有し、このレンズ装着孔にアキシコンレンズ６が装着、固定されている。アキシコンレンズ６は、複数のカバーモジュール５を重ねてカバー４を形成したときに、周壁部５ａの軸方向に複数のアキシコンレンズ６が一列に並ぶように、例えば隔壁部５ｂの中央に固定されている。

次に、アキシコンレンズ６について説明する。
図３のように、アキシコンレンズ６は、例えば直径が２００μｍのレンズ面として、平面６ａと円錐面６ｂを有する。この円錐面６ｂの対称軸は平面６ａと直交し且つ平面６ａの中心を通り、この対称軸の延長線を対称軸線ＳＡとする。アキシコンレンズ６は、例えば空気に対する屈折率が１．４５の光学ガラスによって形成されている。アキシコンレンズ６の平面６ａには、反射部７が装着されている。反射部７は、例えばアキシコンレンズ６と同じ材料によって形成された直角プリズムである。反射部７は、全反射する直角プリズムが好ましいが、平坦な反射面を有する反射鏡であってもよい。また、アキシコンレンズ６の平面６ａに直角プリズムがアキシコンレンズ６と一体的に形成されていてもよい。

図２のように、アキシコンレンズ６は、円錐面６ｂの対称軸線ＳＡが隔壁部５ｂと直交するように、且つ周壁部５ａの内側の空間の切欠き部５ｃが形成された側（基台２と反対側）に臨む隔壁部５ｂの面と平面６ａとの段差がないように固定されている。反射部７は、直交する２つの面を有し、一方の面が切欠き部５ｃと正対し、他方の面が平面６ａに固定されている。光ファイバケーブルＯＣとコリメータレンズＣＬは、切欠き部５ｃから隔壁部５ｂと平行に入力されるコリメート光Ｌ２が、反射部７によって反射されて光軸が対称軸線ＳＡに一致するように、対応する反射部７に対して位置決めされる。反射部７によって反射されたコリメート光Ｌ２は、円錐面６ｂにその頂点と反対側から入射する。

次に、カバー４について説明する。
カバー４は、反射部７を有するアキシコンレンズ６が夫々固定された複数のカバーモジュール５が、半導体受光素子１０が固定された基台２に重ねられて固定されることによって形成される。これにより、複数のアキシコンレンズ６の円錐面６ｂの対称軸線ＳＡが互いに一致して受光領域１２の中心Ｃをこの受光領域１２に対して垂直に通るように、複数のアキシコンレンズ６が間隔を空けて配設される。複数のカバーモジュール５を重ねて形成されたカバー４が、半導体受光素子１０を覆うように基台２に固定されてもよい。尚、束ねられた複数の光ファイバケーブルＯＣの配設が容易になるように、複数のカバーモジュール５は、複数の切欠き部５ｃが１列に並ぶように重ねられているが、これに限定されるものではない。

複数のアキシコンレンズ６間の間隔の調整は、カバーモジュール５の周壁部５ａの軸方向の長さの調整によって行うことができる。例えば、周壁部５ａの軸方向の長さのうち、隔壁部５ｂに対して切欠き部５ｃを有する側の長さは一定にしておき、半導体受光素子１０側の長さが異なる複数種類のカバーモジュール５を形成する。

次に、この光給電コンバータ１の反射部７に入力されたコリメート光Ｌ２について説明する。
反射部７に入射して、円錐面６ｂの対称軸線ＳＡに光軸ＯＡを一致させて対称軸線ＳＡと平行になるように反射されたコリメート光Ｌ２は、図４のように円錐面６ｂに頂点と反対側（平面６ａ側）から入射する。円錐面６ｂに入射したコリメート光Ｌ２は、円錐面６ｂからの出射時に対称軸線ＳＡと交差するように屈折して円環状の光Ｌ３に変換される。

図５に示すように、頂角θで円錐状に広がるビームである入力光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。この光強度分布はコリメート光Ｌ２においても維持されるので、光軸ＯＡ上の光強度が最も高い光が円環状の光Ｌ３の外周になって内径側ほど光強度が低くなるが、円環状の光Ｌ３の周方向における光強度は等しい。尚、光強度が光軸ＯＡ上の光強度の１／ｅ^２になるところを入力光Ｌ１の最外周としている。

次に、円環状の光Ｌ３について説明する。
図４において、空気に対するアキシコンレンズ６の屈折率をｎ、円錐面６ｂへのコリメート光Ｌ２の入射角をα、円錐面６ｂからの出射角をβとする。入射角αは、アキシコンレンズ６の円錐面６ｂの頂角γによって決まり、α＝（１８０°－γ）／２である。また、円錐面６ｂの頂点から距離Ｓだけ離隔した対称軸線ＳＡに直交する平面Ｐにおける円環状の光Ｌ３の外径をＤｏ、内径をＤｉ、径方向の幅をｔとする。

円環状の光Ｌ３は、対称軸線ＳＡの方向に進行するほど外径Ｄｏと内径Ｄｉが大きくなるが、径方向の幅ｔは一定である。例えば光ファイバケーブルＯＣとコリメータレンズＣＬの間の距離を大きくすることによって、コリメート光Ｌ２のビーム径Ｄｂを大きくすると、円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉが小さくなって幅ｔが大きくなる。円環状の光Ｌ３の幅ｔは下記（１）で表され、出射角βは、スネルの法則から下記（２）式で表される。
ｔ＝（Ｄｂ／２）ｃｏｓ（β）／（ｃｏｓ（α）ｃｏｓ（β－α）） ・・・（１）
β＝ｓｉｎ^－１（ｎｓｉｎ（α）） ・・・（２）

また、平面Ｐに到達する円環状の光Ｌ３の外径Ｄｏ及び内径Ｄｉは、下記（３）、（４）式で表される。
Ｄｏ＝２Ｓｔａｎ（β－α） ・・・（３）
Ｄｉ＝Ｄｏ－２ｔ ・・・（４）

図６には、入射角α＝１０°，２０°，３０°の場合の例として、上記（１）～（４）式を用いて、コリメート光Ｌ２が円錐面６ｂに入射したときの平面Ｐまでの距離Ｓに対応する円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉが示されている。コリメート光Ｌ２のビーム径Ｄｂは、１００μｍと１５０μｍとしている。距離Ｓ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。また、コリメート光Ｌ２のビーム径Ｄｂが小さいほど円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉが大きくなる。

距離Ｓと入射角αとビーム径Ｄｂが決まると、平面Ｐにおける円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉと外径Ｄｏが決まる。円錐面６ｂにおけるコリメート光Ｌ２の全反射を防ぐために、入射角αがα＜ｓｉｎ^－１（１／ｎ）を満たすように、アキシコンレンズ６の円錐面６ｂの頂角γが設定される。

図７には、入射角αと距離Ｓをパラメータとして、ビーム径Ｄｂ＝１００，１５０μｍのコリメート光Ｌ２が円錐面６ｂに入射したときの円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉが等高線状に示されている。この図７によって入射角αと距離Ｓと内径Ｄｉの組み合わせを設定することができ、対応する外径Ｄｏを設定することができる。例えば入射角αが決まっている場合に、隣接するアキシコンレンズ６のうち受光領域１２に近いアキシコンレンズ６及びその反射部７に円環状の光Ｌ３が入射しない内径Ｄｉと距離Ｓを設定し、そのときの外径Ｄｏを設定することができる。

例えば図８のように、複数のアキシコンレンズ６は同形状且つ同サイズであり、頂角γが１３０°、直径が２００μｍ、対称軸線ＳＡ方向の長さが２００μｍ、この軸線方向における反射部７の長さが１８０μｍである。距離Ｓに相当するのは、半導体受光素子１０の受光領域１２とこれに隣接するアキシコンレンズ６との間の間隔、及び隣接するアキシコンレンズ６間の間隔である。これらの間隔を受光領域１２に近い方から順にＳ１，Ｓ２，Ｓ３とする。

円環状の光Ｌ３が他のアキシコンレンズ６及びその反射部７に入射しないように、例えばＳ１＝４００，Ｓ２＝７００，Ｓ３＝８００μｍに設定することによって、複数の円環状の光Ｌ３の全部を受光領域１２に入射させることができる。このとき、これらアキシコンレンズ６を有する複数のカバーモジュール５の軸方向の長さを基台２側から順にＨ１，Ｈ２，Ｈ３とすると、例えばＨ１＝６００，Ｈ２＝９００，Ｈ３＝１０００μｍになる。

図８では、ビーム径Ｄｂ＝１００μｍの複数のコリメート光Ｌ２が、対応する反射部７を有するアキシコンレンズ６によって複数の円環状の光Ｌ３に変換される。隣接するアキシコンレンズ６のうち、受光領域１２に近い一方のアキシコンレンズ６を避けて、受光領域１２から遠い他方のアキシコンレンズ６から円環状の光Ｌ３が、一方のアキシコンレンズ６が固定された隔壁部５ｂに入射する。隔壁部５ｂを透過した円環状の光Ｌ３は、最終的に受光領域１２に入射する。半導体受光素子１０に隣接するアキシコンレンズ６からの円環状の光Ｌ３は、受光領域１２に直接入射する。尚、隔壁部５ｂにおいて円環状の光Ｌ３が屈折するので、受光領域１２に入射する円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉと外径Ｄｏが小さくなるが、無視してよい程度なので図示を省略している。

図８の受光領域１２に入射する円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉと外径Ｄｏの組み合わせ（Ｄｉ，Ｄｏ）は、隔壁部５ｂにおける屈折を無視すると、例えば小さい方から順に（９２，１８２）［μｍ］、（５０１，５９０）［μｍ］、（９５５，１０４４）［μｍ］になる。従って、受光領域１２には、複数の円環状の光Ｌ３が互いに重ならずに同心状に入射するので、複数の光ファイバケーブルＯＣから入力される複数のコリメート光Ｌ２を集中させずに受光領域１２に入射させることができる。

複数のアキシコンレンズ６の頂角γが異なる場合、複数の円環状の光Ｌ３の進行方向が変わるが、受光領域１２に複数の円環状の光Ｌ３を互いに重ならずに同心状に入射させることができる。例えば図９のように、２番目に受光領域１２に近いアキシコンレンズ６の頂角γ’を１４０°とし、このアキシコンレンズ６を図８の位置から１００μｍだけ対称軸線ＳＡの方向に半導体受光素子１０から離隔させる。これ以外のアキシコンレンズ６は図８と同等である。このときＳ１＝４００，Ｓ２＝８００，Ｓ３＝７００μｍに設定され、複数のカバーモジュール５の軸方向の長さは、基台２側から順にＨ１＝６００，Ｈ２＝１０００，Ｈ３＝９００μｍになる。

一方、半導体受光素子１０から最も遠いアキシコンレンズ６には、反射部７が装備されずに省略されている。この場合、反射部７がないアキシコンレンズ６の平面６ａから光軸ＯＡを対称軸線ＳＡに一致させてコリメート光Ｌ２を入射させるために、このアキシコンレンズ６に対応する光ファイバケーブルＯＣとコリメータレンズＣＬをカバーモジュール５の軸方向に配設する。

ビーム径Ｄｂ＝１００μｍのコリメート光Ｌ２が、頂角γ’が１４０°のアキシコンレンズ６によって変換された円環状の光Ｌ３は、隔壁部５ｂによる屈折を無視すると、受光領域１２に入射したときの内径Ｄｉは３８６μｍ、外径Ｄｏは４８０μｍである。このアキシコンレンズ６から出射される円環状の光Ｌ３の広がりが図８と比べて小さくなるが、これ以外の円環状の光Ｌ３は図８と同等である。そして、隣接するアキシコンレンズ６のうち、半導体受光素子１０から遠い方から出射される円環状の光Ｌ３は、近い方のアキシコンレンズ６及びその反射部７によって遮られることなく、受光領域１２に入射する。

受光領域１２には、複数の円環状の光Ｌ３が互いに重ならずに同心状に入射するので、複数の光ファイバケーブルＯＣから入力される複数のコリメート光Ｌ２を集中させずに受光領域１２に入射させることができる。また、隣接するアキシコンレンズ６間の間隔の調整、又は反射部７の省略によって、複数の光ファイバケーブルＯＣの配設が容易になる場合がある。図示を省略するが、複数のアキシコンレンズ６間の間隔を縮小するように複数のアキシコンレンズ６の頂角を調整して、光給電コンバータ１を小型化することも可能である。

受光領域１２は、例えば光吸収層を備えた単一のＰＩＮ型フォトダイオードである。複数の円環状の光Ｌ３が受光領域１２で光電変換されるので、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１０、図１１に示すように、この受光領域１２の中心Ｃに対して放射状に延びる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７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、円環状の光Ｌ３が全て受光領域１２に入射できればよく、受光領域１２が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。

アイソレーション溝１３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、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、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。保護膜２４は光の反射防止機能を備えていることが好ましいが、図示外の反射防止膜をさらに形成してもよい。

各フォトダイオード１４において、ｐ型半導体層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、ｐ型半導体層２３及び接続孔１７底部でｎ型半導体層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ｐ型半導体層２３と他方の露出したｎ型半導体層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、ｐ型半導体層２３に接続するアノード電極とｎ型半導体層２１に接続するカソード電極が形成され、上記と同様に隣り合うフォトダイオード１４間で一方のアノード電極と他方のカソード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、一方のアノード電極と他方のカソード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、円環状の光Ｌ３なので、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。この円環状の光Ｌ３は、光強度が周方向において等しいので、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。

複数のアキシコンレンズ６の間隔が異なる場合、これらの間隔に対応する複数種類のカバーモジュール５が必要である。また、これら複数種類のカバーモジュール５を、順番を間違えずに重ねる必要があるので、光給電コンバータ１の製造コストが上昇してしまう。そこで、１種類のカバーモジュール５を重ねるように、上記実施例１の光給電コンバータ１を部分的に変更した例について図１２に基づいて説明する。上記と共通する部分には上記と同じ符号を付して説明を省略する。

複数のアキシコンレンズ６は、その反射部７を含めて同形状且つ同サイズである。例えば複数のアキシコンレンズ６の頂角γは全て１２８°であり、これらのアキシコンレンズ６の反射部７は直角プリズムである。また、複数のカバーモジュール５は、同形状且つ同サイズに形成されている。例えば同じ大きさの矩形の周壁部５ａの軸方向の長さＨは全て９００μｍであり、切欠き部５ｃの形成位置も揃えられている。アキシコンレンズ６は、軸方向において切欠き部５ｃが形成されている側の周壁部５ａの一端から他端側に例えば２００μｍの位置にその平面６ａが位置するように隔壁部５ｂに固定され、この平面６ａに装備された反射部７が周壁部５ａ内に収容されている。

このような複数のカバーモジュール５を重ねることによって、複数のアキシコンレンズ６が等ピッチ（９００μｍピッチ）で配設され、隣接するアキシコンレンズ６の間の間隔（Ｓ２，Ｓ３）が夫々例えば７００μｍの等間隔になる。また、基台２に形成された凹部２ａ内に、半導体受光素子１０が固定される。このとき、基台２の表面からその裏面側に２００μｍだけ後退した位置に、受光領域１２の表面が位置する。この基台２にカバーモジュール５を取付けることによって、半導体受光素子１０とこの半導体受光素子１０に隣接するアキシコンレンズ６の間隔（Ｓ１）が、隣接するアキシコンレンズ６間の間隔（Ｓ２，Ｓ３）と等しい７００μｍになり、間隔Ｓ１～Ｓ３が等間隔になる。

このとき、ビーム径Ｄｂ＝１００μｍの複数のコリメート光Ｌ２が複数の円環状の光Ｌ３に変換されて受光領域１２に夫々入射する。受光領域１２に入射する円環状の光Ｌ３の内径Ｄｉと外径Ｄｏの組み合わせ（Ｄｉ，Ｄｏ）は、隔壁部５ｂにおける屈折を無視すると小さい方から順に（２４７，３３５）［μｍ］、（６７８，７６６）［μｍ］、（１１０９，１１９７）［μｍ］になる。

アキシコンレンズ６から出射される円環状の光Ｌ３は、受光領域１２側に反射部７を備えた他のアキシコンレンズ６があっても、他のアキシコンレンズ６及びその反射部７を避けて隔壁部５ｂに入射して、隔壁部５ｂを透過する。そして、最終的に複数の円環状の光Ｌ３が互いに重ならずに同心状に受光領域１２に入射するので、複数の光ファイバケーブルＯＣから入力される複数のコリメート光Ｌ２を集中させずに受光領域１２に入射させることができる。また、光ファイバケーブルＯＣの増加に対してカバーモジュール５を増加させて容易に対応することができる。尚、図示を省略するが、アキシコンレンズ６の頂角を異ならせた場合でも、複数の円環状の光Ｌ３が互いに重ならずに同心状に受光領域１２入射するように構成可能である。

また、図１０、図１１のように、受光領域１２が、その中心Ｃに対して周方向に等分され、直列に接続された複数のフォトダイオード１４によって形成されている場合には、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。

上記光給電コンバータ１の作用、効果について説明する。
光給電コンバータ１は、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コリメート光Ｌ２から光電流を生成して給電する。この光給電コンバータ１は、円錐面６ｂを有する複数のアキシコンレンズ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を備えている。複数のアキシコンレンズ６は、対応するコリメート光Ｌ２の光軸を円錐面６ｂの対称軸線ＳＡに一致させて円錐面６ｂに頂点と反対側から入射させるための反射部７を夫々備えている。そして、対称軸線ＳＡが受光領域１２に対して垂直にこの受光領域１２の中心Ｃを通るように円錐面６ｂを受光領域１２に向けて同一の対称軸線ＳＡ上に間隔を空けて配設されている。

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コリメート光Ｌ２は、対応する反射部７を介してアキシコンレンズ６の円錐面６ｂに頂点と反対側から夫々入射する。各アキシコンレンズ６に入射したコリメート光Ｌ２は、円環状の光Ｌ３に変換して出射される。そして、複数のアキシコンレンズ６が円錐面６ｂを半導体受光素子１０の受光領域１２に向けて対称軸線ＳＡ上に間隔を空けて配設されているので、複数のアキシコンレンズ６から出射された円環状の光Ｌ３は、受光領域１２に同心状に入射する。従って、複数の光ファイバケーブルＯＣから入力される複数のコリメート光Ｌ２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の受光領域１２に入射させることができる。

複数のアキシコンレンズ６の円錐面６ｂの頂角γが互いに等しい場合には、複数のアキシコンレンズ６を同一種類にすることができるので、光給電コンバータ１の形成が容易になり、製造コストを低減することができる。また、アキシコンレンズ６の反射部７がコリメート光Ｌ２を直角に反射するので、複数のアキシコンレンズ６が並ぶ方向に対して垂直方向から複数のコリメート光Ｌ２を入射させることができる。従って、複数のコリメート光Ｌ２を他のアキシコンレンズ６に遮られることなく対応するアキシコンレンズ６に入射させることができるので、光給電コンバータ１の形成が容易になる。

複数のアキシコンレンズ６によって変換された複数の円環状の光Ｌ３は、互いに重ならずに受光領域１２に同心状に入射するように構成されたので、受光領域１２において光が集中せず、光強度が高くならない。

複数のアキシコンレンズ６のうちの少なくとも１つのアキシコンレンズ６において、円錐面６ｂの頂角が他のアキシコンレンズ６と異なる場合、複数の円環状の光Ｌ３の進行方向を異ならせることができる。これを利用して、円錐面６ｂの頂角に応じて複数のアキシコンレンズ６間の間隔を調整して光ファイバケーブルＯＣを配設し易くすることができる。また、半導体受光素子１０から最も遠いアキシコンレンズ６が反射部７を備えていない場合には、１つの反射部７が省略されたので、光給電コンバータ１の製造コストを低減することができる。

隣接するアキシコンレンズ６が等間隔で配設される場合には、この間隔を決めるカバーモジュール５が１種類になり、このカバーモジュール５を複数個重ねることによってカバー４を形成することができる。従って、光給電コンバータ１の形成が容易になり、光給電コンバータ１の製造コストを低減することができる。その上、複数のアキシコンレンズ６が同形状且つ同サイズであれば、光ファイバケーブルＯＣを増加させる場合に、カバーモジュール５を追加して容易に対応させることができる。

受光領域１２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が直列に接続された場合には、出力電圧を高くすることができる。また、円環状の光Ｌ３なので、複数のアイソレーション溝１３が密集する受光領域１２の中心Ｃ近傍の光電流を生成できない領域Ｉに入射しないようにして、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。その上、円環状の光Ｌ３は周方向における光強度が等しいので、複数の円環状の光Ｌ３を受光領域１２に同心状に入射させ、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光給電コンバータ１の出力を向上させることができる。

半導体受光素子１０は裏面入射型であってもよい。半導体受光素子１０とこれに隣接するアキシコンレンズ６の間の間隔Ｓ１をカバーモジュール５の周壁部５ａの軸方向の長さＨ１によって決めることができるので、基台２は平板状であってもよい。円環状の光Ｌ３は周方向に広がって光強度が低くなるため、径方向において他の円環状の光Ｌ３と重なっても光強度が高くなり過ぎることがないので、複数の円環状の光Ｌ３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
４ ：カバー
５ ：カバーモジュール
６ ：アキシコンレンズ
６ａ ：平面
６ｂ ：円錐面
７ ：反射部
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
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 ：ｎ型半導体層
２２ ：光吸収層
２３ ：ｐ型半導体層
２４ ：保護膜
２５ ：導電性部材
ＣＬ ：コリメータレンズ
Ｌ１ ：入力光
Ｌ２ ：コリメート光
Ｌ３ ：円環状の光
ＯＡ ：光軸
ＯＣ ：光ファイバケーブル
ＳＡ ：対称軸線

Claims (8)

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コリメート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、
   円錐面を有する複数のアキシコンレンズと、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、
   複数の前記アキシコンレンズは、対応する前記コリメート光を、その光軸と前記円錐面の対称軸線とを一致させて前記円錐面に頂点と反対側から入射させるための反射部を夫々備え、且つ前記対称軸線が前記受光領域に対して垂直にこの受光領域の中心を通るように前記円錐面を前記受光領域に向けて前記対称軸線上に間隔を空けて配設され、
   前記反射部を介して前記円錐面に入射した前記コリメート光が円環状の光に変換され、複数の前記アキシコンレンズで変換された複数の円環状の光が前記受光領域に同心状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. 複数の前記アキシコンレンズは、前記円錐面の頂角が互いに等しい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. 前記反射部は、前記コリメート光を直角に反射することを特徴とする請求項１に記載の光給電コンバータ。
4. 複数の前記アキシコンレンズによって変換された複数の円環状の光は、互いに重ならずに前記受光領域に同心状に入射するように構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。
5. 複数の前記アキシコンレンズのうちの少なくとも１つは、前記円錐面の頂角が他の前記アキシコンレンズと異なることを特徴とする請求項１に記載の光給電コンバータ。
6. 前記半導体受光素子から最も遠い前記アキシコンレンズは、前記反射部を備えていないことを特徴とする請求項１に記載の光給電コンバータ。
7. 複数の前記アキシコンレンズが等間隔に配設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。
8. 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１に記載の光給電コンバータ。

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