JP2023153145A - データ通信装置及び光給電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】光給電における光電変換効率を向上する。【解決手段】電力によりレーザー発振して給電光を他のデータ通信装置へ出力する給電用半導体レーザーと、電力によりレーザー発振して信号光を前記他のデータ通信装置へ出力する信号用半導体レーザーと、第１光ケーブルを介して前記給電光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、第２光ケーブルを介して前記信号光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、を備えたデータ通信装置であって、前記給電用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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム又はＧａＮとされる。【選択図】図４

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。そのための一つとして、光電変換効率の向上が求められている。
本開示の１つの態様のデータ通信装置（第１のデータ通信装置）は、電力によりレーザー発振して給電光を他のデータ通信装置へ出力する給電用半導体レーザーと、電力によりレーザー発振して信号光を前記他のデータ通信装置へ出力する信号用半導体レーザーと、第１光ケーブルを介して前記給電光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、第２光ケーブルを介して前記信号光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、を備え、
前記給電用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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム又はＧａＮとされる。
本開示の１つの態様のデータ通信装置（第２のデータ通信装置）は、他のデータ通信装置から給電光を伝送するための第１光ケーブル及び前記他のデータ通信装置から第１信号光を伝送するための第２光ケーブルが接続可能なデータ通信装置であって、前記第１光ケーブルを介して受光する前記給電光を電力に変換する光電変換素子と、前記第２光ケーブルを介して受光する前記第１信号光を受信するための受信部と、を含み、
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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム又はＧａＮとされる。
また、光給電システムおいて、給電装置は、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であって、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る。
また１つの態様おいては、同半導体材料が、バンドギャップ２．４ｅＶ以上のレーザー媒体とされる。
また１つの態様おいては、同半導体材料がダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム及びＧａＮから選択される一つとされる。
一方、受電装置の１つの態様おいては、給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置であって、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る。
また１つの態様おいては、同半導体材料が、バンドギャップ２．４ｅＶ以上のレーザー媒体とされる。
また１つの態様おいては、同半導体材料がダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム及びＧａＮから選択される一つとされる。
本開示の１つの態様のデータ通信装置及び光給電システムによれば、光電変換効率の高い半導体材料により、光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
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。
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。
〔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:Power 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:Power 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(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。
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。
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。
また、光ファイバー給電システムについて説明したが、光給電一般にも適用可能である。
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
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

Claims (10)

  1. 電力によりレーザー発振して給電光を他のデータ通信装置へ出力する給電用半導体レーザーと、
    電力によりレーザー発振して信号光を前記他のデータ通信装置へ出力する信号用半導体レーザーと、
    第１光ケーブルを介して前記給電光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、
    第２光ケーブルを介して前記信号光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、を備え、
    前記給電用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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるダイヤモンドとされたデータ通信装置。
  2. 電力によりレーザー発振して給電光を他のデータ通信装置へ出力する給電用半導体レーザーと、
    電力によりレーザー発振して信号光を前記他のデータ通信装置へ出力する信号用半導体レーザーと、
    第１光ケーブルを介して前記給電光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、
    第２光ケーブルを介して前記信号光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、を備え、
    前記給電用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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶである酸化ガリウムとされたデータ通信装置。
  3. 電力によりレーザー発振して給電光を他のデータ通信装置へ出力する給電用半導体レーザーと、
    電力によりレーザー発振して信号光を前記他のデータ通信装置へ出力する信号用半導体レーザーと、
    第１光ケーブルを介して前記給電光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、
    第２光ケーブルを介して前記信号光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、を備え、
    前記給電用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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶである窒化アルミニウムとされたデータ通信装置。
  4. 電力によりレーザー発振して給電光を他のデータ通信装置へ出力する給電用半導体レーザーと、
    電力によりレーザー発振して信号光を前記他のデータ通信装置へ出力する信号用半導体レーザーと、
    第１光ケーブルを介して前記給電光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、
    第２光ケーブルを介して前記信号光を前記他のデータ通信装置へ出力するための出力部と、を備え、
    前記給電用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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるＧａＮとされたデータ通信装置。
  5. 他のデータ通信装置から給電光を伝送するための第１光ケーブル及び前記他のデータ通信装置から第１信号光を伝送するための第２光ケーブルが接続可能なデータ通信装置であって、
    前記第１光ケーブルを介して受光する前記給電光を電力に変換する光電変換素子と、
    前記第２光ケーブルを介して受光する前記第１信号光を受信するための受信部と、を含み、
    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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるダイヤモンドとされたデータ通信装置。
  6. 他のデータ通信装置から給電光を伝送するための第１光ケーブル及び前記他のデータ通信装置から第１信号光を伝送するための第２光ケーブルが接続可能なデータ通信装置であって、
    前記第１光ケーブルを介して受光する前記給電光を電力に変換する光電変換素子と、
    前記第２光ケーブルを介して受光する前記第１信号光を受信するための受信部と、を含み、
    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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶである酸化ガリウムとされたデータ通信装置。
  7. 他のデータ通信装置から給電光を伝送するための第１光ケーブル及び前記他のデータ通信装置から第１信号光を伝送するための第２光ケーブルが接続可能なデータ通信装置であって、
    前記第１光ケーブルを介して受光する前記給電光を電力に変換する光電変換素子と、
    前記第２光ケーブルを介して受光する前記第１信号光を受信するための受信部と、を含み、
    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は、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶである窒化アルミニウムとされたデータ通信装置。
  8. 他のデータ通信装置から給電光を伝送するための第１光ケーブル及び前記他のデータ通信装置から第１信号光を伝送するための第２光ケーブルが接続可能なデータ通信装置であって、
    前記第１光ケーブルを介して受光する前記給電光を電力に変換する光電変換素子と、
    前記第２光ケーブルを介して受光する前記第１信号光を受光するための受信部と、を含み、
    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、レーザー波長が２００～５００ｎｍまたはバンドギャップが２．４～６．２ｅＶであるＧａＮとされたデータ通信装置。
  9. 発信部を備え、
    前記発信部は、前記電力に基づき前記第２信号光を前記第２光ケーブルを介して前記他のデータ通信装置に送信する、
    請求項５から請求項８のうちいずれか一に記載のデータ通信装置。
  10. 請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のデータ通信装置と、
    当該データ通信装置による給電光を電力に変換する光電変換素子と、当該データ通信装置による信号光を受光するための受信部と、を含む他のデータ通信装置と、
    請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のデータ通信装置と前記他のデータ通信装置に接続される第１光ケーブルおよび第２光ケーブルと、を備える光給電システム。
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