JP2021069167A

JP2021069167A - 光給電システム

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Publication number: JP2021069167A
Application number: JP2019191752A
Authority: JP
Inventors: 巣山　武彦; Takehiko Suyama; 武彦巣山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-04-30
Also published as: US20220393773A1; WO2021079703A1

Abstract

【課題】光給電効率の向上を図る。【解決手段】電力によりレーザー発振して給電光１１２をパルス出力する半導体レーザー１１１を含む給電装置１１０と、給電光１１２を電力に変換する光電変換素子３１１を含む受電装置３１０とを備え、給電装置１１０は、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部１５０を有し、受電装置３１０は、給電光１１２からクロック信号を取り出すクロック信号抽出部３６２を有する。これにより、電力供給量をより適正に制御し、別途、クロック信号を送信する必要がなく、光給電効率の向上が図られる。【選択図】図５

Description

本開示は、光給電システムに関する。

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。そのための一つとして、給電側及び受電側における光電変換効率の向上が求められている。
また、電力伝送と併せてデータ送信する場合に、給電光とは別に信号光を伝送する必要があった。さらに、電力伝送と併せて簡便にクロック信号を送信することを目的とする。

本開示の１つの態様の光給電システムは、
電力によりレーザー発振して給電光をパルス出力する半導体レーザーを含む給電装置と、
前記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、
前記給電装置は、前記給電光のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部を有し、
前記受電装置は、前記給電光からクロック信号を取り出すクロック信号抽出部を有する。

本開示の１つの態様の光給電システムによれば、給電側及び受電側における光給電効率の向上を図ることが可能となる。
また、給電光の伝送に伴って簡便にクロック信号を送信することが可能となる。

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。光ファイバー給電システムに給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成を付加した構成例(1)の構成図である。ＰＷＭ制御で出力される給電光の強度変化を示す線図であって、図６（Ａ）は給電量が中程度の場合を示し、図６（Ｂ）は給電量がより大きな場合を示す。光ファイバー給電システムに給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成を付加した構成例(2)の構成図である。

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給電システムとして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給電システムとして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光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。
なお、以下の説明では、原則として、既に説明された構成については同一の符号を付して、特に言及がない場合には既に説明された構成と同一の構成とする。
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(DTEP(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の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に示す光給電システムとしての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のように、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）給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成について
［給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(1)］
次に、給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(1)について図５を参照して説明する。図５は前述した光ファイバー給電システム１Ａに給電用半導体レーザー１１１がパルス出力を行う構成を付加した構成例(1)の構成図である。
構成例(1)では、給電装置１１０の給電用半導体レーザー１１１がパルス出力を行うために、例えば、給電用半導体レーザー１１１の励起源のＯＮ（点灯状態）とＯＦＦ（消灯状態）とを切り替える制御装置１５０が設けられている。
この制御装置１５０は、一定周期で連続的にＯＮとＯＦＦと交互に繰り返すと共に、ＯＮ期間の比率（デューティー比）を増減させて出力を調節するＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御を実施する。例えば、受電装置３１０側で要求される電力が中程度の場合には、図６（Ａ）に示すように、パルス出力のＯＮ期間の幅を中程度とし、受電装置３１０側で要求される電力がより大きい場合には、図６（Ｂ）に示すように、パルス出力のＯＮ期間の幅を図６（Ａ）の場合よりも大きくする。

また、上記制御装置１５０は、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化する処理を行う。即ち、制御装置１５０は、給電装置１１０と受電装置３１０との間でクロック同期を図るために、予め定められた周期（クロック周期）を維持して給電光１１２をパルス出力するように給電用半導体レーザー１１１を制御する。なお、制御装置１５０によるクロック同期を図るための周期は、変更することが可能である。
これにより、制御装置１５０は、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部として機能する。
なお、制御装置１５０は、マイクロコンピュータから構成されてもよいし、アナログ回路又はデジタル回路を利用したシーケンサから構成されてもよい。

このように、クロック同期を図るために予め定められた周期で給電光１１２をパルス出力する場合でも、給電光１１２の出力は、ＰＷＭ制御におけるデューティー比を調整することにより任意に調整可能であるため、受電装置３１０側にクロック信号を送信しつつも目標とする出力で給電を行うことが可能である。

一方、受電装置３１０の光電変換素子３１１は、パルス出力された給電光１１２を受光してパルス的に電力を出力する。
そして、図５に示すように、光電変換素子３１１には、パルス的に出力される電力を平滑化する電力平滑化デバイス３６１が併設されている。この電力平滑化デバイス３６１は、平滑化回路を含み、周期的にＯＮとＯＦＦを繰り返す電力を平滑化し、周期的に緩やかな増加と減少を繰り返す平滑化電力に変換して、電力供給先となる外部機器等の図示しない負荷に入力する。なお、電力平滑化デバイス３６１は、増減しないほぼ一定の電力を出力可能な平滑化回路を有する構成としてもよい。

また、受電装置３１０は、光電変換素子３１１が出力するパルス的な電力からクロック信号を抽出するクロック信号抽出部３６２を備えている。このクロック信号抽出部３６２は、光電変換素子３１１が出力するパルス的な電力からＯＮとＯＦＦとが繰り返される周期に等しいクロック信号を生成し、出力する。
クロック信号抽出部３６２は、生成したクロック信号を制御装置３６３に出力する。
これにより、受電装置３１０の制御装置３６３は、給電装置１１０の制御装置１５０とクロック同期が図られ、制御装置１５０と制御装置３６３とが同期的に連携を行って各々に定められた所定の制御又は処理を実行する。

このように、構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａは、半導体レーザー１１１が給電光をパルス出力するので、レーザー波長を一定に維持したまま電力供給量の制御を容易に行うことが可能となる。例えば、半導体レーザー１１１の給電光のパルス出力のデューティー比を変更することで比例的に電力供給量を増減させることができ、電力供給量をより適正に制御することが可能となる。
また、電力供給量を増減させることができるため、給電装置１１０から出力される給電光に基づく電力供給量が過剰となる場合に、適正に対応し、過剰な電力供給を抑制することが可能となる。

そして、構成例(1)では、給電光１１２のパルス出力について、電力供給量の制御という用途に加えて、新たな用途として、給電光１１２のパルスによってクロック信号を生成し、給電装置１１０から受電装置３１０にクロック信号を送ることを可能としている。このため、給電光１１２のパルス出力による電力供給量の適正化に伴い、装置間のクロック同期を図ることが可能である。
さらに、給電装置１１０と受電装置３１０の間において、簡便にクロック信号を送ることができ、独立した信号送信経路を設けることなく、給電装置１１０と受電装置３１０とのクロック同期を図ることが可能である。
これにより、例えば、情報処理装置同士のクロック同期、無線通信の基地局のクロック同期等、高い精度でのクロック同期の要求がある装置間の一方に給電装置１１０を搭載し、他方に受電装置３１０を搭載することで、給電を行いつつ良好なクロック同期を実現することが可能となる。

また、構成例(1)によれば、装置間でクロック信号の通信手段を有していない場合でも、給電を行う光ファイバーケーブル２００Ａを通じてクロック信号を送信してクロック同期を実現することが可能となる。例えば、車載カメラのフレームレートとＬＥＤ等の車載照明装置等の間で適正な撮像を行うために照明の点滅周期を制御する場合等の用途にも有効である。
さらに、構成例(1)によれば、装置間でクロック信号の通信手段を有する場合であっても、給電装置１１０側と受電装置３１０側とで、システムの立ち上げが完了する前段階でクロック同期を図ることが可能である。
なお、ここで述べた用途は、一例に過ぎず、給電装置１１０と受電装置３１０との間でクロック同期を図る必要があるあらゆる用途に構成例(1)を適用することが可能である。

また、受電装置３１０側には、受電装置３１０が変換した電力を平滑化する電力平滑化デバイス３６１が設けられているので、変動の少ない安定的な電力供給を行うことが可能となる。

［給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(2)］
次に、給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(2)について図７を参照して説明する。図７は前述した光ファイバー給電システム１に給電用半導体レーザー１１１がパルス出力を行う構成を付加した構成例(2)の構成図である。
構成例(2)では、給電装置１１０を有する第１のデータ通信装置１００側には、構成例(1)と同じ制御装置１５０が設けられ、規定の周期で給電光１１２をパルス出力して、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化する処理が行われる。

また、第２のデータ通信装置３００側には、構成例(1)と同じ電力平滑化デバイス３６１、クロック信号抽出部３６２及び制御装置３６３が設けられている。
電力平滑化デバイス３６１は、平滑化電力を第２のデータ通信装置３００の各構成に供給する。
クロック信号抽出部３６２は、生成したクロック信号を制御装置３６３や演算装置を備えるデータ処理ユニット３４０にクロック信号を出力する。

構成例(2)の光ファイバー給電システム１は、構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａと同一の効果を有する。
また、この構成例(2)の光ファイバー給電システム１は、第１のデータ通信装置１００と第２のデータ通信装置３００との間で信号光１２５，３２５による通信を行うことが可能であるため、クロック信号は信号光１２５によって送信することも可能である。
しかしながら、構成例(2)は、給電光１１２によってクロック信号を送信することにより、信号光１２５でのデータ通信の渋滞を抑制し、通信量の拡大を図ることが可能となる。
また、第１のデータ通信装置１００と第２のデータ通信装置３００とがシステムの立ち上げを完了する前に、給電光１１２の送受信の開始時からいち早くクロック同期を図ることが可能となる。
また、この構成例２の光ファイバー給電システム１も、装置間でクロック同期を図る必要があるあらゆる用途に適用することが可能である。

［その他］
以上、本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、一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。

例えば、構成例２では光ファイバー給電システム１に給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成を適用した例を示しているが、給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成やクロック信号の送受信を行う構成を光ファイバー給電システム１Ｂにも適用することが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ光ファイバー給電システム
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
１５０制御装置（クロック信号生成部）
２００，２００Ａ，２００Ｂ光ファイバーケーブル
３００第２のデータ通信装置
３１０受電装置
３１１光電変換素子
３４０データ処理ユニット
３６１電力平滑化デバイス
３６２クロック信号抽出部
３６３制御装置

Claims

電力によりレーザー発振して給電光をパルス出力する半導体レーザーを含む給電装置と、
前記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、
前記給電装置は、前記給電光のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部を有し、
前記受電装置は、前記給電光からクロック信号を取り出すクロック信号抽出部を有する光給電システム。
前記給電装置は、前記半導体レーザーからの給電量を前記給電光のパルス幅によって調節する制御装置を備える請求項１に記載の光給電システム。
前記受電装置は、変換した電力を平滑化する平滑化回路を備える請求項１又は２に記載の光給電システム。
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から３のいずれか一項に記載の光給電システム。
前記光電変換素子の光‐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から４のいずれか一項に記載の光給電システム。