JP7435789B2 - 光ファイバ及び太陽光伝送システム - Google Patents

Description

本開示は、太陽光を伝送するための光ファイバ及びシステムに関する。

現在様々な波長帯の光が多様な用途で利用されている。可視光領域は家庭用照明に用いられるだけでなく、植物工場では生育状況に最適化された可視光スペクトルを有する照明が利用されている（非特許文献１）。紫外領域は例えば感染症予防などの目的から、殺菌システムに用いられている（非特許文献２）。また赤外領域はヒーター器具として多様な製品が利用されている（非特許文献３）。

非特許文献１～３では、光の利用用途に応じた波長の電力駆動光源をそれぞれ用意する必要があり、消費電力や装置コストが増大するという課題がある。電力不要源である太陽光から波長フィルタ用いて任意の波長を選択的に抽出して照射する技術があるが、装置コストの観点から経済的ではない。

岩崎電気工業株式会社ウェブサイト、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｗａｓａｋｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｔｅｃｈ－ｒｅｐ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ／１５４／ カンタム・ウシカタ株式会社ウェブサイト、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｋａｎｔｕｍ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｓａｋｋｉｎ＿ｒｏｂｏｔ／ｓａｋｋｉｎｎ＿ｒｏｂｏｔ／ＵＶＤ＿ｒｏｂｏｔ 日本ヒータ株式会社ウェブサイト、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｎｉｐｐｏｎ－ｈｅａｔｅｒ．ｃｏ．ｊｐ／ｄｅｓｉｇｎｍａｔｅｒｉａｌｓ／ｉｎｆｒａｒｅｄ／

本開示は、太陽光の利用において、特定波長を有する電源駆動の光源部や波長フィルタを不要とすることを目的とする。

本開示は、太陽光を集光し、照射対象へ光を伝送する光ファイバの透過率を設計するにより任意の波長を抽出する。これにより、従来の光利用で必要とされていた特定波長を有する電源駆動の光源部や波長フィルタが不要となるため省電力化、装置コスト削減により経済的なシステムを構成することができる。

本開示に係る光ファイバは、
コアの周囲がクラッドで覆われている光ファイバであって、
太陽光に含まれる波長のうちの予め定められた波長を透過させる、前記コアの半径、及び前記コアに対する前記クラッドの比屈折率差を有する。

本開示に係る太陽光伝送システムは、
太陽光を集光する集光部と、
光を照射対象に照射する照射部と、
前記集光部と前記照射部を接続し、少なくとも一部に、予め定められた曲げ半径で曲げられている、本開示の光ファイバ又は光ファイババンドルを含む光伝送部と、
を備える。

本開示によれば、特定の波長を利用するシステムにおいて、従来の光利用で必要とされていた特定波長を有する電源駆動の光源部や波長フィルタが不要となるため、従来技術における課題を解決して、経済的なシステムを実現できる。

光伝送部の光ファイバ設計による波長選択例の一例を示す。 純石英コアステップインデックスファイバにおける透過ピーク波長の構造依存性の一例を示す。 Ｋ１のΔ依存性の一例を示す。 本開示の第１の構成例を示す。 波長を選択できる第１の構成例を示す。 最適な波長を選択できる第２の構成例を示す。 ２つの照射方法を実現する構成例を示す。 照射強度増大を実現する第１の構成例を示す。 照射強度増大を実現する第２の構成例を示す。 ２つ以上の照射対象に光を分配する機能の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（光伝送部の光ファイバ設計による波長選択）
石英ガラスのコアの周囲がクラッドで覆われている光ファイバは、曲げによる光の漏洩損失とレイリー散乱損失により波長バンドパスフィルタのように動作する。図１は純石英コアファイバのコアに対するクラッドの比屈折率差が－０．３５％、および曲げ半径が３０ｍｍの時の、光の透過スペクトルのコア半径依存性である。縦軸はピーク波長における透過率で規格化した。曲げ損失の波長特性がコア半径によって変化するため、透過波長帯域を設計することができる。これは、ＧｅＯ_２が添加された石英ガラスをコアに用いた光ファイバでも同様の効果を得ることができる。このほか曲げによる光の漏洩損失とレイリー散乱損失の生じる任意の光ファイバにも適用可能であり、例えばＧｅＯ_２以外の元素を含む希土類添加光ファイバにも適用可能と考えられる。より柔軟な波長フィルタは光ファイバへのグレーティング構造の付与でも実現できる。中空コアを有する光ファイバを用いることにより紫外領域でも比較的低損失な波長選択も可能である。

図２に、光ファイバにおける透過ピーク波長の構造依存性の一例を示す。図は純石英のコアを有するステップインデックスファイバにおける透過ピーク波長のコア半径、およびコアに対するクラッドの比屈折率差Δ依存性である。いずれの比屈折率差Δにおいてもコア半径の増加に伴いピーク波長は線形に長波長化する。これはコア半径の増加により長波長側での曲げ損失が抑制されるためである。各直線は、Ｋ_１をΔに依存する係数とすると以下の式で書くことができる。

ここで、ａはコア半径である。

図３にＫ_１のΔ依存性を示す。曲線は下式で表すことができる。

以上より、所望の透過ピーク波長（λ_ｐｋ）は、Δが－０．７％以上、－０．３５％以下において、下式で決まるコア半径ａを有する純石英コアステップインデックスファイバとなる。

（第１の実施形態）
図４に、本開示の基本構成例を示す。本開示のシステムは、集光部９１及び照射部９２が光伝送部９３で接続されている、太陽光伝送システムである。集光部９１は、太陽光を集光する。例えば、集光部９１は、一つ以上のレンズやミラーを用いた集光系を備え、光伝送部９３への光結合が可能な任意の装置を含む。本開示では、集光部９１によって集光された太陽光を集光光と称する場合がある。

照射部９２は、光伝送部９３によって伝送された任意波長の光（当該光を伝送光と称する場合がある。）を照射対象１０１に照射する。例えば、照射部９２は、伝送光を光ファイバ端面から直接出射させ、照射対象１０１に照射する。また、照射部９２は、伝送光を一つ以上のレンズを用いた空間光学系により伝搬させて照射してもよい。また照射部９２は、光ファイバの曲げなどによる側面からの漏洩光を用いて、伝送光を照射してもよい。

光伝送部９３は、集光光を照射部９２まで伝送する。光伝送部９３は、図１～図３で示すような、透過波長が設計されたコアを有する光ファイバを用いている。このため、光伝送部９３を所定の長さ、かつ波長特性に応じた所定の曲げ半径で曲げることで、曲げによる光の漏洩損失とレイリー散乱損失により波長バンドパスフィルタのように動作させ、所望の波長を抽出することが可能である。光伝送部９３に備わる本開示の光ファイバの所定の長さは、不要な波長帯域を減衰させることの可能な長さであればよい。

例えば、波長帯域が２８０ｎｍ～３４０ｎｍであれば、コア半径０．５μｍ、コアに対するクラッドの比屈折率差が－０．３５％の光ファイバを３０ｍｍの曲げ半径で曲げる。波長帯域が３８０ｎｍ～６２０ｎｍであれば、コア半径１．０μｍ、コアに対するクラッドの比屈折率差が－０．３５％の光ファイバを３０ｍｍの曲げ半径で曲げる。波長帯域が４００ｎｍ～８４０ｎｍであれば、コア半径１．５μｍ、コアに対するクラッドの比屈折率差が－０．３５％の光ファイバを３０ｍｍの曲げ半径で曲げる。なお、光伝送部９３に含まれている本開示の光ファイバは１本に限らず、コア半径の異なる光ファイバが縦続に接続されていてもよい。

光伝送部９３は、少なくとも一部に、図１～図３で示す透過波長が設計されたコアを二つ以上有するマルチコア光ファイバ、又は前記コアを一つ有する光ファイバを束ねた光ファイババンドルを含む。光ファイババンドルを用いることでより大きな光強度を伝送できるため、好ましい。

光伝送部９３は、グレーティング構造を付与されている光ファイバを用いてもよい。これにより、本開示は、任意の透過波長を選択することが可能になる。また光伝送部９３は、中空コアを有する光ファイバを用いてもよい。これにより、本開示は、紫外領域光であっても比較的低損失に伝送することが可能になる。

（第２の実施形態）
図５に、波長を選択できる第１のシステム構成例を示す。本システムは波長選択部８１を備え、光伝送部９３が伝送路選択部８２及び光抽出部８３を備える。伝送路選択部８２及び光抽出部８３の間には複数の光伝送路８４が接続されている。複数の光伝送路８４は、異なる波長帯の透過に最適化された本開示の光ファイバを一つ以上有することで、各光ファイバの透過帯域を組み合わせ、任意の波長抽出が可能になっている。

波長選択部８１は、光伝送部９３での透過波長を選択し、伝送路選択部８２および光抽出部８３へ選択波長情報を伝送する。

伝送路選択部８２は、波長選択部８１から伝送される選択波長情報に基づき、太陽光から所望の波長の光を抽出可能な光伝送路８４を選択する。ここで、光の選択方法は任意であり、例えば、光路切り替え特性が波長無異存なメカニカル光スイッチやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）光スイッチによって実現可能である。

光抽出部８３は、波長選択部８１から伝送される選択波長情報に基づき、１以上の任意の光伝送路８４から伝送光を抽出し照射部９２へ伝送する。ここで、光の抽出方法は任意であり、例えば、光路切り替え特性が波長無異存なメカニカル光スイッチやＭＥＭＳ光スイッチや光カプラなどによって実現可能である。

（第３の実施形態）
図６に、最適な波長を選択できる第２のシステム構成例を示す。本システムは波長選択部８１を備え、光伝送部９３がコア選択部８５及び光抽出部８６を備える。コア選択部８５及び光抽出部８６の間にはマルチコア光ファイバ８７が接続されている。マルチコア光ファイバ８７は、異なる波長帯の透過に最適化されたコアを一つ以上有することで、各コアの透過帯域を組み合わせ、任意の波長抽出が可能になっている。

波長選択部８１は、光伝送部９３での透過波長を選択し、コア選択部８５および光抽出部８６へ選択波長情報を伝送する。

コア選択部８５は、波長選択部８１からの伝送される選択波長情報に基づき、太陽光から所望の波長を抽出可能なコアを選択する。ここで、コアの選択方法は任意であり、光路切り替え特性が波長無異存なメカニカル光スイッチやＭＥＭＳ光スイッチと、空間光学系や平面導波路を用いたファンインデバイスを組み合わせることで実現可能である。

光抽出部８６は、波長選択部８１から伝送される選択波長情報に基づき、任意のコアから伝送光を抽出し、照射部９２へ伝送する。ここで、各コアからの光の抽出は、光路切り替え特性が波長無異存なメカニカル光スイッチやＭＥＭＳ光スイッチや光カプラと空間光学系や平面導波路を用いたファンアウトデバイスを組み合わせることで実現可能である。

（第４の実施形態）
図７に、２つの照射方法を実現するシステム構成例を示す。本システムは、照射部９２が、集中照射方式の波束成形部２１と、広域照射方式の光拡散部２２と、照射制御部２３と、を備える。照射制御部２３は、光伝送部９３で伝送された光を、波束成形部２１及び光拡散部２２の少なくともいずれかに導く。

波束成形部２１は、照射対象１０１への選択集中的な照射を行う。波束成形部２１では、光が光ファイバによって伝搬される場合、光ファイバ端面へのレンズ機能付与により伝搬光をコリメート、又は集光することで実現可能である。光が空間を伝搬してくる場合、１つ以上のレンズまたはミラーを用いることで伝搬光をコリメート、又は集光することで実現可能である。

光拡散部２２は、拡散する光を用いて広域への照射を行う。光拡散部２２では、光が光ファイバによって伝搬される場合、光ファイバへの分布的な曲げの付与や、光ファイバの長手方向に気泡などの散乱体を複数個付与し、光ファイバ側面から漏洩する光を利用することで実現可能である。照射部９２の光が空間を伝搬してくる場合、光拡散フィルムを光拡散部２２に利用することで実現可能である。

（第５の実施形態）
図８に、照射強度増大を実現する第１のシステム構成例を示す。本システムは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の集光部９１が集光光伝送部９５で光合波部９４に接続されている。

光合波部９４では２つ以上の集光部９１からの集光光を合波し、光伝送部９３に集約する。光伝送部９３が光ファイバで構成される場合、光合波部９４は１つ以上の光カプラによって実現可能である。光伝送部９３で空間伝搬光を利用する場合、光合波部９４は、１つ以上のハーフミラーを用いることで実現可能である。

本システムは、地理的に異なる二つ以上の地点に集光部９１を設置することで、以下の２つの性能向上が期待される。
（ｉ）光強度増大：各集光部９１が同一強度の太陽光を集光する場合、Ｎ個の集光部９１を用いることでＮ倍の強度で光照射が可能となる。
（ｉｉ）安定性向上：環境条件の異なる位置に２つ以上の集光部９１を設置することで、障害物による日照量低下などのリスクを分散し、照射対象１０１への安定的な光照射が可能となる。

（第６の実施形態）
図９に、照射強度増大を実現する第２のシステム構成例を示す。地表に対する太陽位置の角度と集光部９１の設置角度が異なるとき、集光効率は低下する。そこで、本システムでは、接地面Ｐ_Ｈに対する角度が異なる二つ以上の集光部９１を備える。これにより、各集光部９１は、接地面Ｐ_Ｈに対して異なる角度で入射する光を集光する。図では、設置角度の異なる複数の集光部９１が１列のみに配列されている例を示すが、２列以上であってもよい。また、設置角度の異なる複数の集光部９１の配列は１軸方向に限らず、互いに直交、または任意の角度で交わる２軸方向であってもよい。

本実施形態は、以下２つの性能向上が期待され好ましい。
（ｉ）光強度増大：地表に対する太陽の角度近傍の角度で設置された二つ以上の複数の集光部９１で集光が可能なため、照射光強度が増大する。
（ｉｉ）安定性向上：地表に対する太陽の角度が一日を通して変化しても、角度が一致する集光部９１によって高効率な集光が可能なため、太陽の角度に依存しない安定した集光が可能となる。

（第７の実施形態）
図１０に、２つ以上の照射対象１０１に光を分配する機能の一例を示す。本システムは、光伝送部９３と照射部９２の間に光強度決定部３１、光量調整部３２及び光分岐部３３が備わる。

光分岐部３３では、伝送光を２つ以上の照射部９２へ分岐する。光伝送部９３が光ファイバで構成される場合、一つ以上の光カプラを利用することで光分岐部３３を実現可能である。光伝送部９３において空間伝搬光を利用する場合、１つ以上のハーフミラーを利用することで光分岐部３３を実現可能である。

光強度決定部３１では２つ以上の照射部９２への光伝送強度を照射部９２ごとに決定する。当該機能により照射需要に応じて柔軟な照射強度の切り替えが可能となる。

光量調整部３２では、２つ以上の照射部９２への光伝送強度を任意に調整する。光ファイバを用いて光を伝送する場合、曲げの付与などにより減光可能である。空間伝搬光伝送する場合、２つ以上の偏光板、もしくは減光フィルタを用いることで減光可能である。

以上の本開示の原理を採用した第１の実施形態から第７の実施形態は組み合わせることが可能である。例えば、図８に示す各地点の集光部９１に、図９に示す集光部９１、集光光伝送部９５及び光合波部９４を適用してもよい。この場合、図９に示す光伝送部９３は、図８に示す集光光伝送部９５として機能し、光合波部９４で合波される。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

２１：波束成形部
２２：光拡散部
３１：光強度決定部
３２：光量調整部
３３：光分岐部
８１：波長選択部
８２：伝送路選択部
８３：光抽出部
８４：光伝送路
８５：コア選択部
８６：光抽出部
８７：マルチコア光ファイバ
９１：集光部
９２：照射部
９３：光伝送部
９４：光合波部
９５：集光光伝送部
１０１：照射対象

Claims (7)

1. 太陽光を集光する集光部と、
   光を照射対象に照射する照射部と、
   前記集光部と前記照射部を接続する光伝送部と、
   を備え、
   前記光伝送部は、複数の光ファイバ又は複数のコアを備えるマルチコア光ファイバを用いて構成される複数の光伝送路を有し、
   前記複数の光ファイバは、少なくともいずれかの光ファイバのコア半径が異なり、
   前記マルチコア光ファイバは、少なくともいずれかのコア半径が異なり、
   前記複数の光ファイバ又は前記マルチコア光ファイバを所定の曲げ半径で曲げることで波長バンドパスフィルタとして動作する、
   太陽光伝送システム。
2. 前記光伝送部における透過波長を選択する波長選択部をさらに備え、
   前記光伝送部は、
   前記複数の光伝送路うちの前記波長選択部の選択した波長に対応する光伝送路を選択し、選択した光伝送路を用いて、前記集光部からの集光光を伝送する伝送路選択部と、
   前記伝送路選択部で選択された光伝送路の伝送光を抽出する光抽出部と、
   を備える請求項１に記載の太陽光伝送システム。
3. 前記複数の光伝送路は、前記マルチコア光ファイバを用いて構成され、
   前記伝送路選択部は、前記波長選択部の選択した波長に対応するコアを選択し、選択したコアを用いて、前記集光部からの集光光を伝送するコア選択部であり、
   前記光抽出部は、前記コア選択部で選択されたコアの伝送光を抽出する、
   請求項２に記載の太陽光伝送システム。
4. 前記照射部は、
   前記光伝送部の伝送光を照射対象に集光させる波束成形部と、
   前記光伝送部の伝送光を拡散して照射対象に照射する光拡散部と、
   前記光伝送部の伝送光を前記波束成形部及び前記光拡散部の少なくともいずれかに導く照射制御部と、
   を備える請求項１に記載の太陽光伝送システム。
5. 二つ以上の前記集光部と、
   二つ以上の前記集光部の集光光を合波する光合波部と、
   を備える請求項１に記載の太陽光伝送システム。
6. 二つ以上の前記集光部は、あらかじめ定められた面に対して異なる角度で入射する光を集光する、
   請求項５に記載の太陽光伝送システム。
7. 前記光伝送部の伝送光を二つ以上に分岐する光分岐部と、
   前記光分岐部で分岐された分岐光ごとに備わる、二つ以上の前記照射部と、
   前記照射部ごとの強度を決定する光強度決定部と、
   前記光分岐部と二つ以上の前記照射部との間にそれぞれ接続され、前記照射部への光伝送強度を前記光強度決定部で決定された強度に調整する光量調整部と、
   を備える請求項１に記載の太陽光伝送システム。

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