JP2021027453A - 光ファイバー給電システム及び光ファイバーケーブル - Google Patents

光ファイバー給電システム及び光ファイバーケーブル Download PDF

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Abstract

【課題】給電光の伝送効率を向上する。【解決手段】光ファイバー給電システム（１）における光ファイバーケーブル（２００）は、信号光（１２５，３２５）を伝送するコア（２１０）と、コアの周囲に接して位置し給電光（１１２）を伝送する第１クラッド（２２０）と、第１クラッドの周囲に接して位置する第２クラッド（２２１）とを有する。第１クラッドの径方向屈折率分布は、コア及び第２クラッドから離れた内部位置（ｒ２）における極大値からコア及び第２クラッドのそれぞれに接する位置（ｒ１，ｒ３）に向かって漸減する分布である。第１クラッドのコアに接する位置における屈折率より、コアの屈折率が高い。【選択図】図５

Description

本開示は、光給電に関する。
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。
上記従来技術のようにコアで信号光を、第１クラッドで給電光を伝送する場合にあっては、給電光の伝送効率を向上するために、第１クラッドにおける伝送ロスを削減することが求められる。
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、前記光ファイバーケーブルは、信号光を伝送するコアと、前記コアの周囲に接して位置し前記給電光を伝送する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に接して位置する第２クラッドとを有し、前記第１クラッドの径方向屈折率分布は、前記コア及び前記第２クラッドから離れた内部位置における極大値から前記コア及び前記第２クラッドのそれぞれに接する位置に向かって漸減する分布であり、前記第１クラッドの前記コアに接する位置における屈折率より、前記コアの屈折率が高い。
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、給電光を伝送する第１クラッドがグレーデッドインデックス型マルチモードの光伝送路となり、第１クラッドにおける給電光の伝送ロスを削減することができて、給電光の伝送効率を向上することができる。そのため、光給電効率を向上することができる。
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。 光ファイバーの軸に垂直な断面図(a)、軸を含む断面図(b)、径方向屈折率分布の一例(c1)、径方向屈折率分布の他の一例(c2)をそれぞれ示す。
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。
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）グレーデッドインデックス型の第１クラッドを有する光ファイバーケーブルの実施形態
次に、グレーデッドインデックス型の第１クラッドを有する光ファイバーケーブルの実施形態につき図２及び図３に加え図５を参照して説明する。
上記第２実施形態として説明した光ファイバー給電システム１（図２及び図３よって示される構成）において、上記の光ファイバーケーブル２００に含まれる光ファイバー２５０を以下の構成として実施する。
光ファイバー２５０の軸に垂直な断面図を図５(a)に、軸を含む断面図を図５(b)に、径方向屈折率分布の一例を図５(c1)に、径方向屈折率分布の他の一例を図５(c2)に示す。
光ファイバー２５０は、信号光１２５，３２５を伝送するコア２１０と、コア２１０の周囲に接して位置し給電光１１２を伝送する第１クラッド２２０と、第１クラッドの周囲に接して位置する第２クラッド２２１とを有する。
図５に示すように、コア２１０は、ステップインデックス型マルチモードファイバーのコアと同様のマルチモードの光伝送路であり、一定の屈折率を有する。
第１クラッド２２０の径方向屈折率分布は、コア２１０及び第２クラッド２２１から離れた内部位置ｒ２における極大値からコア２１０及び第２クラッド２２１のそれぞれに接する位置ｒ１，ｒ３に向かって漸減する分布である。
第１クラッド２２０のコア２１０に接する位置ｒ１における屈折率より、コア２１０の屈折率が高い。これにより、コア２１０内に信号光を高効率に閉じ込める。
図５(c1)に示すように第１クラッド２２０の第２クラッド２２１に接する位置ｒ３における屈折率より、第２クラッド２２１の屈折率が低い分布を実施してもよい。第１クラッド２２０の内周側位置（ｒ１）及び外周側位置（ｒ３）において、屈折率の落差を確保でき、第１クラッド２２０内に給電光を高効率に閉じ込める。
以上の実施形態によれば、給電光を伝送する第１クラッド２２０がグレーデッドインデックス型マルチモードの光伝送路となる。これにより、第１クラッド２２０における給電光の伝送ロスを削減することができて、給電光１１２の伝送効率を向上することができる。そのため、光給電効率を向上することができる。
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。
以上の実施形態に拘わらず、コア２１０もグレーデッドインデックス型にして実施してもよい。
第１クラッド２２０の屈折率の極大値（径方向位置ｒ２）と、コア２１０の屈折率（極大値）との大小関係は、任意に実施することができる。前者と後者とを等しくしてもよいし、前者を後者より高くしてもよいし、前者を後者より低くしてもよい。
また、コア、第１クラッド、第２クラッド、第３クラッドの４重構造の光ファイバーにも適用することができる。
つまり、コアをステップインデックス側マルチモードファイバーとし、給電光を伝送するクラッドをグレーデッドインデックス型マルチモードファイバーにすることもできる。
１Ａ 光ファイバー給電システム（光給電システム）
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
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（第１クラッド）
２２１ 第２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
４０１ 可視光
４１０ 蓋部材
４１１ 波長変換材
４２０ 蓋部材
４２１ 波長変換材
６００ 光伝送電源ケーブル

Claims (5)

  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、
    前記光ファイバーケーブルは、信号光を伝送するコアと、前記コアの周囲に接して位置し前記給電光を伝送する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に接して位置する第２クラッドとを有し、
    前記第１クラッドの径方向屈折率分布は、前記コア及び前記第２クラッドから離れた内部位置における極大値から前記コア及び前記第２クラッドのそれぞれに接する位置に向かって漸減する分布であり、
    前記第１クラッドの前記コアに接する位置における屈折率より、前記コアの屈折率が高い光ファイバー給電システム。
  2. 前記第１クラッドの前記第２クラッドに接する位置における屈折率より、前記第２クラッドの屈折率が低い請求項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又は請求項２に記載の光ファイバー給電システム。
  4. 光通信及び光給電用の光ファイバーケーブルであって、
    信号光を伝送するコアと、前記コアの周囲に接して位置し給電光を伝送する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に接して位置する第２クラッドとを有し、
    前記第１クラッドの径方向屈折率分布は、前記コア及び前記第２クラッドから離れた内部位置における極大値から前記コア及び前記第２クラッドのそれぞれに接する位置に向かって漸減する分布であり、
    前記第１クラッドの前記コアに接する位置における屈折率より、前記コアの屈折率が高い光ファイバーケーブル。
  5. 前記第１クラッドの前記第２クラッドに接する位置における屈折率より、前記第２クラッドの屈折率が低い請求項４に記載の光ファイバーケーブル。
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