JP7239421B2 - 光ファイバー給電システム及び光ファイバー給電システムの給電側データ通信装置 - Google Patents
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Description
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。
給電側から受電側への給電光の伝送路が正常に接続されていない場合に、給電装置から高出力の給電光を出力してしまうと、当該給電光が外部に放出されてしまい、人や物に高出力の給電光を照射してしまうおそれがある。
〔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。
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。
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。
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(給電側データ通信装置)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。
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。
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。
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。
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データが送信データ124とされる。
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。
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。
次に、接続確立と給電光の制御につき図2に加え図5から図9を参照して説明する。
まず、第1のデータ通信装置100が、第1のデータ通信装置100に対する入力操作信号等に応じて給電光の送出による給電を開始する(ステップS1)。このステップS1の給電は低出力給電である。
第2のデータ通信装置300は、低出力給電を受けて受電装置310により電力を得て、同電力により起動する。すなわち、第2のデータ通信装置300の発信部320、受信部330、制御装置360の駆動が開始される。
第2のデータ通信装置300は、起動すると、起動光を信号光の伝送路に送出する(ステップS2)。ここで、起動光とは、起動に連動して発光する光であり、例えば、信号用半導体レーザー321が発光する光であって無変調の連続光(信号用半導体レーザー321からのレーザー光323そのもの)が該当する。モジュレーター322が、送信データ324に基づき変調しないときに、常時レーザー光323が光ファイバー250側に通過する構成とすることで実施できる。
応答信号は、受信した確認信号に通信プロトコルに従って所定の演算を施した信号とされる。通信プロトコルが「同一信号を返す」と規定していれば、図8に示すように信号光325としての応答信号G2は、信号光125としての確認信号G1と同一である。
したがって、通信接続が確立しない限りは、給電装置110による高出力給電が開始されることはなく、例えば、光コネクタ240が非接続の場合にも給電装置110による高出力給電が開始されることはなく、高出力の給電光を外部に放出してしまうことを防止することができる。また、ステップS3に対する応答信号が所定時間中に受信できなければ、低出力給電を停止しても良い。
制御装置360が省略される場合、低出力給電による給電電力は、発信部320及び受信部330を駆動できる最低限の電力にまで低く制限した電力として実施することができる。制御装置360を適用する場合は、低出力給電による給電電力は、発信部320、受信部330及び制御装置360を駆動できる最低限の電力にまで低く制限した電力として実施することができる。
一方、高出力給電は、低出力給電による給電電力を超える電力であり、低出力給電による給電電力を超え、給電装置110の最高出力までの範囲で実施することができる。高出力給電は、必ずしも給電装置110の最高出力を指すものではない。
低出力給電における給電光の光強度最高値を、高出力給電における給電光の光強度最高値より低く設定してもよい。低出力給電において瞬間的に照射される給電光の光強度を、高出力給電のときより下げて安全性を確保するためである。
また、低出力給電における給電光の光強度最高値と、高出力給電における給電光の光強度最高値とを等しくして実施してもよく、その場合でも、低出力給電におけるデューティー比を下げ、パルス周波数をある程度高くすることで、単位時間当たりの照射量を低減して一定の安全性を確保できる。
また、給電光をパルス発光ではく連続発光とし、低出力給電における給電光の光強度値を、高出力給電における給電光の光強度値より低く設定して実施してもよい。
上記実施形態では、所定の光を応答信号G2の信号光とした。
上記(2)では、高出力給電の可否を定める所定の光を応答信号G2としたが、当該所定の光を上述した起動光としてもよい。この場合も、低電力給電駆動下における受電側からのリアクション光を何ら取得せずに、はじめから高電力給電を開始する場合に比較して安全性が向上するからである。また、このような場合や上記(2)の実施形態において、起動光は、制御装置360の制御により変調され、通信プロトコルに従って起動したことを示すコードを搬送するものであってもよい。
1 光ファイバー給電システム(光給電システム)
1B 光ファイバー給電システム(光給電システム)
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
125 信号光
130 受信部
140 光入出力部
141 光コネクタ
150 制御装置
200A 光ファイバーケーブル
200 光ファイバーケーブル
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
250 光ファイバー
260 光ファイバー
270 光ファイバー
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
325 信号光
330 受信部
350 光入出力部
351 光コネクタ
360 制御装置
401 可視光
410 蓋部材
411 波長変換材
420 蓋部材
421 波長変換材
Claims (5)
- 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、前記給電装置による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を備えた光ファイバー給電システムであって、
前記給電装置を含む第1のデータ通信装置と、
前記第1のデータ通信装置と光通信し、前記受電装置を含む第2のデータ通信装置と、
一端が前記第1のデータ通信装置に接続可能とされ、他端が前記第2のデータ通信装置に接続可能とされ、前記給電光及び信号光を伝送する光ファイバーケーブルとを備え、
前記光電変換素子により変換された電力が、前記第2のデータ通信装置の駆動電力とされ、
前記第1のデータ通信装置は、前記給電装置による低出力給電と、当該低出力給電による給電電力を超える高出力給電とを制御可能であり、前記第2のデータ通信装置への前記低出力給電により前記第2のデータ通信装置を起動させて、前記第2のデータ通信装置から所定の光を受光した後、前記高出力給電を可能に制御し、同所定の光を受光する前は前記高出力給電を不能に制限制御する光ファイバー給電システム。 - 前記第1のデータ通信装置は、前記低出力給電の開始後、所定の確認信号を信号光により発信し、
前記第2のデータ通信装置は、前記所定の確認信号に応じた応答信号を信号光により発信し、
前記第1のデータ通信装置は、前記応答信号の信号光を前記所定の光として動作する請求項1に記載の光ファイバー給電システム。 - 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又は請求項2に記載の光ファイバー給電システム。
- 光ファイバー給電システムの給電装置を含む給電側データ通信装置であって、
前記給電装置は、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み、
当該給電側データ通信装置は、前記給電装置による低出力給電と、当該低出力給電による給電エネルギーを超える高出力給電とを制御可能であり、接続相手のデータ通信装置への前記低出力給電により当該接続相手のデータ通信装置を起動させて、当該接続相手のデータ通信装置から所定の光を受光した後、前記高出力給電を可能に制御し、同所定の光を受光する前は前記高出力給電を不能に制限制御する光ファイバー給電システムの給電側データ通信装置。 - 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4に記載の光ファイバー給電システムの給電側データ通信装置。
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