CN115244874B - 光纤供电系统的供电装置以及光纤供电系统 - Google Patents

Abstract

光纤供电系统(1C、1D)的供电装置(110A)具备：第1激光器(111a)，通过电力进行激光振荡从而输出供电光(112a)；第2激光器(111b)，通过电力进行激光振荡从而输出供电光(112b)；和光输入输出部(140A)，将第1激光器输出的第1供电光以及第2激光器输出的第2供电光输入至光纤(250A)的一个传输路径(2501)。传输路径的输出端面处的第1供电光的光强度分布与传输路径的输出端面处的第2供电光的光强度分布不同，通过将第1供电光以及第2供电光同时输入至传输路径，从而输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。进一步地，通过入射角α1、α2相互不同，从而输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。

Description

光纤供电系统的供电装置以及光纤供电系统

技术领域

本公开涉及光供电。

背景技术

近来，正在研究将电力转换为光(被称为供电光)进行传输、将该供电光转换为电能作为电力进行利用的光供电系统。

专利文献1中记载了一种光通信装置，具备：光发信器，发出被电信号调制的信号光、以及用于提供电力的供电光；光纤，具有进行上述信号光进行传输的芯体、在上述芯体的周围形成且折射率比上述芯体小并传输上述供电光的第1包层、以及在上述第1包层的周围形成且折射率比上述第1包层小的第2包层；和光接收器，以对上述光纤的第1包层中传输的上述供电光进行转换而得到的电力进行动作，将上述光纤的芯体中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-

在使用光纤(250A)作为供电介质，将由激光器(111)输出的光(112)作为供电源而使用的情况下(参照图11、图12)，光由于模式色散而发生到达时间的差(参照图12)。

因此，光纤的输出端(202A)的光强度分布出现偏差，光电转换元件(311)中的光电转换效率降低。

-解决课题的手段-

本公开的一个方式的光纤供电系统的供电装置具备：第1激光器，通过电力进行激光振荡从而输出供电光；第2激光器，通过电力进行激光振荡从而输出供电光；和光输入输出部，将所述第1激光器输出的第1供电光以及所述第2激光器输出的第2供电光输入至光纤的一个传输路径，所述传输路径的输出端面处的所述第1供电光的光强度分布与所述传输路径的输出端面处的所述第2供电光的光强度分布不同，通过将所述第1供电光以及所述第2供电光同时输入至所述传输路径，从而所述输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。

-发明效果-

根据本公开的一个方式的光纤供电系统的供电装置，光纤的供电光输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和，光电转换元件中的光电转换效率得以提高。

附图说明

图1是本公开的第1实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图。

图2是本公开的第2实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图。

图3是本公开的第2实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图，图示了光连接器等。

图4是本公开的其他的一实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图。

图5是将两个激光器作为供电光源的光纤供电系统的结构图。

图6是表示图5的情况下的供电光的光路的图。

图7是表示图6的传输路径的各剖面的剖面。

图8是将两个激光器作为供电光源的光纤供电系统的结构图。

图9是表示图8的情况下的供电光的光路的图。

图10是表示图9的传输路径的各剖面的剖面。

图11是将一个激光器作为供电光源的光纤供电系统的结构图。

图12是表示图11的情况下的供电光的光路与各剖面的到达时间的分散的样子的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的一实施方式进行说明。

(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、光纤电缆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进行提供的装置，受电装置是接受光能的提供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。

光纤电缆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，对供电用半导体激光器111等进行电驱动。

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。

光纤电缆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，对供电光112进行传输。

来自供电装置110的供电光112被输入至光纤电缆200A的一端201A，供电光112在光纤250A中传播，从另一端202A输出至受电装置310。

光电转换元件311将通过光纤电缆200A被传输来的供电光112转换为电力。通过光电转换元件311而被转换的电力作为受电装置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而被转换的电力输出至外部设备用。

构成供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的实现光-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的带隙较大且光电转换效率较高，因此光供电的发电侧以及受电侧的光电转换效率提高，光供电效率提高。

为此，作为该半导体材料，例如可以使用金刚石、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，应用具有2.4eV以上的带隙的半导体。

例如，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，激光存在越是长波长则传输效率越好、越是短波长则光电转换效率越好的趋势。因此，在长距离传输的情况下，可以使用激光波长(基波)大于500nm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，可以使用激光波长(基波)小于200nm的激光介质的半导体材料。

这些半导体材料可以应用于供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的任一者。供电侧或者受电侧的光电转换效率提高，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，具备：包含供电装置(PSE：Power Sourcing Equipment)110的第1数据通信装置100、光纤电缆200、包含受电装置(PD：Powered Device)310的第2数据通信装置300。

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信部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。发信部120包含信号用半导体激光器121、调制器122。接收部130包含信号用光电二极管131。

光纤电缆200包含光纤250，该光纤250具有：芯体210，形成信号光的传输路径；和包层220，被配置在芯体210的外周，形成供电光的传输路径。

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，还包含发信部320、接收部330、数据处理单元340。第2数据通信装置300相当于动力终端站(Power End Station)等。发信部320包含信号用半导体激光器321、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是通信网中的节点。或者，第2数据通信装置300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是通信网中的节点。或者，第1数据通信装置100也可以是与其他的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来输出供电光112。

光电转换元件311将通过光纤电缆200被传输来的供电光112转换为电力。由光电转换元件311进行转换的电力被作为发信部320、接收部330以及数据处理单元340的驱动电力、其他的第2数据通信装置300内所需的驱动电力。进而，也可以第2数据通信装置300能够将由光电转换元件311进行转换的电力输出为外部设备用。

另一方面，发信部120的调制器122基于发送数据124对来自信号用半导体激光器121的激光123进行调制并输出为信号光125。

接收部330的信号用光电二极管331将通过光纤电缆200而被传输来的信号光125解调为电信号，输出至数据处理单元340。数据处理单元340将基于该电信号的数据发送至节点，另一方面，从该节点接收数据，并作为发送数据324输出至调制器322。

发信部320的调制器322基于发送数据324对来自信号用半导体激光器321的激光323进行调制并输出为信号光325。

接收部130的信号用光电二极管131将通过光纤电缆200而被传输来的信号光325解调为电信号并进行输出。基于该电信号的数据被发送至节点，另一方面，来自该节点的数据被作为发送数据124。

来自第1数据通信装置100的供电光112以及信号光125被输入至光纤电缆200的一端201，供电光112在包层220中传播，信号光125在芯体210中传播，从另一端202被输出至第2数据通信装置300。

来自第2数据通信装置300的信号光325被输入至光纤电缆200的另一端202，在芯体210中传播，从一端201被输出至第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设置光输入输出部140和附设于其的光连接器141。此外，在第2数据通信装置300设置光输入输出部350和附设于其的光连接器351。在光纤电缆200的一端201设置的光连接器230连接于光连接器141。在光纤电缆200的另一端202设置的光连接器240连接于光连接器351。光输入输出部140将供电光112导光至包层220，将信号光125导光至芯体210，将信号光325导光至接收部130。光输入输出部350将供电光112导光至受电装置310，将信号光125导光至接收部330，将信号光325导光至芯体210。

如上述，光纤电缆200的一端201能够连接于第1数据通信装置100，另一端202能够连接于第2数据通信装置300，对供电光112进行传输。再有，在本实施方式中，光纤电缆200对信号光125、325进行双向传输。

作为构成供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的实现光-电间的转换效果的半导体区域的半导体材料，应用与上述第1实施方式同样的材料，实现较高的光供电效率。

另外，如图4所示的光纤供电系统1B的光纤电缆200B那样，可以分别设置传输信号光的光纤260、传输供电光的光纤270。光纤电缆200B也可以包含多根。

(2)关于光强度分布的不均匀性的缓和

针对以上的光纤供电系统1A，实施如图5以及图6所示那样从第1半导体激光器111a以及第2半导体激光器111b向一个传输路径2501同时输入供电光的光纤供电系统1C。这里，传输路径2501是芯体，被包层2502包围。另外，也可以对光纤供电系统1、1B中的光供电系统实施。即使将传输路径设为图2的情况下的包层220，也能够同样地实施。

图5所示的供电装置110A具备：通过电力进行激光振荡而输出供电光的作为第1激光器的第1半导体激光器111a、通过电力进行激光振荡而输出供电光的作为第2激光器的第2半导体激光器111b。

进而，供电装置110具备作为光输入输出部的合波器140A。

合波器140A将第1半导体激光器111a输出的第1供电光112a以及第2半导体激光器111b输出的第2供电光112b输入至光纤250A的同一传输路径2501。

这里，将第1供电光112a相对于传输路径2501的输入端面P0的入射角设为α1，将第2供电光112b相对于传输路径2501的输入端面P0的入射角设为α2。图5以及图6所示的光纤供电系统1C是α1＝α2的情况。

例如，在受电装置310A中，经由分波器350A向3个光电转换元件311a、311b、311c分别分配供电光112c、112d、112e。

如图7的上段所示，在输入端面P0，第1供电光112a以及第2供电光112b分别局部地集中，光强度分布的不均匀性较高。

第1供电光112a以及第2供电光112b若在传输路径2501中行进则由于模式色散而不均匀性缓和。相比于仅第1供电光112a的情况或者仅第2供电光112b的情况，由于光的传播的模式较多，因此模式色散变得剧烈。

如图7的中段所示，即使在短距离的剖面P1，光强度分布的不均匀性的缓和也发展到某种程度。假如将剖面P1设为传输路径2501的输出端面的情况下，被输入至光电转换元件311a、311b、311c的供电光112c、112d、112e的光强度分布也分别出现偏差。因此，各光电转换元件311a、311b、311c中的光电转换效率降低。此外，供电光112c、供电光112d、供电光112e中能量不同，光电转换元件311a、311b、311c各自中进行转换输出的电力相互不同。因此，作为整体，效率也降低。

如图7的下段所示，在远距离的剖面P2，光强度分布的不均匀性的缓和进一步发展。假如将剖面P2设为传输路径2501的输出端面的情况下，被输入至光电转换元件311a、311b、311c的供电光112c、112d、112e的光强度分布的均匀性也分别提高。因此，各光电转换元件311a、311b、311c中的光电转换效率提高。此外，在供电光112c、供电光112d、供电光112e中能量的差也被缓和，光电转换元件311a、311b、311c各自中进行转换输出的电力的差变小。因此，作为整体，效率也提高。

考虑假设仅输入第1供电光112a的情况下短距离的剖面P1处的光强度分布、仅输入第2供电光112b的情况下短距离的剖面P1处的光强度分布。

前者的光强度分布与后者的光强度分布不同。成为以另一方的光强度分布的高强度区域来补充一方的光强度分布中的低强度区域的关系。也可以是相互旋转对称地近似的分布。

因此，在将第1供电光112a以及第2供电光112b同时输入至传输路径2501的情况下，相对于仅输入第1供电光112a的情况以及仅输入第2供电光112b的情况的任一者，短距离的剖面P1处的光强度分布的不均匀性被缓和、即均匀性变高。

考虑假设仅输入第1供电光112a的情况下的远距离的剖面P2处的光强度分布、仅输入第2供电光112b的情况下的远距离的剖面P2处的光强度分布。

前者的光强度分布与后者的光强度分布不同。成为以另一方的光强度分布的高强度区域来补充一方的光强度分布中的低强度区域的关系。也可以是相互旋转对称地近似的分布。

因此，在将第1供电光112a以及第2供电光112b同时输入至传输路径2501的情况下，相对于仅输入第1供电光112a的情况以及仅输入第2供电光112b的情况的任一者，远距离的剖面P2处的光强度分布的不均匀性被缓和、即均匀性变高。

因此，与传输距离无关地，通过图5以及图6所示的光纤供电系统1C，将第1供电光112a以及第2供电光112b同时输入至传输路径2501，从而输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。

通过这种的系统1C，光纤250A的输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和，光电转换元件311a、311b、311c中的光电转换效率提高。

图8以及图9所示的光纤供电系统1D是设为α1≠α2的情况，除此以外是与系统1C同样的结构。图中为α1＜α2。

该情况下，如图10的上段所示，在输入端面P0，第1供电光112a以及第2供电光112b也分别局部地集中，光强度分布的不均匀性较高。

第1供电光112a以及第2供电光112b若在传输路径2501中行进，则由于模式色散而不均匀性缓和。相比于仅第1供电光112a的情况或者仅第2供电光112b的情况，由于光的传播的模式较多，因此模式色散变得剧烈。通过设为α1≠α2，模式色散进一步剧烈。

如图10的下段所示，在短距离的剖面P1，光强度分布的不均匀性的缓和也发展。由于设为α1≠α2而模式色散变得剧烈，因此相比于图7的α1＝α2时的剖面P1，光强度分布的均匀性较高。因此，输入至光电转换元件311a、311b、311c的供电光112c、112d、112e的光强度分布的均匀性也提高，各光电转换元件311a、311b、311c中的光电转换效率提高。此外，在供电光112c、供电光112d、供电光112e中能量的差变小，光电转换元件311a、311b、311c各自中进行转换输出的电力的值接近，因此作为整体，效率也提高。

因此，通过设为α1≠α2的光纤供电系统1D，相比于设为α1＝α2的光纤供电系统1C，光电转换元件中的光电转换效率进一步提高。

这里，将输入端面P0处的第1供电光112a的相位设为β1(t)，将输入端面P0处的第2供电光112b的相位设为β2(t)。

在图8以及图9所示的光纤供电系统1D中，设为α1≠α2，但是也可以取代α1≠α2，而设为β1(t)≠β2(t)，从而也能够获得同样的效果。

在设为β1(t)≠β2(t)时，第1供电光112a与第2供电光112b是相同种类激光器光源且相同波长，设为光电转换元件311(311a、311b、311c)的转换波长对应于该波长的结构。根据这种结构，由于作为激光器光源以及光电转换元件，使用一种即可，因此能够有效地构成，在光电转换元件311a、311b、311c中，由于进行受光的供电光的波长相同而仅仅是相位不同，因此转换效率不变。

再有，通过设为α1≠α2、并且设为β1(t)≠β2(t)，能够获得同等以上的效果。

另外，在基于光的信号通信的情况下，为了极力抑制模式色散导致的到达时间的波动的影响，使用GI模式光纤，但在光供电传输的情况下，由于不是以信号提取为目的，因此也能够利用不是GI模式的光纤进行传输。无论哪种情况，入射角α1、α2都设为能够全反射的临界角以内来实施。

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表示的，能够以其他各种的方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行结构要素的省略、置换、变更。

也可以将设置于受电装置310A的光电转换元件作为一个来实施。即使将设置于受电装置310A的光电转换元件设为一个，由于光电转换元件的受光面的光强度分布的均匀化发展，因此也能够得到同样的效果。

另外，在供电装置110A中，也可以实施从3个以上的激光器向同一传输路径输入供电光的结构。在该情况下，优选设置至少一个入射角不同的激光器。进而，入射角也可以全部不同。

产业上的可利用性

本发明能够在光供电中利用。

符合说明

1A 光纤供电系统

1 光纤供电系统

1B 光纤供电系统

1C 光纤供电系统

1D 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

111a 第1半导体激光器

111b 第2半导体激光器

112 供电光

120 发信部

125 信号光

130 接收部

140 光输入输出部

141 光连接器

200A 光纤电缆

200 光纤电缆

200B 光纤电缆

210 芯体

220 包层

250A 光纤

250 光纤

260 光纤

270 光纤

300 第2数据通信装置

310 受电装置

311 光电转换元件

320 发信部

325 信号光

330 接收部

350 光输入输出部

351 光连接器。

Claims (6)

1.一种光纤供电系统的供电装置，具备：

第1激光器，通过电力进行激光振荡来输出供电光；

第2激光器，通过电力进行激光振荡来输出供电光；和

光输入输出部，将所述第1激光器输出的第1供电光以及所述第2激光器输出的第2供电光输入至光纤的一个传输路径，

所述传输路径的输出端面处的所述第1供电光的光强度分布与所述传输路径的输出端面处的所述第2供电光的光强度分布不同，

通过将所述第1供电光以及所述第2供电光同时输入至所述传输路径，从而所述输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。

2.根据权利要求1所述的光纤供电系统的供电装置，其中，

进一步地，通过所述第1供电光相对于所述传输路径的输入端面的入射角与所述第2供电光相对于所述传输路径的输入端面的入射角不同，从而所述输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的光纤供电系统的供电装置，其中，

进一步地，通过所述传输路径的输入端面处的所述第1供电光的相位与所述传输路径的输入端面处的所述第2供电光的相位不同，从而所述输出端面处的光强度分布的不均匀性被缓和。

4.根据权利要求1至权利要求3的任一项所述的光纤供电系统的供电装置，其中，

所述第1激光器以及所述第2激光器设为半导体激光器，

构成所述半导体激光器的实现光-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。

5.一种光纤供电系统，具备：

权利要求1至权利要求4的任一项所述的供电装置；

受电装置，包含将所述第1供电光以及所述第2供电光转换为电力的光电转换元件；和

光纤电缆，一端被设为能够连接于所述供电装置，另一端被设为能够连接于所述受电装置，对所述第1供电光以及所述第2供电光进行传输。

6.根据权利要求5所述的光纤供电系统，其中，

构成所述光电转换元件的实现光-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。