JP6898391B2 - 光ファイバー給電システム - Google Patents

Description

本開示は、光ファイバー給電システムに関する。

近時、電力を光（給電光と呼ばれる）に変換して伝送し、当該給電光を電気エネルギーに変換して電力として利用する光給電システムが研究されている。
特許文献１には、電気信号で変調された信号光、及び電力を供給するための給電光を発信する光発信機と、上記信号光を伝送するコア、上記コアの周囲に形成され上記コアより屈折率が小さく上記給電光を伝送する第１クラッド、及び上記第１クラッドの周囲に形成され上記第１クラッドより屈折率が小さい第２クラッド、を有する光ファイバーと、上記光ファイバーの第１クラッドで伝送された上記給電光を変換した電力で動作し、上記光ファイバーのコアで伝送された上記信号光を上記電気信号に変換する光受信機と、を備えた光通信装置が記載されている。

特開２０１０−１３５９８９号公報

光給電においては、より一層の光給電効率の向上が求められている。そのための一つとして、給電側及び受電側における光電変換効率の向上が求められている。

本開示の１つの態様の光ファイバー給電システムは、
電力によりレーザー発振して給電光を出力する半導体レーザーを含む給電装置と、
前記給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置と、
前記給電光のレーザー波長を伸長する伸長部と、
前記給電装置から前記伸長部に前記給電光を伝送する第一の光ファイバーケーブルと、
前記伸長部から前記受電装置に前記給電光を伝送する第二の光ファイバーケーブルと、
を備え、
前記第一の光ファイバーケーブルを、
前記伸長部による伸長前のレーザー波長の損失−伝送距離特性と、前記伸長部による伸長後のレーザー波長の損失−伝送距離特性とに基づいて、前記伸長前のレーザー波長の損失が前記伸長後のレーザー波長の損失と等しくなる伝送距離以下の長さとしている。

本開示の１つの態様の光ファイバー給電システムによれば、給電光の伝送効率を高めて光給電効率の向上を図ることが可能となる。

本開示の第１実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。 本開示の第２実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。 本開示の第２実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図であって、光コネクタ等を図示したものある。 本開示の他の一実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。 本開示の第１実施形態に係る光ファイバー給電システムの波長伸長機能を有する構成例(1)の構成図である。 複数のレーザー波長の給電光について、伝送先における損失と伝送距離との関係を示す線図である。 本開示の第２実施形態に係る光ファイバー給電システムの波長伸長機能を有する構成例(2)の構成図である。

以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。

（１）システム概要
〔第１実施形態〕
図１に示すように本実施形態の光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber）システム１Ａは、給電装置（PSE:Power Sourcing Equipment）１１０と、光ファイバーケーブル２００Ａと、受電装置（PD:Powered Device）３１０を備える。
なお、本開示における給電装置は電力を光エネルギーに変換して供給する装置であり、受電装置は光エネルギーの供給を受け当該光エネルギーを電力に変換する装置である。
給電装置１１０は、給電用半導体レーザー１１１を含む。
光ファイバーケーブル２００Ａは、給電光の伝送路を形成する光ファイバー２５０Ａを含む。
受電装置３１０は、光電変換素子３１１を含む。

給電装置１１０は電源に接続され、給電用半導体レーザー１１１等が電気駆動される。
給電用半導体レーザー１１１は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光１１２を出力する。

光ファイバーケーブル２００Ａは、一端２０１Ａが給電装置１１０に接続可能とされ、他端２０２Ａが受電装置３１０に接続可能とされ、給電光１１２を伝送する。
給電装置１１０からの給電光１１２が、光ファイバーケーブル２００Ａの一端２０１Ａに入力され、給電光１１２は光ファイバー２５０Ａ中を伝搬し、他端２０２Ａから受電装置３１０に出力される。

光電変換素子３１１は、光ファイバーケーブル２００Ａを通して伝送されてきた給電光１１２を電力に変換する。光電変換素子３１１により変換された電力が、受電装置３１０内で必要な駆動電力とされる。さらに受電装置３１０は光電変換素子３１１により変換された電力を外部機器用に出力可能とされる。

給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が５００ｎｍ以下の短波長のレーザー波長をもった半導体とされる。
短波長のレーザー波長をもった半導体は、バンドギャップが大きく光電変換効率が高いので、光給電の発電側及び受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
そのためには、同半導体材料として、例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、レーザー波長（基本波）が２００〜５００ｎｍのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
また、同半導体材料として、２．４ｅＶ以上のバンドギャップを有した半導体が適用される。
例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、バンドギャップ２．４〜６．２ｅＶのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
なお、レーザー光は長波長ほど伝送効率が良く、短波長ほど光電変換効率が良い傾向にある。したがって、長距離伝送の場合には、レーザー波長（基本波）が５００ｎｍより大きいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。また、光電変換効率を優先する場合には、レーザー波長（基本波）が２００ｎｍより小さいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
これらの半導体材料は、給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１のいずれか一方に適用してもよい。給電側又は受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。

〔第２実施形態〕
図２に示すように本実施形態の光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber）システム１は、光ファイバーを介した光給電システムと光通信システムとを含むものであり、給電装置（PSE:Power Sourcing Equipment）１１０を含む第１のデータ通信装置１００と、光ファイバーケーブル２００と、受電装置（PD:Powered Device）３１０を含む第２のデータ通信装置３００とを備える。
なお、以下の説明では、原則として、既に説明された構成については同一の符号を付して、特に言及がない場合には既に説明された構成と同一の構成とする。
給電装置１１０は、給電用半導体レーザー１１１を含む。第１のデータ通信装置１００は、給電装置１１０のほか、データ通信を行う発信部１２０と、受信部１３０とを含む。第１のデータ通信装置１００は、データ端末装置(DTE(Date Terminal Equipment))、中継器(Repeater)等に相当する。発信部１２０は、信号用半導体レーザー１２１と、モジュレーター１２２とを含む。受信部１３０は、信号用フォトダイオード１３１を含む。

光ファイバーケーブル２００は、信号光の伝送路を形成するコア２１０と、コア２１０の外周に配置され、給電光の伝送路を形成するクラッド２２０と有する光ファイバー２５０を含む。

受電装置３１０は、光電変換素子３１１を含む。第２のデータ通信装置３００は、受電装置３１０のほか、発信部３２０と、受信部３３０と、データ処理ユニット３４０とを含む。第２のデータ通信装置３００は、パワーエンドステーション(Power End Station)
等に相当する。発信部３２０は、信号用半導体レーザー３２１と、モジュレーター３２２とを含む。受信部３３０は、信号用フォトダイオード３３１を含む。データ処理ユニット３４０は、受信した信号を処理するユニットである。また、第２のデータ通信装置３００は、通信ネットワークにおけるノードである。または第２のデータ通信装置３００は、他のノードと通信するノードでもよい。

第１のデータ通信装置１００は電源に接続され、給電用半導体レーザー１１１、信号用半導体レーザー１２１と、モジュレーター１２２、信号用フォトダイオード１３１等が電気駆動される。また、第１のデータ通信装置１００は、通信ネットワークにおけるノードである。または第１のデータ通信装置１００は、他のノードと通信するノードでもよい。
給電用半導体レーザー１１１は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光１１２を出力する。

光電変換素子３１１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた給電光１１２を電力に変換する。光電変換素子３１１により変換された電力は、発信部３２０、受信部３３０及びデータ処理ユニット３４０の駆動電力、その他の第２のデータ通信装置３００内で必要となる駆動電力とされる。さらに第２のデータ通信装置３００は、光電変換素子３１１により変換された電力を外部機器用に出力可能とされていてもよい。

一方、発信部１２０のモジュレーター１２２は、信号用半導体レーザー１２１からのレーザー光１２３を送信データ１２４に基づき変調して信号光１２５として出力する。
受信部３３０の信号用フォトダイオード３３１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた信号光１２５を電気信号に復調し、データ処理ユニット３４０に出力する。データ処理ユニット３４０は、当該電気信号によるデータをノードに送信し、その一方で当該ノードからデータを受信し、送信データ３２４としてモジュレーター３２２に出力する。
発信部３２０のモジュレーター３２２は、信号用半導体レーザー３２１からのレーザー光３２３を送信データ３２４に基づき変調して信号光３２５として出力する。
受信部１３０の信号用フォトダイオード１３１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた信号光３２５を電気信号に復調し出力する。当該電気信号によるデータがノードに送信され、その一方で当該ノードからのデータが送信データ１２４とされる。

第１のデータ通信装置１００からの給電光１１２及び信号光１２５が、光ファイバーケーブル２００の一端２０１に入力され、給電光１１２はクラッド２２０を伝搬し、信号光１２５はコア２１０を伝搬し、他端２０２から第２のデータ通信装置３００に出力される。
第２のデータ通信装置３００からの信号光３２５が、光ファイバーケーブル２００の他端２０２に入力され、コア２１０を伝搬し、一端２０１から第１のデータ通信装置１００に出力される。

なお、図３に示すように第１のデータ通信装置１００に光入出力部１４０とこれに付設された光コネクタ１４１が設けられる。また、第２のデータ通信装置３００に光入出力部３５０とこれに付設された光コネクタ３５１が設けられる。光ファイバーケーブル２００の一端２０１に設けられた光コネクタ２３０が光コネクタ１４１に接続する。光ファイバーケーブル２００の他端２０２に設けられた光コネクタ２４０が光コネクタ３５１に接続する。光入出力部１４０は、給電光１１２をクラッド２２０に導光し、信号光１２５をコア２１０に導光し、信号光３２５を受信部１３０に導光する。光入出力部３５０は、給電光１１２を受電装置３１０に導光し、信号光１２５を受信部３３０に導光し、信号光３２５をコア２１０に導光する。
以上のように、光ファイバーケーブル２００は、一端２０１が第１のデータ通信装置１００に接続可能とされ、他端２０２が第２のデータ通信装置３００に接続可能とされ、給電光１１２を伝送する。さらに本実施形態では、光ファイバーケーブル２００は、信号光１２５，３２５を双方向伝送する。

給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料としては上記第１実施形態と同様のものが適用され、高い光給電効率が実現される。

なお、図４に示す光ファイバー給電システム１Ｂの光ファイバーケーブル２００Ｂのように、信号光を伝送する光ファイバー２６０と、給電光を伝送する光ファイバー２７０とを別々に設けてもよい。光ファイバーケーブル２００Ｂも複数本で構成してもよい。

（２）給電光の波長を伸長する構成について
［波長伸長機能を有する構成例(1)］
次に、給電光の波長を伸長する構成について図面を参照して説明する。
図５は前述した光ファイバー給電システム１Ａをベースとして、給電光１１２の波長を伸長する伸長部３６０を給電装置１１０の給電用半導体レーザー１１１と受電装置３１０の光電変換素子３１１との間に配置した波長伸長機能を有する構成例(1)を示している。
この波長伸長機能を有する構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａでは、光ファイバーケーブル２００Ａに替えて、第一の光ファイバーケーブル２８０Ａと第二の光ファイバーケーブル２９０Ａとにより給電光１１２の伝送を行っている。そして、第一の光ファイバーケーブル２８０Ａと第二の光ファイバーケーブル２９０Ａの間に伸長部３６０を介挿している。

前述したように、給電用半導体レーザー１１１の半導体材料は、５００ｎｍ以下の短波長のレーザー波長をもった半導体材料が使用され得る。さらには、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、バンドギャップ２．４〜６．２ｅＶのレーザー媒体の半導体材料が使用され得る。
このように、短波長のレーザー波長で給電光１１２を出力する給電用半導体レーザー１１１の場合、光電変換効率が高いので、一定の電力に対して高いエネルギーで給電光を出力することができる。その一方で、短波長のレーザーは光ファイバーケーブル内の伝送効率が低下し易く、伝送距離が長くなる程、損失が大きくなる。

図６は、複数のレーザー波長の給電光について、伝送先における損失と伝送距離との関係（損失−伝送距離特性）を示した線図である。図中における符号λ１〜λ３はレーザー波長を示し、波長の長さがλ１＜λ２＜λ３となっている。
レーザー波長が最も短いλ１の給電光は、最も光電変換効率が高いので、伝送距離0km地点において、最も損失が小さくなるが、伝送距離の長さに対する損失の増加率が高く、伝送距離Ｌ１km地点では最も損失が大きくなっている。
レーザー波長が二番目に短いλ２の給電光は、λ１よりも光電変換効率は低いので、伝送距離0km地点において、λ１よりも損失は大きくなるが、伝送距離の長さに対する損失の増加率がλ１よりも低く、伝送距離Ｌ１km地点ではλ１よりも損失は小さくなっている。
レーザー波長が最も長いλ３の給電光は、最も光電変換効率が低いので、伝送距離0km地点において、最も損失が大きくなるが、伝送距離の長さに対する損失の増加率は最も低く、伝送距離Ｌ１km地点では最も損失が小さくなっている。

そして、例えば、レーザー波長が最も短いλ１の損失−伝送距離特性とレーザー波長が最も長いλ３の損失−伝送距離特性とを比較した場合、当初はレーザー波長が最も短いλ１の給電光の方が損失が小さく、伝送距離Ｌ２km地点で損失が等しくなり、伝送距離Ｌ２kmを超えるとレーザー波長が最も長いλ３の方が損失が小さくなる。
従って、伸長部３６０が、例えば、給電光１１２のレーザー波長をλ１からλ３に伸長する特性を有する場合であって、給電用半導体レーザー１１１から光電変換素子３１１までの距離がＬ２よりも長くなる場合、伝送距離Ｌ２となる地点又はそれ以下の地点に伸長部３６０を配置すれば、レーザー波長λ１の給電光１１２において、伝送効率の低下の影響を低減し、効率的な給電を行うことが可能となる。

波長伸長機能を有する構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａでは、給電用半導体レーザー１１１と伸長部３６０の間に第一の光ファイバーケーブル２８０Ａを配置し、伸長部３６０と光電変換素子３１１との間に第二の光ファイバーケーブル２９０Ａを配置している。
さらに、当該光ファイバー給電システム１Ａは、給電光１１２のレーザー波長をλ１とし、伸長部３６０は、給電光１１２のレーザー波長をλ１からλ３に伸長し、第一の光ファイバーケーブル２８０Ａの長さをＬ２としている。

なお、伸長部３６０としては、例えば、蛍光体が用いられる。蛍光体は、特定の波長の光を吸収し、吸収した光とは異なる波長の光を放出する物理的な性質を有している。
蛍光体は、給電光１１２のレーザー波長λ１をレーザー波長λ３にストークシフトさせる特性を有するものが使用される。
蛍光体は、透過型、反射型いずれであっても良い。また、伸長部３６０としては、回折格子を用いて反射するレーザー光の波長を伸長させることが可能な光学デバイス等、波長伸長を行う他の構成を使用しても良い。また、光導波路を用いて波長変換（伸長）を行っても良い。

上記波長伸長機能を有する構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａでは、第一の光ファイバーケーブル２８０Ａを、伸長部３６０による伸長前のレーザー波長λ１の損失−伝送距離特性と、伸長部３６０による伸長後のレーザー波長λ３の損失−伝送距離特性とに基づいて、伸長前のレーザー波長λ１の損失が伸長後のレーザー波長λ３の損失と等しくなる伝送距離Ｌ２と同じ長さとしている。
これにより、光電変換効率の高いレーザー波長λ１の給電光１１２を出力する給電用半導体レーザー１１１を使用しつつ、伝送距離が長くなる場合でも、伝送効率の低下の影響を抑制し、高効率で給電を行うことが可能となる。
なお、第一の光ファイバーケーブル２８０Ａは、Ｌ２以下としてもよい。

なお、光ファイバーケーブルは、伝送する給電光の波長に応じて、コアやクラッドの母材の材料種別や添加する添加物の種類、添加量等に応じて、給電光の伝送効率の最適化を図ることができる。
従って、第一の光ファイバーケーブル２８０Ａは、レーザー波長λ１に適した光ファイバーケーブルを適宜選択し、第二の光ファイバーケーブル２９０Ａは、レーザー波長λ３に適した光ファイバーケーブルを適宜選択する構成としてもよい。

その場合、図１に示すような伸長部３６０を有さない既設の光ファイバー給電システム１Ａに対して、改めて伝送距離を延長する改造を行うような場合に、既設の光ファイバーケーブル２００Ａの長さを調整して第一の光ファイバーケーブル２８０Ａとして利用することが可能となり、延長作業負担の低減、作業コストの低減等を図ることが可能となる。

また、波長伸長機能を有する構成例(1)の場合、給電用半導体レーザー１１１と光電変換素子３１１とで半導体材料の条件を等しくしなくとも良い。光電変換素子３１１については、光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、少なくとも、給電用半導体レーザー１１１が出力する給電光よりも長いレーザー波長で光電変換効率が高くなるレーザー媒体を選択しても良い。さらに、光電変換素子３１１の半導体材料としては、伸長部３６０で伸長される前の波長よりも伸長後の波長の方が光電変換効率が高いレーザー媒体、さらには、伸長部３６０で伸長された給電光のレーザー波長で光電変換効率が最高となるレーザー媒体を選択しても良い。

［波長伸長機能を有する構成例(2)］
図７は前述した光ファイバー給電システム１をベースとして、給電光１１２の波長を伸長する伸長部３６０を第１のデータ通信装置１００の給電用半導体レーザー１１１と第２のデータ通信装置３００の光電変換素子３１１との間に配置した波長伸長機能を有する構成例(2)を示している。
この波長伸長機能を有する構成例(2)の光ファイバー給電システム１では、光ファイバーケーブル２００に替えて、第一の光ファイバーケーブル２８０と第二の光ファイバーケーブル２９０とにより給電光１１２の伝送を行っている。そして、第一の光ファイバーケーブル２８０と第二の光ファイバーケーブル２９０の間に伸長部３６０を配置している。

伸長部３６０は、前述した図５の波長伸長機能を有する構成例(1)で例示したものと同一である。
伸長部３６０は、給電光１１２のレーザー波長λ１を、レーザー波長λ３に伸長する。

第一の光ファイバーケーブル２８０は、その一端２８１に設けられた光コネクタ２３０が光コネクタ１４１に接続されており、他端２８２が伸長部３６０を内藏する光コネクタ３７０に接続されている。
第二の光ファイバーケーブル２９０は、その一端２９１が光コネクタ３７０に接続されており、他端２９２に設けられた光コネクタ２４０が光コネクタ３５１に接続されている。

光入出力部１４０は、給電光１１２を第一の光ファイバーケーブル２８０のクラッドに導光し、信号光１２５を第一の光ファイバーケーブル２８０のコアに導光し、信号光３２５を受信部１３０に導光する。
光入出力部３５０は、給電光１１２を受電装置３１０に導光し、信号光１２５を受信部３３０に導光し、信号光３２５を第二の光ファイバーケーブル２９０のコアに導光する。

光コネクタ３７０は、第一の光ファイバーケーブル２８０と第二の光ファイバーケーブル２９０とを連結している。
光コネクタ３７０は、第一の光ファイバーケーブル２８０のコアと第二の光ファイバーケーブル２９０のコアと接続し、相互間の信号光１２５，３２５の伝送を可能とする。
また、光コネクタ３７０は、第一の光ファイバーケーブル２８０のクラッドと第二の光ファイバーケーブル２９０のクラッドとを伸長部３６０を介して接続し、給電光の波長をλ１からλ３に伸長して、第一の光ファイバーケーブル２８０から第二の光ファイバーケーブル２９０へ伝送する。

上記波長伸長機能を有する構成例(2)の場合も、波長伸長機能を有する構成例(1)の場合のように、伸長部３６０が給電光１１２のレーザー波長をλ１からλ３に伸長し、第一の光ファイバーケーブル２８０を適正な長さに調整するので、高い光電変換効率で給電光を出力しつつ、伝送効率を向上させて、高効率で給電光を供給することが可能となる。また、給電光をより遠方まで伝送することが可能となる。

以上本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、この他の様々な形態で実施が可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の省略、置き換え、変更を行うことができる。

例えば、図７では波長伸長機能を有する構成を光ファイバー給電システム１に適用した例を示しているが、これらと同じように、波長伸長機能を有する構成を光ファイバー給電システム１Ｂにも適用することが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 光ファイバー給電システム
１００ 第１のデータ通信装置
１１０ 給電装置
１１１ 給電用半導体レーザー
１１２ 給電光
１２０ 発信部
１２１ 信号用半導体レーザー
１２３ レーザー光
１２４ 送信データ
１２５ 信号光
１３０ 受信部
１３１ 信号用フォトダイオード
２００，２００Ａ，２００Ｂ 光ファイバーケーブル
２１０ コア
２２０ クラッド
２５０Ａ 光ファイバー
２６０ 光ファイバー
２７０ 光ファイバー
２８０，２８０Ａ 第一の光ファイバーケーブル
２９０，２９０Ａ 第二の光ファイバーケーブル
３００ 第２のデータ通信装置
３１０ 受電装置
３１１ 光電変換素子
３２０ 発信部
３２１ 信号用半導体レーザー
３２３ レーザー光
３２４ 送信データ
３２５ 信号光
３３０ 受信部
３３１ 信号用フォトダイオード
３４０ データ処理ユニット
３５０ 光入出力部
３６０ 伸長部
３７０ 光コネクタ
Ｌ１，Ｌ２ 伝送距離
λ１〜λ３ レーザー波長

Claims (4)

1. 電力によりレーザー発振して給電光を出力する半導体レーザーを含む給電装置と、
   前記給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置と、
   前記給電光のレーザー波長を伸長する伸長部と、
   前記給電装置から前記伸長部に前記給電光を伝送する第一の光ファイバーケーブルと、
   前記伸長部から前記受電装置に前記給電光を伝送する第二の光ファイバーケーブルと、
   を備え、
   前記第一の光ファイバーケーブルが、
   前記伸長部による伸長前のレーザー波長の損失−伝送距離特性と、前記伸長部による伸長後のレーザー波長の損失−伝送距離特性とに基づいて、前記伸長前のレーザー波長の損失が前記伸長後のレーザー波長の損失と等しくなる伝送距離以下の長さである光ファイバー給電システム。
2. 前記伸長部は蛍光体を含む請求項１に記載の光ファイバー給電システム。
3. 前記半導体レーザーの光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、レーザー波長５００ｎｍ以下のレーザー媒体とされた請求項１又は２に記載の光ファイバー給電システム。
4. 前記光電変換素子の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、前記半導体レーザーのレーザー波長よりも長い波長で光電変換効率が高くなるレーザー媒体とされた請求項１から３のいずれか一項に記載の光ファイバー給電システム。

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