CN113544984A - 光纤供电系统 - Google Patents

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Abstract

为了谋求光供电效率的提高，具备：供电装置(110)，包含通过电力进行激光振荡而输出供电光(112)的半导体激光器(111)；受电装置(310)，包含将供电光转换为电力的光电转换元件(311)；扩展部(360)，扩展供电光的波长；第1光纤线缆(280A)，将供电光从供电装置向扩展部传输；以及第2光纤线缆(290A)，将供电光从扩展部向受电装置传输，第1光纤线缆基于由扩展部扩展前的激光波长(λ1)的损耗‑传输距离特性和由扩展部扩展后的激光波长(λ3)的损耗‑传输距离特性，被设为扩展前的激光波长的损耗与扩展后的激光波长的损耗相等的传输距离(L2)以下的长度。

Description

光纤供电系统
技术领域
本公开涉及光纤供电系统。
背景技术
最近，正在研究将电力转换为光(被称为供电光)进行传输，并将该供电光转换为电能而作为电力利用的光供电系统。
在专利文献1中记载了一种光通信装置，其具备：光发送机，发送通过电信号进行了调制的信号光以及用于供给电力的供电光；光纤，具有传输上述信号光的纤芯(core)、形成在上述纤芯的周围且折射率比上述纤芯小并传输上述供电光的第1包层、以及形成在上述第1包层的周围且折射率比上述第1包层小的第2包层；以及光接收机，通过对在上述光纤的第1包层传输的上述供电光进行转换而得到的电力进行动作，并将在上述光纤的纤芯传输的上述信号光转换为上述电信号。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-135989号公报
发明内容
发明要解决的课题
在光供电中，要求更进一步提高光供电效率。作为用于该目的之一，要求供电侧以及受电侧的光电转换效率的提高。
用于解决课题的手段
本公开的一个方式的光纤供电系统具备：
供电装置，包含通过电力进行激光振荡而输出供电光的半导体激光器；
受电装置，包含将所述供电光转换为电力的光电转换元件；
扩展部，扩展所述供电光的激光波长；
第1光纤线缆，将所述供电光从所述供电装置向所述扩展部传输；以及
第2光纤线缆，将所述供电光从所述扩展部向所述受电装置传输，将所述第1光纤线缆
基于由所述扩展部扩展前的激光波长的损耗-传输距离特性和由所述扩展部扩展后的激光波长的损耗-传输距离特性，设为所述扩展前的激光波长的损耗与所述扩展后的激光波长的损耗相等的传输距离以下的长度。
附图说明
图1是本公开的第1实施方式涉及的光纤供电系统的结构图。
图2是本公开的第2实施方式涉及的光纤供电系统的结构图。
图3是本公开的第2实施方式涉及的光纤供电系统的结构图，是图示了光连接器等的图。
图4是本公开的另一个实施方式涉及的光纤供电系统的结构图。
图5是本公开的第1实施方式涉及的光纤供电系统的具有波长扩展功能的结构例(1)的结构图。
图6是关于多个激光波长的供电光，示出传输目的地中的损耗与传输距离的关系的线图。
图7是本公开的第2实施方式涉及的光纤供电系统的具有波长扩展功能的结构例(2)的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的一个实施方式进行说明。
(1)系统概要
〔第1实施方式〕
如图1所示，本实施方式的光纤供电(PoF：Power over Fiber)系统1A具备供电装置(PSE：Power Sourcing Equipment)110、光纤线缆200A、受电装置(PD：Powered Device)310。
另外，本公开中的供电装置是将电力转换为光能并进行供给的装置，受电装置是接受光能的供给并将该光能转换为电力的装置。
供电装置110包含供电用半导体激光器111。
光纤线缆200A包含形成供电光的传输路径的光纤250A。
受电装置310包含光电转换元件311。
供电装置110与电源连接，供电用半导体激光器111等被电驱动。
供电用半导体激光器111通过来自上述电源的电力进行激光振荡并输出供电光112。
光纤线缆200A的一端201A能够与供电装置110连接，另一端202A能够与受电装置310连接，传输供电光112。
来自供电装置110的供电光112被输入到光纤线缆200A的一端201A，供电光112在光纤250A中传播，并从另一端202A输出到受电装置310。
光电转换元件311将通过光纤线缆200A传输来的供电光112转换为电力。通过光电转换元件311转换的电力成为受电装置310内所需的驱动电力。进而，受电装置310能够将通过光电转换元件311转换的电力输出为外部设备用。
构成发挥供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的光-电间的转换效果的半导体区域的半导体材料被设为具有500nm以下的短波长的激光波长的半导体。
具有短波长的激光波长的半导体由于带隙大，光电转换效率高，所以可提高光供电的发电侧以及受电侧的光电转换效率，光供电效率提高。
为此，作为该半导体材料，例如也可以使用金刚石、氧化镓、氮化铝、GaN等激光波长(基波)为200～500nm的激光介质的半导体材料。
此外，作为该半导体材料，可应用具有2.4eV以上的带隙的半导体。
例如也可以使用金刚石、氧化镓、氮化铝、GaN等带隙2.4～6.2eV的激光介质的半导体材料。
另外，激光处于越是长波长传输效率越良好、越是短波长光电转换效率越良好的倾向。因此，在长距离传输的情况下，也可以使用激光波长(基波)比500nm大的激光介质的半导体材料。此外，在优先光电转换效率的情况下，也可以使用激光波长(基波)比200nm小的激光介质的半导体材料。
这些半导体材料也可以应用于供电用半导体激光器111以及光电转换元件311中的任一者。可提高供电侧或受电侧的光电转换效率，光供电效率提高。
〔第2实施方式〕
如图2所示，本实施方式的光纤供电(PoF：Power over Fiber)系统1包含经由光纤的光供电系统和光通信系统，并具备包含供电装置(PSE：Power Sourcing Equipment)110的第1数据通信装置100、光纤线缆200、以及包含受电装置(PD：Powered Device)310的第2数据通信装置300。
另外，在以下的说明中，原则上对已经进行了说明的结构标注相同的符号，在没有特别提及的情况下，设为与已经进行了说明的结构相同的结构。
供电装置110包含供电用半导体激光器111。第1数据通信装置100除了供电装置110以外，还包含进行数据通信的发送部120和接收部130。第1数据通信装置100相当于数据终端装置(DTE(Data Terminal Equipment))、中继器(Repeater)等。发送部120包含信号用半导体激光器121和调制器122。接收部130包含信号用光电二极管131。
光纤线缆200包含具有形成信号光的传输路径的纤芯210和配置在纤芯210的外周并形成供电光的传输路径的包层220的光纤250。
受电装置310包含光电转换元件311。第2数据通信装置300除了受电装置310以外，还包含发送部320、接收部330、数据处理单元340。第2数据通信装置300相当于电力端站(Power End Station)等。发送部320包含信号用半导体激光器321和调制器322。接收部330包含信号用光电二极管331。数据处理单元340是对接收到的信号进行处理的单元。此外，第2数据通信装置300是通信网络中的节点。或者，第2数据通信装置300也可以是与其他节点进行通信的节点。
第1数据通信装置100与电源连接，供电用半导体激光器111、信号用半导体激光器121、调制器122、信号用光电二极管131等被电驱动。此外，第1数据通信装置100是通信网络中的节点。或者，第1数据通信装置100也可以是与其他节点进行通信的节点。
供电用半导体激光器111通过来自上述电源的电力进行激光振荡并输出供电光112。
光电转换元件311将通过光纤线缆200传输来的供电光112转换为电力。通过光电转换元件311转换的电力被设为发送部320、接收部330以及数据处理单元340的驱动电力、其他第2数据通信装置300内所需的驱动电力。进而，第2数据通信装置300也可以能够将通过光电转换元件311转换的电力输出为外部设备用。
另一方面，发送部120的调制器122基于发送数据124来调制来自信号用半导体激光器121的激光123，输出为信号光125。
接收部330的信号用光电二极管331将通过光纤线缆200传输来的信号光125解调为电信号，并输出到数据处理单元340。数据处理单元340将基于该电信号的数据发送到节点，另一方面，从该节点接收数据，并作为发送数据324而输出到调制器322。
发送部320的调制器322基于发送数据324来调制来自信号用半导体激光器321的激光323，输出为信号光325。
接收部130的信号用光电二极管131将通过光纤线缆200传输来的信号光325解调为电信号并输出。基于该电信号的数据被发送到节点，另一方面，来自该节点的数据被设为发送数据124。
来自第1数据通信装置100的供电光112以及信号光125被输入到光纤线缆200的一端201，供电光112在包层220中传播，信号光125在纤芯210中传播，并从另一端202输出到第2数据通信装置300。
来自第2数据通信装置300的信号光325被输入到光纤线缆200的另一端202，在纤芯210中传播，从一端201输出到第1数据通信装置100。
另外，如图3所示，在第1数据通信装置100设置有光输入输出部140和附设于该光输入输出部140的光连接器141。此外，在第2数据通信装置300设置有光输入输出部350和附设于该光输入输出部350的光连接器351。设置在光纤线缆200的一端201的光连接器230与光连接器141连接。设置在光纤线缆200的另一端202的光连接器240与光连接器351连接。光输入输出部140将供电光112引导到包层220，将信号光125引导到纤芯210，将信号光325引导到接收部130。光输入输出部350将供电光112引导到受电装置310，将信号光125引导到接收部330，将信号光325引导到纤芯210。
如以上那样，光纤线缆200的一端201能够与第1数据通信装置100连接，另一端202能够与第2数据通信装置300连接，传输供电光112。进而，在本实施方式中，光纤线缆200对信号光125、325进行双向传输。
作为构成发挥供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的光-电间的转换效果的半导体区域的半导体材料，可应用与上述第1实施方式同样的材料，实现高光供电效率。
另外，如图4所示的光纤供电系统1B的光纤线缆200B那样，也可以分别设置传输信号光的光纤260和传输供电光的光纤270。光纤线缆200B也可以包含多条。
(2)关于扩展供电光的波长的结构
[具有波长扩展功能的结构例(1)]
接着，参照附图对扩展供电光的波长的结构进行说明。
图5示出以前述的光纤供电系统1A为基础，将使供电光112的波长扩展的扩展部360配置于供电装置110的供电用半导体激光器111与受电装置310的光电转换元件311之间的具有波长扩展功能的结构例(1)。
另外，在以下的说明中，原则上对已经进行了说明的结构标注相同的符号，在没有特别提及的情况下，设为与已经进行了说明的结构相同的结构。
在具有该波长扩展功能的结构例(1)的光纤供电系统1A中，代替光纤线缆200A，通过第1光纤线缆280A和第2光纤线缆290A进行供电光112的传输。而且，在第1光纤线缆280A与第2光纤线缆290A之间插入有扩展部360。
如前所述，供电用半导体激光器111的半导体材料能够使用具有500nm以下的短波长的激光波长的半导体材料。进而，能够使用金刚石、氧化镓、氮化铝、GaN等带隙2.4～6.2eV的激光介质的半导体材料。
这样，在以短波长的激光波输出供电光112的供电用半导体激光器111的情况下，光电转换效率高，因此能够相对于固定的电力以高能量输出供电光。另一方面，短波长的激光的光纤线缆内的传输效率容易下降，传输距离越长，损耗越大。
图6是对于多个激光波长的供电光示出传输目的地的损耗与传输距离的关系(损耗-传输距离特性)的线图。图中的符号λ1～λ3表示激光波长，波长的长度为λ1＜λ2＜λ3。
激光波长最短的λ1的供电光的光电转换效率最高，因此在传输距离0km的地点，损耗最小，但是损耗相对于传输距离的长度的增加率高，在传输距离L1km的地点，损耗最大。
激光波长第二短的λ2的供电光的光电转换效率比λ1低，因此在传输距离0km的地点，损耗比λ1大，但是损耗相对于传输距离的长度的增加率比λ1低，在传输距离Llkm的地点，损耗比λ1小。
激光波长最长的λ3的供电光的光电转换效率最低，因此在传输距离0km的地点，损耗最大，但是损耗相对于传输距离的长度的增加率最低，在传输距离L1km的地点，损耗最小。
而且，例如，在对激光波长最短的λ1的损耗-传输距离特性和激光波长最长的λ3的损耗-传输距离特性进行比较的情况下，最初激光波长最短的λ1的供电光的损耗更小，在传输距离L2km的地点损耗相等，若超过传输距离L2km，则激光波长最长的λ3的损耗更小。
因此，在扩展部360例如具有将供电光112的激光波长从λ1扩展至λ3的特性的情况且从供电用半导体激光器111到光电转换元件311的距离比L2长的情况下，如果在成为传输距离L2的地点或其以下的地点配置扩展部360，则在激光波长λ1的供电光112中，能够减少传输效率的下降的影响，进行有效率的供电。
在具有波长扩展功能的结构例(1)的光纤供电系统1A中，在供电用半导体激光器111与扩展部360之间配置第1光纤线缆280A，在扩展部360与光电转换元件311之间配置第2光纤线缆290A。
进而，在该光纤供电系统1A中，将供电光112的激光波长设为λ1，扩展部360将供电光112的激光波长从λ1扩展到λ3，将第1光纤线缆280A的长度设为L2。
另外，作为扩展部360，例如可使用荧光体。荧光体具有吸收特定的波长的光，并释放与吸收的光不同的波长的光的物理性质。
荧光体使用具有使供电光112的激光波长λ1斯托克斯位移(Stokes shift)为激光波长λ3的特性的荧光体。
荧光体可以是透射型、反射型中的任一个。此外，作为扩展部360，也可以使用能够使使用衍射光栅反射的激光的波长扩展的光学器件等进行波长扩展的其他结构。此外，也可以使用光波导进行波长转换(扩展)。
在具有上述波长扩展功能的结构例(1)的光纤供电系统1A中，基于由扩展部360扩展前的激光波长λ1的损耗-传输距离特性和由扩展部360扩展后的激光波长λ3的损耗-传输距离特性，将第1光纤线缆280A设为与扩展前的激光波长λ1的损耗和扩展后的激光波长λ3的损耗成为相等的传输距离L2相同的长度。
由此，在使用输出光电转换效率高的激光波长λ1的供电光112的供电用半导体激光器111的同时，即使在传输距离变长的情况下，也能够抑制传输效率的下降的影响，能够以高效率进行供电。
另外，第1光纤线缆280A也可以设为L2以下。
另外，光纤线缆能够根据传输的供电光的波长，根据纤芯、包层的母材的材料种类、添加的添加物的种类、添加量等，谋求供电光的传输效率的最佳化。
因此，也可以构成为，第1光纤线缆280A适当选择适合于激光波长λ1的光纤线缆，第2光纤线缆290A适当选择适合于激光波长λ3的光纤线缆。
在该情况下，在对如图1所示的不具有扩展部360的已设的光纤供电系统1A重新进行延长传输距离的改造的情况下，能够调整已设的光纤线缆200A的长度而用作第1光纤线缆280A，能够谋求延长作业负担的减少、作业成本的减少等。
此外，在具有波长扩展功能的结构例(1)的情况下，在供电用半导体激光器111和光电转换元件311中，也可以不使半导体材料的条件相等。关于光电转换元件311，构成发挥光-电转换效果的半导体区域的半导体材料也可以选择至少在比供电用半导体激光器111输出的供电光长的激光波长下光电转换效率变高的激光介质。进而，作为光电转换元件311的半导体材料，也可以选择与由扩展部360扩展前的波长相比扩展后的波长的光电转换效率高的激光介质，进而选择在由扩展部360扩展后的供电光的激光波长下光电转换效率最高的激光介质。
[具有波长扩展功能的结构例(2)]
图7示出以前述的光纤供电系统1为基础，将使供电光112的波长扩展的扩展部360配置于第1数据通信装置100的供电用半导体激光器111与第2数据通信装置300的光电转换元件311之间的具有波长扩展功能的结构例(2)。
在具有该波长扩展功能的结构例(2)的光纤供电系统1中，代替光纤线缆200，通过第1光纤线缆280和第2光纤线缆290进行供电光112的传输。而且，在第1光纤线缆280与第2光纤线缆290之间配置有扩展部360。
扩展部360与前述的图5的具有波长扩展功能的结构例(1)所例示的扩展部相同。
扩展部360将供电光112的激光波长λ1扩展至激光波长λ3。
关于第1光纤线缆280，设置于其一端281的光连接器230与光连接器141连接，另一端282与内置扩展部360的光连接器370连接。
关于第2光纤线缆290，其一端291与光连接器370连接，设置于另一端292的光连接器240与光连接器351连接。
光输入输出部140将供电光112引导到第1光纤线缆280的包层，将信号光125引导到第1光纤线缆280的纤芯，将信号光325引导到接收部130。
光输入输出部350将供电光112引导到受电装置310，将信号光125引导到接收部330，将信号光325引导到第2光纤线缆290的纤芯。
光连接器370将第1光纤线缆280和第2光纤线缆290连结。
光连接器370将第1光纤线缆280的纤芯和第2光纤线缆290的纤芯连接，使其能够进行相互间的信号光125、325的传输。
此外，光连接器370将第1光纤线缆280的包层和第2光纤线缆290的包层经由扩展部360而连接，将供电光的波长从λ1扩展至λ3，从第1光纤线缆280向第2光纤线缆290传输。
在具有上述波长扩展功能的结构例(2)的情况下，也如具有波长扩展功能的结构例(1)的情况那样，扩展部360将供电光112的激光波长从λ1扩展至λ3，将第1光纤线缆280调整为适当的长度，因此能够在以高的光电转换效率输出供电光的同时，使传输效率提高，以高效率供给供电光。此外，能够将供电光传输到更远方。
以上对本公开的实施方式进行了说明，但是该实施方式是作为例子而示出的，能够以其他各种各样的方式进行实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行构成要素的省略、置换、变更。
例如，在图7中示出了将具有波长扩展功能的结构应用于光纤供电系统1的例子，但是与它们相同地，也能够将具有波长扩展功能的结构应用于光纤供电系统1B。
产业上的可利用性
本发明涉及的光供电系统对于改变激光波长来进行供电的光供电系统有产业上的可利用性。
符号说明
1、1A、1B：光纤供电系统；
100：第1数据通信装置；
110：供电装置；
111：供电用半导体激光器；
112：供电光；
120：发出部；
121：信号用半导体激光器；
123：激光；
124：发送数据；
125：信号光；
130：接收部；
131：信号用光电二极管；
200、200A、200B：光纤线缆；
210：纤芯；
220：包层；
250A：光纤；
260：光纤；
270：光纤；
280、280A：第1光纤线缆；
290、290A：第2光纤线缆；
300：第2数据通信装置；
310：受电装置；
311：光电转换元件；
320：发出部；
321：信号用半导体激光器；
323：激光；
324：发送数据；
325：信号光；
330：接收部；
331：信号用光电二极管；
340：数据处理单元；
350：光输入输出部；
360：扩展部；
370：光连接器；
L1、L2：传输距离；
λ1～λ3：激光波长。

Claims (4)

1.一种光纤供电系统，具备：
供电装置，包含通过电力进行激光振荡而输出供电光的半导体激光器；
受电装置，包含将所述供电光转换为电力的光电转换元件；
扩展部，扩展所述供电光的激光波长；
第1光纤线缆，从所述供电装置向所述扩展部传输所述供电光；以及
第2光纤线缆，从所述扩展部向所述受电装置传输所述供电光，
基于由所述扩展部扩展前的激光波长的损耗-传输距离特性和由所述扩展部扩展后的激光波长的损耗-传输距离特性，所述第1光纤线缆是所述扩展前的激光波长的损耗与所述扩展后的激光波长的损耗相等的传输距离以下的长度。
2.根据权利要求1所述的光纤供电系统，其中，
所述扩展部包含荧光体。
3.根据权利要求1或2所述的光纤供电系统，其中，
构成发挥所述半导体激光器的光-电间的转换效果的半导体区域的半导体材料被设为激光波长500nm以下的激光介质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤供电系统，其中，
构成发挥所述光电转换元件的光-电间的转换效果的半导体区域的半导体材料被设为在相比于所述半导体激光器的激光波长较长的波长下光电转换效率变高的激光介质。
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