JP7178154B1 - optical power converter - Google Patents

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Abstract

【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。Kind Code: A1 A circular light receiving part is equally divided radially about the center of a semiconductor light receiving element and is connected in series. To provide an optical feeding converter that can be incident. An optical power supply converter (1) for converting light (L1) input via an optical fiber cable into a photocurrent by a semiconductor light receiving element (10) and outputting the light, the semiconductor light receiving element (10) includes a semiconductor Light is incident on the circular light receiving portion 12 on the first surface 20a side of the substrate 20 from the second surface 20b side of the substrate 20, and the circular light receiving portion 12 is located at the center (C). a plurality of photodiodes (14) equally divided by a plurality of linear isolation grooves (13) extending from and connected in series; Corresponding to the portion (12), a conical recess (16) having a smaller diameter toward the first surface (20a) is formed. (14) was configured so that an equal amount of light was incident on each of them.

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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical power supply converter that converts light input via an optical fiber cable into electric power and supplies power.

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。 In special environments, such as remote locations without power supply facilities, environments where weak electromagnetic fields from power supply become noise, environments requiring explosion protection, and ultra-high voltage facilities with electrical mutual influence, electronic devices can be connected via power cables. may not be able to supply power to operate Therefore, an optical power supply converter is used that receives light transmitted through an optical fiber cable to the vicinity of electronic equipment, generates a photocurrent through photoelectric conversion, and supplies power.

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。 The optical feeding converter has a semiconductor photodetector for photoelectric conversion. The output voltage of this semiconductor photodetector is usually less than 1V. 2. Description of the Related Art When a device that receives power from an optical power supply converter requires a high input voltage, an optical power supply converter with a high output voltage is used. For example, as in Patent Document 1, it is possible to increase the output voltage by dividing a circular light-receiving portion of a semiconductor light-receiving element into a plurality of fan-shaped photodiodes by isolation grooves and connecting these in series.

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。 The output voltage of a semiconductor light-receiving element composed of a plurality of photodiodes divided and connected in series increases as the number of photodiodes increases. On the other hand, its output current becomes smaller than when it is not divided, and becomes smaller as the number of divisions increases. Moreover, this output current is limited by the photodiode that produces the minimum photocurrent from photoelectric conversion. Therefore, in order to make the photocurrents of the plurality of photodiodes equal to each other, the circular light receiving portion is equally divided so that the plurality of photodiodes have the same shape and the same area.

米国特許第5342451号明細書U.S. Pat. No. 5,342,451

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。 In Patent Document 1, in order to divide the circular light-receiving portion into the same shape and the same area, a plurality of linear isolation grooves having a constant width are radially formed from the center of the circular light-receiving portion. A plurality of isolation grooves are concentrated near the center of the circular light receiving portion. As the number of divisions of the circular light receiving portion increases, that is, the number of isolation grooves increases, the adjacent isolation grooves become closer, and the plurality of isolation grooves extend in the width direction (circumferential direction) at positions separated from the center of the circular light receiving portion. become connected.

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。 In this way, a plurality of isolation grooves are connected in the circumferential direction to form a regular polygonal region having a side equal to the width of the isolation groove near the center of the circular light receiving portion. Since photoelectric conversion cannot be performed in the isolation groove, this regular polygonal region is an ineffective region in which photocurrent cannot be generated. This invalid area increases as the number of divisions of the circular light receiving section increases.

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。 Here, the light intensity distribution of incident light input via an optical fiber cable is generally a Gaussian distribution, and the light intensity decreases as the distance from the optical axis increases. is the light intensity distribution of In order to make this light equally incident on the circular light-receiving part which is equally divided so as to have the same shape and the same area, the light is directed so that the optical axis passes through the center of the circular light-receiving part perpendicularly to the circular light-receiving part. is incident.

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。 However, the high-intensity portion of the incident light near the optical axis irradiates the ineffective region formed near the center of the circular light-receiving part, and is wasted without being converted into photocurrent. Can not do it.

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。 Therefore, the present invention reduces wasted light among the light input through an optical fiber cable to a semiconductor light receiving element in which a circular light receiving portion is equally divided radially about the center and connected in series. It is an object of the present invention to provide an optical power feeding converter capable of allowing light to be incident evenly.

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。 According to the first aspect of the present invention, there is provided an optical power supply converter in which light input via an optical fiber cable is converted into a photocurrent by a semiconductor light receiving element and output, wherein the semiconductor light receiving element is a first photocurrent on a semiconductor substrate. A back-illuminated light-receiving element that allows light to enter the circular light-receiving portion from the second surface side of the semiconductor substrate opposite to the first surface, with respect to the circular light-receiving portion formed on the surface side for generating a photocurrent. and the circular light receiving portion is divided by a plurality of linear isolation grooves extending from the center of the circular light receiving portion so that the light receiving areas are equal to each other, and is connected in series by a plurality of conductive members. and on the second surface side of the semiconductor substrate, a conical recess in which the semiconductor substrate is recessed in a conical shape whose diameter decreases toward the first surface side is formed along the axis of symmetry of the conical recess. is formed so as to pass through the center of the circular light receiving portion, and the light incident from the second surface side is converted into an annular shape by the conical concave portion, and is equal to each of the plurality of photodiodes of the circular light receiving portion. It is characterized in that it is configured so that the amount of light is incident.

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。 According to the above configuration, the light that is input via the optical fiber cable is converted into an annular shape by the conical recess and enters the plurality of photodiodes evenly, thereby reducing variations in the output of the plurality of photodiodes. be able to. In addition, since it is possible to prevent annular light from entering the vicinity of the center of the circular light-receiving portion where a plurality of isolation grooves that do not generate photocurrent are concentrated, light that is wasted without being photoelectrically converted. can be reduced. Therefore, the photocurrent of the semiconductor light receiving element having a circular light receiving portion formed by connecting a plurality of photodiodes in series can be increased, and the power supplied by the optical power supply converter can be increased.

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。
According to a second aspect of the invention, there is provided an optical power supply converter according to the first aspect of the invention, further comprising a collimator lens for converting the light input through the optical fiber cable into parallel light and making the light incident on the conical concave portion. Characterized by
According to the above configuration, the collimator lens converts the light traveling while expanding in a conical shape into parallel light, so that the incident angle to the conical concave portion can be made constant. Therefore, it is possible to easily set the distance between the optical fiber cable and the collimator lens so that the beam diameter of the parallel light matches the diameter of the circular light receiving portion so that the input light does not protrude from the circular light receiving portion. can. Therefore, all of the input light can be made incident on the circular light-receiving portion, so that the photocurrent of the semiconductor light-receiving element can be increased, and the power supplied by the optical power supply converter can be increased.

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。
According to a third aspect of the present invention, there is provided an optical power supply converter according to the first or second aspect of the invention, wherein the conical concave portion emits light incident on the conical concave portion with an outer diameter equal to or less than the diameter of the circular light receiving portion and the plurality of is formed so as to be converted into an annular ring having an inner diameter larger than the outer diameter of the invalid region formed continuously in the circumferential direction of the circular light receiving portion.
According to the above configuration, all of the annular light converted by the conical concave portion enters the circular light receiving portion while avoiding the ineffective region formed near the center of the circular light receiving portion where photocurrent cannot be generated. Therefore, by causing all of the light input via the optical fiber cable to enter the conical concave portion, the light can be used without waste and the power supplied by the optical power supply converter can be increased.

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。 According to the optical power supply converter of the present invention, of the light input through the optical fiber cable to the semiconductor light receiving element in which the circular light receiving part is equally divided radially about the center and connected in series, It is possible to reduce the amount of light that is different and make it enter evenly.

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。1 is a perspective view of an optical power supply converter according to Example 1 of the present invention; FIG. 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。FIG. 2 is an explanatory diagram of light incident on a semiconductor light-receiving element included in the optical power supply converter of FIG. 1; 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。3 is a plan view showing a circular light receiving portion of the semiconductor light receiving element of FIG. 2; FIG. 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。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the semiconductor light receiving element of FIG. 3 fixed to a base; 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。4 is a light intensity distribution diagram of light input via an optical fiber cable; FIG. 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。FIG. 4 is an explanatory diagram of light incident on a semiconductor light receiving element and converted into an annular shape in a cross section taken along the line VI-VI of FIG. 3; 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。4 is a graph showing contour lines of the inner diameter of an annular light with parameters being the angle of incidence of parallel light onto the conical surface of the conical recess and the distance from the apex of the conical recess to the center of the circular light receiving portion. 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。FIG. 10 is an explanatory diagram of another example of light that is incident on a semiconductor light receiving element and converted into an annular shape; 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。FIG. 10 is an explanatory diagram of an etching mask for forming a conical concave portion; 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。It is explanatory drawing which forms a conical recessed part by an etching. 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。FIG. 10 is an explanatory diagram of light incident on the semiconductor light receiving element of the optical feeding converter according to the second embodiment of the present invention and converted into an annular shape; 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。FIG. 12 is an explanatory diagram of another example of light that is incident on the semiconductor light receiving element of the optical power feeding converter according to the second embodiment and converted into an annular shape;

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。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated based on an Example.

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。 As shown in FIGS. 1 and 2, the optical power supply converter 1 converts light (incident light L1) input via, for example, a single-mode optical fiber cable OC into a photocurrent and feeds it to the outside. It has a pair of output terminal portions 2a and 2b. A base 3 equipped with a pair of output terminals 2a and 2b is provided with a semiconductor light receiving element 10 for generating a photocurrent by photoelectric conversion from received light, and a semiconductor light receiving element 10 for protecting and shielding the semiconductor light receiving element 10. are fixed respectively. The semiconductor light receiving element 10 is connected to corresponding output terminal portions 2a and 2b via wiring portions 3a and 3b in order to output the generated photocurrent.

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。 The incident light L1 input through the optical fiber cable OC is infrared light with a wavelength of about 1.5 μm, for example. The incident light L1 is a conical beam whose irradiation range widens as it travels after being emitted from the emission end E of the optical fiber cable OC.

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。 The cover 5 has a collimator lens 6 made of optical glass with a refractive index of 1.45, for example, as an optical system through which the incident light L1 passes. The collimator lens 6 converts the incident light L1 into parallel light L2 and causes the light to enter the semiconductor light receiving element 10 . The semiconductor light-receiving element 10 is a back-illuminated light-receiving element that has a circular light-receiving portion 12 that performs photoelectric conversion and receives light from the side opposite to the side on which the circular light-receiving portion 12 is formed.

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。 The cover 5 is fixed to the base 3 so that the optical axis 6 a of the collimator lens 6 is perpendicular to the circular light receiving portion 12 of the semiconductor light receiving element 10 and passes through the center C of the circular light receiving portion 12 . The optical fiber cable OC is inserted into the insertion hole 5a of the cover 5 and fixed so that the output end E thereof is separated from the collimator lens 6 by a predetermined distance. At this time, the output end E is positioned such that the optical axis OA of the incident light L1 coincides with the optical axis 6a of the collimator lens 6. FIG.

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。 As shown in FIGS. 3 and 4, the circular light-receiving section 12 is formed by, for example, a circular PIN-type photodiode provided with a light absorption layer, and is shaped by a plurality of linear isolation grooves 13 radially extending from the center C thereof. and equally divided into a plurality of fan-shaped photodiodes 14 having the same area. Here, a circular light receiving portion 12 is equally divided into 30 photodiodes 14 by 30 isolation grooves 13 .

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。 A plurality of linear isolation grooves 13 are radially formed with a constant width from the center C of the circular light receiving portion 12 so as to form a plurality of fan-shaped photodiodes 14 having the same shape and light receiving area. An annular isolation groove 15 is formed along the outer periphery of the circular light receiving portion 12 , and a plurality of linear isolation grooves 13 are connected by the annular isolation groove 15 . A plurality of photodiodes 14 electrically isolated by a plurality of isolation grooves 13 are connected in series by a conductive member 4 formed on the base 3 to form a circular light receiving portion 12 . The diameter of this circular light receiving portion 12 is assumed to be D1.

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。 In this way, a plurality of fan-shaped photodiodes 14 having the same shape and light-receiving area are formed so as to surround the center C in the circular light-receiving section 12 . Since a photocurrent cannot be generated in the isolation groove 13, it is preferable to reduce the width of the isolation groove 13 and form it linearly so that the area of the isolation groove 13 in the area of the circular light receiving portion 12 is reduced. 3, the reference numerals of the isolation groove 13 and the photodiode 14 are partially omitted.

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。 A plurality of linear isolation grooves 13 are concentrated in the vicinity of the center C of the circular light receiving portion 12 . Therefore, the adjacent isolation grooves 13 are closer to the center C side, and the plurality of isolation grooves 13 are connected in the width direction at positions separated from the center C. As shown in FIG. As a result, a plurality of isolation grooves 13 are connected in the circumferential direction of the circular light-receiving portion 12, and a regular polygonal region having sides equal to the width of the isolation grooves 13 is formed in the vicinity of the center C. FIG. Since photoelectric conversion cannot be performed in the isolation groove 13, this regular polygonal region is an ineffective region I in which a photocurrent cannot be generated. The invalid area I increases as the number of divisions of the circular light receiving section 12 increases. The outer diameter of this invalid area I is assumed to be D2.

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。 The photodiode 14 has an n-type semiconductor layer 21 , a light absorption layer 22 and a p-type semiconductor layer 23 laminated on a first surface 20 a of a semi-insulating semiconductor substrate 20 . The semiconductor substrate 20 is, for example, an InP substrate, the n-type semiconductor layer 21 is, for example, an n-InP layer, the light absorption layer 22 is, for example, an InGaAs layer, and the p-type semiconductor layer 23 is, for example, a p-InP layer. It is not limited to this. Also, the photodiode 14 is not limited to the PIN type. The thicknesses of the n-type semiconductor layer 21, the light absorption layer 22, and the p-type semiconductor layer 23 can be appropriately set, and are often formed to a thickness of about 0.5 to 10 μm.

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。 The isolation grooves 13 and 15 are formed by etching the semiconductor substrate 20 in which the n-type semiconductor layer 21, the light absorption layer 22 and the p-type semiconductor layer 23 are laminated from the p-type semiconductor layer 23 side so that the semiconductor substrate 20 is exposed. formed by Thereby, the circular light receiving portion 12 is divided into a plurality of electrically separated photodiodes 14 . The sidewalls of the isolation grooves 13 and 15 may be inclined so that the width of the isolation grooves 13 and 15 becomes narrower toward the semiconductor substrate 20, for example.

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。 The plurality of photodiodes 14 each have a connection hole 17 that penetrates the p-type semiconductor layer 23 and the light absorption layer 22 and reaches the n-type semiconductor layer 21 . An insulating protective film 24 is formed so as to cover the surfaces of the plurality of photodiodes 14 and the sidewalls of the connection holes 17 of these photodiodes 14 . The protective film 24 covers the inner walls and bottoms of the plurality of linear isolation trenches 13 and annular isolation trenches 15 .

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。 Each photodiode 14 has an anode electrode 27 connected to the p-type semiconductor layer 23 exposed by partially removing the protective film 24 on the p-type semiconductor layer 23, and the protective film 24 at the bottom of the connection hole 17 is removed. It has a cathode electrode 28 connected to the exposed n-type semiconductor layer 21 . The anode electrode 27 and cathode electrode 28 are 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.

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。 One anode electrode 27 and the other cathode electrode 28 of the adjacent photodiodes 14 are connected by the conductive member 4 of the base 3 via the conductive paste 8, thereby forming a plurality of circular light receiving portions 12. of photodiodes 14 are connected in series. Although illustration is omitted, instead of the conductive member 4, a plurality of photodiodes 14 may be connected in series by a conductive wire containing gold as a main component, for example, and selectively formed on the protective film 24. A plurality of photodiodes 14 may be connected in series by a plurality of wirings.

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。 Since the circular light receiving portion 12 is formed by a plurality of fan-shaped photodiodes 14 connected in series, the photocurrent output from the semiconductor light receiving element 10 is small, but the output voltage can be increased. Therefore, the optical power supply converter 1, which includes the semiconductor light receiving element 10 and photoelectrically converts the incident light L1 input via the optical fiber cable OC to supply power, can supply power at a high voltage.

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になるところを入射光L1の最外周としている。As shown in FIGS. 2 and 5, the incident light L1 emitted from the emission end E of the optical fiber cable OC travels while expanding in a conical shape with an apex angle θ (full angle) of 14°, for example. The light intensity distribution of this incident light L1 becomes a Gaussian distribution on a plane P perpendicular to the optical axis OA, 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. become. The outermost periphery of the incident light L1 is defined as the point where the light intensity becomes 1 /e2 of the light intensity on the optical axis OA.

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。 As shown in FIG. 6, when the incident light L1 is incident on the collimator lens 6, the optical axis OA of the incident light L1 is aligned with the optical axis 6a of the collimator lens 6. As shown in FIG. The collimator lens 6 converts the incident light L 1 into parallel light L 2 and causes the collimated light L 2 to enter the back-illuminated semiconductor light receiving element 10 . The light intensity distribution of the parallel light L2 maintains the light intensity distribution when the incident light L1 enters the collimator lens 6. FIG.

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。 The semiconductor light-receiving element 10 is arranged on the second surface 20b side (rear surface side) of the semiconductor substrate 20 facing the first surface 20a of the semiconductor substrate 20 on which the circular light-receiving portion 12 is formed, so that the diameter of the semiconductor light-receiving element 10 decreases toward the first surface 20a side. has a conical recess 16 formed by recessing the semiconductor substrate 20 in a conical shape. The conical recess 16 is formed so that the extension line (symmetry axis) of the axis of symmetry 16 a of the conical recess 16 is perpendicular to the circular light receiving section 12 and passes through the center C of the circular light receiving section 12 . The optical axis 6 a of the collimator lens 6 is positioned so as to pass through the center C of the circular light receiving portion 12 , so it coincides with the axis of symmetry of the conical concave portion 16 . Since the optical axis OA of the incident light L1 is aligned with the optical axis 6a of the collimator lens 6, the optical axis OA becomes the optical axis of the parallel light L2, and the optical axis OA is aligned with the symmetry axis of the conical concave portion 16. .

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。 The parallel light L2 incident on the conical surface 16b of the conical concave portion 16 is refracted away from the optical axis OA and converted into an annular light L3. Let Db be the beam diameter of the parallel light L2 converted by the collimator lens 6 . Let Do be the outer diameter and Di be the inner diameter of the annular light L3 incident on the circular light receiving portion 12 separated by the distance T from the apex of the conical recess 16 .

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。
Assuming that the inclination angle of the conical surface 16b of the conical concave portion 16 (the angle formed by the conical bottom surface and the generatrix) is α, the incident angle of the parallel light L2 to the conical surface 16b is α. Assuming that the refractive index of the semiconductor substrate 20 with respect to air is n, and the output angle of the parallel light L2 incident on the conical surface 16b is β, the following equation (1) holds from Snell's law.
β=sin −1 ((sin(α))/n) (1)
In the following explanation, n=3.2, but the refractive index n is not limited to this.

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)
Assuming that the beam width in the radial direction when the annular light L3 converted by the conical concave portion 16 is incident on the circular light receiving portion 12 is t, this beam width is expressed by the following equation (2).
t=(Db/2)×(cos(β)/(cos(α)×cos(α−β)) (2)

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)
The inner diameter Di and the outer diameter Do of the annular light L3 are given by the following equations (3) and (4).
Di=2×T×tan(α−β) (3)
Do=Di+2×t (4)

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。 FIG. 7 shows contour lines of the inner diameter Di of the annular light L3 with the incident angle α and the distance T as parameters. If the incident angle α is constant, the inner diameter Di increases as the distance T increases. On the other hand, if the distance T is constant, the inner diameter Di increases as the incident angle α increases. Although it depends on the type of semiconductor substrate, the thickness of the semiconductor substrate 20 is usually about 700 μm, and the distance T cannot be made greater than the thickness of the semiconductor substrate 20 .

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。 By using FIG. 7 and the above formulas (1) to (4), for example, when the inner diameter Di of the annular light L3 is set to a desired size, the shape and size of the conical recess 16 and the parallel light A beam diameter Db of L2 can be set. Then, the distance between the optical fiber cable OC and the collimator lens 6 in the cover 5 can be set.

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。 Regarding the case where the inner diameter Di of the annular light L3 is set larger than the outer diameter D2 of the ineffective region I in order to reduce the waste of light input due to the light incident on the ineffective region I near the center C of the circular light receiving section 12. explain. Assuming that the width of the isolation groove 13 is 10 μm and the number of the photodiodes 14 is 30, the ineffective area I is a regular tridecagon with a side of 10 μm, so the length of the outer circumference is 300 μm. less than 100 μm.

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。 If the inner diameter Di of the annular light L3 is set to 100 μm, for example, the incident angle α is 20° and the distance T is 470 μm from FIG. 1 degree. At this time, the diameter of the conical recess 16 on the second surface 20b of the semiconductor substrate 20 is 1264 μm, and the depth of the conical recess 16 is 230 μm. Assuming that the outer diameter Do of the annular light L3 is 1200 μm so that all of the parallel light L2 enters the circular light receiving portion 12 having a diameter D1 of 1200 μm, for example, through the conical concave portion 16, the beam diameter Db of the parallel light L2 is becomes 1108 μm. As the predetermined distance, the distance between the collimator lens 6 and the output end E of the optical fiber cable OC is determined to be 4513 μm.

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。 Since the outer diameter Do of the annular light L3 may be smaller than the diameter D1 of the circular light receiving portion 12, the distance between the collimator lens 6 and the output end E of the optical fiber cable OC is adjusted so that the beam diameter Db of the parallel light L2 becomes small. , the optical power supply converter 1 can be miniaturized. Even if the distance between the collimator lens 6 and the output end E of the optical fiber cable OC is reduced, the inner diameter Di of the annular light L3 does not change. Although the distance between the collimator lens 6 and the semiconductor light receiving element 10 can be arbitrarily set, the smaller the distance, the more advantageous it is for miniaturization of the optical power supply converter 1 .

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。 For example, as shown in FIG. 8, the portion of the parallel light L2 near the optical axis is made incident on the circular light receiving portion 12 via the conical recess 16, and the remaining portion of the parallel light L2 is converted into parallel light without passing through the conical recess 16. The light may be incident on the circular light receiving portion 12 as it is. In this case, annular light L<b>3 , which is a mixture of parallel light and light that spreads in the radial direction, is incident on the circular light receiving section 12 . At least part of the parallel light L2 that would be incident on the ineffective area I if the light remains parallel is changed in its traveling direction by the conical concave portion 16 so as to avoid the ineffective area I and be evenly incident on the circular light receiving portion 12. I wish I could. In particular, the closer to the ineffective area I, the greater the ratio of the isolation grooves 13 in the circumferential direction of the circular light-receiving section 12, and the more high-intensity light that is not photoelectrically converted. Useful when

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。 In the case of FIG. 8, similarly to the above, the incident angle α and the distance T can be set by setting the inner diameter Di of the light that enters the conical concave portion 16 and forms an annular ring. For example, if the inner diameter Di is 150 μm and the incident angle α is 30°, the distance T is 480 μm, the shape and size of the conical recess 16 are determined, and the output angle β is 9°. At this time, the conical recess 16 on the second surface 20b has a diameter of 762 μm and a depth of 220 μm. Then, the outer diameter Do of the light that enters the conical concave portion 16 and becomes an annular ring is 1081 μm.

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。 On the other hand, the beam diameter Db of the parallel light L2 can be arbitrarily set within a range larger than the diameter of the conical concave portion 16 and equal to or smaller than the diameter D1 of the circular light receiving portion 12 . The inner diameter of the annular light L3 in the circular light receiving portion 12 is either the inner diameter Di of the light that enters the conical recess 16 and becomes an annular ring or the diameter of the conical recess 16, depending on the shape and size of the conical recess 16. decided on one side. In addition, the outer diameter of the annular light L3 in the circular light receiving portion 12 depends on the shape and size of the conical concave portion 16, and the beam diameter Db of the parallel light L2 or the diameter of the light incident on the conical concave portion 16 and becoming circular. One of the diameters Do is determined.

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。
Next, a method for forming the conical concave portion 16 will be described.
For example, as shown in FIG. 9, on the second surface 20b of the semiconductor substrate 20, an etching mask layer 30 having conical recesses 30a is formed. The conical recess 30a has an axis of symmetry 30b. The etching mask layer 30 is, for example, a photoresist that is recessed in a conical shape by continuously changing the thickness according to the difference in exposure dose.

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。 Then, as shown in FIG. 10, for example, by reactive ion etching, the thinner the etching mask layer 30 is, the deeper the etching is performed to form the conical concave portion 16 reflecting the shape of the etching mask layer 30 . By aligning the axis of symmetry 30b with the center C of the circular light receiving portion 12 formed on the first surface 20a side of the semiconductor substrate 20, the axis of symmetry 16a is aligned with the center C of the circular light receiving portion 12 to form a conical concave portion. 16 are formed. The conical concave portion 16 may be formed by grinding and polishing the semiconductor substrate 20 into a conical shape with a whetstone or the like. Also, the conical recess 16 is formed on the second surface side 20b after forming the circular light receiving portion 12 on the first surface side 20a of the semiconductor substrate 20. A circular receiver 12 with C aligned may be formed.

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。
A case where the collimator lens 6 of the optical feeding converter 1 of the first embodiment is omitted will be described with reference to FIG. The same reference numerals are given to the parts that are common to the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
The semiconductor light receiving element 10 receives incident light L1 that is emitted from the output end E of the optical fiber cable OC and spreads in a conical shape with an apex angle θ. In order to prevent light from entering the ineffective area I formed near the center C of the circular light receiving portion 12, the incident light L1 is converted into an annular light L3′ by the conical concave portion 16 in the same manner as described above, and circular light is received. The light is made incident on the portion 12 .

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。 The shape and size of the conical concave portion 16 are determined by setting the inner diameter Di, the incident angle α, and the distance T of the annular light L3' in the same manner as described above with respect to the light on the optical axis OA. For example, if the inner diameter Di is 150 μm and the incident angle α is 24°, the output angle β is 7.3°, the distance T is 580 μm from FIG. become.

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。 The distance between the output end E and the semiconductor light-receiving element 10 can be set so that all of the incident light L1 enters the circular light-receiving portion 12 via the conical recess 16 . The angle of incidence of the incident light L1 on the conical surface 16b decreases with distance from the optical axis OA, and the angle of incidence of the incident light L1 on the conical surface 16b at the outermost periphery is α-(θ/2). Moreover, the output angle γ thereof is smaller than the output angle β of the light on the optical axis OA. Then, the distance between the semiconductor light receiving element 10 and the emission end E at which the outer diameter Do of the annular light L3' is equal to or less than the diameter D1 of the circular light receiving portion 12 is set as a predetermined distance.

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。 For example, when .theta.=14.degree., the maximum distance between the output end E and the semiconductor light receiving element 10 is 2195 .mu.m in order to cause all of the incident light L1 to enter the conical concave portion 16 having a diameter of 539 .mu.m. At this time, the incident light L1 whose beam diameter is equal to the diameter D1 of the conical concave portion 16 enters the conical concave portion 16, and the outer diameter Do of the annular light L3' becomes 701 μm.

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。 If the outer diameter Do is larger than the diameter D1 of the circular light receiving portion 12, the beam diameter of the incident light L1 to the conical recess 16 can be reduced by reducing the distance between the emitting end E and the semiconductor light receiving element 10. Thus, all of the incident light L1 can be made incident on the circular light receiving section 12 while avoiding the invalid area I. FIG. It is sufficient that the outer diameter Do of the annular light L3' is equal to or smaller than the diameter D1 of the circular light receiving portion 12. FIG. Even if the distance between the emitting end E and the semiconductor light receiving element 10 is changed, the inner diameter Di of the annular light L3' does not change.

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。 On the other hand, as shown in FIG. 12, the portion of the incident light L1 near the optical axis OA enters the circular light receiving portion 12 via the conical recess 16, and the remaining outer peripheral portion of the incident light L1 passes through the conical recess 16. Alternatively, the light may be incident on the circular light receiving portion 12 without the light. In this case, annular light L<b>3 ′ in which light that spreads in different ways in the radial direction is mixed enters the circular light receiving section 12 .

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。 At least a portion of the incident light L1 incident on the ineffective area I should be able to uniformly enter the circular light receiving section 12 while avoiding the ineffective area I by changing the direction of travel by the conical recess 16 . In particular, the closer to the ineffective area I, the greater the ratio of the isolation grooves 13 in the circumferential direction of the circular light-receiving section 12, and the more high-intensity light that is not photoelectrically converted. Useful for enlarging.

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。
The operation and effects of the optical power supply converter 1 will be described.
The incident light L1 input to the optical power supply converter 1 via the optical fiber cable OC is converted into annular light L3, L3' by the conical concave portion 16 formed in the semiconductor light receiving element 10, and the circular light receiving portion 12 An equal amount of light is incident on the plurality of equally divided photodiodes 14 . Therefore, variations in the outputs of the photodiodes 14 can be reduced. In addition, since the annular lights L3 and L3′ do not enter the vicinity of the center C of the circular light receiving portion 12 where the plurality of isolation grooves 13 that do not generate photocurrent are concentrated, photoelectric conversion of the incident light L1 is performed. It is possible to reduce the amount of light that would otherwise be wasted. Therefore, the photocurrent of the semiconductor light receiving element 10 having the circular light receiving portion 12 formed by connecting a plurality of photodiodes 14 in series can be increased, and the power supplied by the optical power supply converter 1 can be increased. .

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。 Further, when the incident light L1, which travels while spreading out in a conical shape, is converted into parallel light L2 by the collimator lens 6, the incident angle α to the conical concave portion 16 can be made constant. Therefore, in order that the incident light L1 to be input does not protrude from the circular light receiving portion 12, the output end E of the optical fiber cable OC and the collimator lens have a beam diameter Db of the parallel light L2 that matches the diameter D1 of the circular light receiving portion 12. 6 can be easily set. Therefore, all of the incident light L1 that is input can be made incident on the circular light receiving portion 12, so that the photocurrent of the semiconductor light receiving element 10 can be increased, and the power supplied by the optical power supply converter 1 can be increased.

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。 In addition, the conical recess 16 has an outer diameter Do smaller than the diameter D1 of the circular light receiving section 12 and an inner diameter Di larger than the outer diameter D2 of the ineffective area I of the circular light receiving section 12. light L3, L3'. All of the circular light beams L3 and L3' enter the circular light receiving portion 12 while avoiding the ineffective region I formed near the center C of the circular light receiving portion 12 where no photocurrent can be generated. Therefore, the incident light L1 input via the optical fiber cable OC can be used without waste, and the power supplied by the optical power supply converter 1 can be increased.

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。 In addition, those skilled in the art can implement various modifications to the above embodiment without departing from the scope of the present invention, and the present invention includes such modifications.

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
Reference Signs List 1: optical power supply converters 2a, 2b: output terminal portion 3: base 4: conductive member 5: cover 5a: insertion hole 6: collimator lens 6a: axis of symmetry 8: conductive paste 10: semiconductor light receiving element 12: circular light receiving Part 13: Isolation groove 14: Photodiode 15: Isolation groove 16: Conical recess 16a: Symmetry axis 16b: Conical surface 17: Connection hole 20: Semiconductor substrate 21: N-type semiconductor layer 22: Light absorption layer 23: p Type semiconductor layer 24: Protective film 27: Anode electrode 28: Cathode electrode L1: Incident light L2: Parallel light L3, L3': Annular light OA: Optical axis OC: Optical fiber cable E: Output end I: Ineffective area

Claims (3)

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する光給電コンバータ。
In an optical power supply converter that converts light input via an optical fiber cable into a photocurrent by a semiconductor light receiving element and outputs it,
The semiconductor light receiving element receives the circular light from the second surface side of the semiconductor substrate facing the first surface of the semiconductor substrate with respect to the circular light receiving portion formed for generating the photocurrent on the first surface side of the semiconductor substrate. It is a back-illuminated light receiving element that allows light to enter the part,
The circular light-receiving portion is divided into a plurality of linear isolation grooves extending from the center of the circular light-receiving portion so that the light-receiving areas are equal to each other, and a plurality of photodiodes connected in series by a plurality of conductive members. with
On the side of the second surface of the semiconductor substrate, a conical recess is formed by recessing the semiconductor substrate into a conical shape whose diameter decreases toward the first surface. formed through the center,
It is characterized in that the light incident from the second surface side is converted into an annular shape by the conical concave portion, and an equal amount of light is incident on each of the plurality of photodiodes of the circular light receiving portion. Optical power converter.
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する請求項1に記載の光給電コンバータ。 2. An optical power supply converter according to claim 1, further comprising a collimator lens for converting light input through said optical fiber cable into parallel light and for causing said parallel light to enter said conical concave portion. 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。
The conical recess has an outer diameter equal to or smaller than the diameter of the circular light receiving part, and the plurality of linear isolation grooves are formed so as to extend in the circumferential direction of the circular light receiving part. 3. The optical power feeding converter according to claim 1, wherein the converter is formed to have an annular shape with an inner diameter larger than the outer diameter of the ineffective region.
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