JP4091001B2 - 光給電システム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを介してエネルギーを伝達し、給電を行う光給電システムに関する。

光給電は、光通信の端末機器や遠隔地のセンサ等へ光ファイバで電力を供給することで、電源用のメタル芯線や現地での電源確保を不要とするものである。

光ファイバを介して給電を行う光給電システムは、光ファイバを接続するだけで電気配線の工事が不要であるので、古くから提案されている。この光給電装置は、給電側において強力な光源により光エネルギーを発生し、この光エネルギーを光ファイバを介して伝送し、被給電側においてフォトダイオードや太陽電池により光電変換することにより、電気エネルギーに変換するように構成される。

たとえば、特開平５−２６８１９１号公報（特許文献１）には、光を偏波合成多重することで、光パワーの伝送効率を向上させる光給電に関する技術が開示されている。また、特開平５−２６８１９２号公報（特許文献２）には、光受信方法により、受光後の出力電圧を向上させる光給電に関する技術が開示されている。
特開平５−２６８１９１号公報 特開平５−２６８１９２号公報

このような光給電システムでは、給電側において電力で光を発生する光源における損失と、被給電側における光−電気変換による損失が発生する。かかる損失を低減させて、効率を向上するために種々の改良が提案されている。

図８は、特開平５−２６８１９１号公報（特許文献１）に開示された従来の光給電装置の構成を示す図である。

図８では、伝送する電力を大きくするために、光源として波長λ１〜λｎの異なるレーザ光を発生するｎ個のレーザダイオード１１０．１〜１１０．ｎが用いられる。これら波長λ１〜λｎのレーザ光は、合流器１１５で合流されて偏光制御器１１１により偏光され、定偏波ファイバ１１２を介して伝送される。

被給電側に伝送されたレーザ光は、分波器１１６により、それぞれ２つの偏光成分を有する波長λ１〜λｎのレーザ光に分波される。そして、各レーザ光の２つの偏光成分がそれぞれビームスプリッタ１１３．１〜１１３．ｎにより分離され、各対のレーザダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２）〜（ＰＤｎ１，ＰＤｎ２）により光電変換される。

しかしながら、光ファイバを用いた光給電では、光ファイバの細いコアにエネルギーが集中して伝播する。光ファイバ中を通過する光の強度があるしきい値を超えると、非線形現象が生じ、そのため損失が発生する。特に、光通信用のシングルモードファイバで大きなパワーの光を伝送しようとすると、非線形現象が生じやすい。

非線形現象には、たとえば、入射光とコアのガラス中に発生する音波との相互作用により発生するブリルアン散乱が含まれる。大きな電力を効率よく供給するには、光伝送路におけるこのような損失を低減させる必要がある。

本発明の目的は、シンプルな構成によって効率のよい光波長多重伝送を実現し、大きな電力を供給することが可能な光給電システムを提供することである。

この発明は、要約すると、光給電システムであって、複数の光源と、複数の光源から出力される光をそれぞれ伝達する複数の第１の光ファイバと、複数の第１の光ファイバに接続され、複数の第１の光ファイバによって伝達される光を多重し、複数の多重光を分岐して出力する光結合器と、光結合器の出力に各々の一方端が接続され、複数の多重光をそれぞれ伝達する複数の第２の光ファイバと、複数の第２の光ファイバの他方端から出力される光を受けて発電する発電手段とを含む。

好ましくは、複数の光源の各々は、第２の光ファイバの非線形境界を超える強度を有する光を出力し、複数の第２の光ファイバの各々は、第１の光ファイバよりも長く、複数の第２の光ファイバの各々によって伝達される多重光は、各々の強度が非線形性境界未満である複数の光を含む。

好ましくは、発電手段は、複数の第２の光ファイバの他方端にそれぞれ取り付けられ光を電力に変換する複数の変換手段を含む。

より好ましくは、複数の変換手段の出力がまとめられ１つのユーザに給電される。

より好ましくは、複数の変換手段は、互いに離れた位置に配置され、それぞれ複数のユーザに電力を供給する。

好ましくは、光結合器は、入力が複数の第１の光ファイバに接続され出力が複数の第２の光ファイバに接続される光ファイバカプラーを含む。

好ましくは、複数の光源がそれぞれ出力する複数の光は、互いに波長が異なる。

本発明によれば、光ファイバ中におけるエネルギーの伝送損失が低減され、効率のよい光給電システムが実現できる。また、光ファイバカプラを光結合器として用いることにより、安価でシンプルな構成にすることができる。さらに、複数の光源のうちの１つに故障が発生した場合にも、供給電力は低減されるがユーザの一部に対し電力の供給が途絶えてしまうことを防ぐことができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は、同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の光給電システムの構成を示した図である。

図１を参照して、光給電システム１は、電源に接続され光を出力するセンター局２と、センター局から光を受けるユーザ局４と、センター局２とユーザ局４とを接続する光ファイバケーブル６とを含む。

センター局２には、電源から各々に電力が供給される複数の光源１０．１〜１０．Ｎと、光源１０．１〜１０．Ｎにそれぞれ接続される単芯の光ファイバ１１．１〜１１．Ｎと、光ファイバ１１．１〜１１．Ｎによって伝送される光を結合し光ファイバケーブル６に送出する光結合器１２とを含む。

光ファイバケーブル６は、多芯ケーブルであり、Ｎ本の光ファイバ６．１〜６．Ｎを含む。光結合器１２は、Ｎ本の光ファイバが入力に接続され、Ｎ本の光ファイバ６．１〜６．Ｎが出力に接続されるＮ対Ｎカプラである。

ユーザ局４は、光ファイバ６．１〜６．Ｎにそれぞれ接続される光電変換器１４．１〜１４．Ｎと、光電変換器１４．１〜１４．Ｎによって光から変換された電力を受ける負荷１５とを含む。

光電変換器１４．１〜１４．Ｎの各々は、入力された光を電力に変換するものであり、たとえば太陽電池などがこれに用いられる。

図１に示すように、光結合器を用いてＮ本の光ファイバ６．１〜６．Ｎの各々に各光源の光をほぼＮ分の１の強度にして伝送する。光源としては、パワー用途のレーザ、たとえばポンプレーザが用いられる。１つの光あたりの強度が低くなるので光ファイバ中の非線形現象は発生しにくくなる。

光ケーブルにおいては、光ファイバ心線は、４本もしくは８本の光ファイバを平たく束ねてテープ状にした、テープ心線として収容する構造になっていることが多い。光ファイバの接続もテープ単位に行なわれることが一般である。このためＮを４もしくは８とすれば、１つのテープで光を伝送するという方式になるため、施工を行なう上でも自然な形態であり、作業も簡易である。

ここで、１本のファイバ中に複数の光源からの光が入射されるので、個別には一旦低くなった光強度が複数の光の相互作用により再び高くなり非線形現象が発生してしまうのではないかという懸念が生じる。

しかし、同一光源の光ではなく、異なる光源の光であるため、コヒーレンスが低く非線形現象は発生しにくくなる。パワー用途のレーザは、通信用のレーザのように個別素子の波長の精度が高いわけではなく、その出力光の波長は個別の素子ごとに異なる場合が多い。したがって、複数のパワー用途のレーザから放出された光が、光ファイバ中で干渉して強度が強まり非線形現象を起こすことは考えにくい。また、たとえ波長が同じであったとしても、位相が異なれば干渉しにくいので、非線形現象は発生しにくい。

つまり、異なる光源から出力される光であれば、出力する光の波長は同じであっても光ファイバの伝送損失を低減させることができる。異なる光源から出力される光であれば、近い波長を有していても位相まで揃うことは考えにくく、光ファイバ内での非線形現象は発生しにくいからである。

したがって、光源から光結合器１２までの短い距離においては各光源から出力される光の強度が非線形現象を生じさせるような強度であっても、長い距離を伝送する光ファイバケーブル６においては各光源からの光がほぼＮ分の１の強度となり、これが混合されて各光ファイバ中を伝送されるので、光ファイバケーブル６における伝送損失を低減させることができる。この場合、光強度が低くなり非線形現象は発生しにくくなるが、伝送される光エネルギーの総和は光結合器１２の前後で変わらない。

伝送された光は光電変換器１４．１〜１４．Ｎによって電力に変換され、これらの電力を総和することで、負荷１５に大きな電力を供給することができる。なお、図１では、光電変換器を複数設けた場合を例として示したが、光ファイバ６．１〜６．Ｎを束ねて１つの光電変換器に光を照射して電力に変換してもよい。その際に、レンズ等を介して光を集光させて光電変換器に与えてもよい。

また、複数の光電変換器を設ける場合には、これを並列的に接続すれば電流値を大きくすることができ、また直列的に接続すれば高電圧を得ることができる。必要に応じて光電変換器の一部を別の負荷用に用いてもよい。

図２は、図１における光給電システムの変形例を示した図である。

図２を参照して、光給電システム１Ａは、図１に示した光給電システム１の構成において、センター局２に代えてセンター局２Ａを含む。

センター局２Ａは、図１におけるセンター局２の構成において光源１０．１〜１０．Ｎにそれぞれ代えて、光源１０Ａ．１〜１０Ａ．Ｎを含む。

光源１０Ａ．１〜１０Ａ．Ｎは、互いに異なる波長λ１〜λＮの光を出力する。光給電システム１Ａの他の構成は、図１に示した光給電システム１と同様であるので、説明は繰返さない。

図１の場合では、複数の光源のうちの一部の光源から出力される光同士のスペクトルが偶然にも重なったときには干渉が起こり光の強度が非線形性境界を超える可能性がある。しかし、図２に示すように、互いに異なる波長の光を出力する複数の光源を用いることにより干渉を起こりにくくすることができる。したがって光ファイバケーブル６における伝送損失をさらに確実に低減させることができる。

図１、図２における光結合器１２としては、光ファイバカプラを用いることができる。他の光結合器使用しその出力をさらに分岐して用いるよりも、光ファイバカプラは安価である。

図３は、光ファイバカプラの説明をするための図である。

光ファイバカプラは、複数の光ファイバを束ねてその束ねた部分を融着させ光ファイバのコアを近接させることにより、それぞれの光ファイバのモード結合が起こり光のパワーが一方から他方に分岐されるという光結合器である。図３に示した例では、２本の光ファイバの一部が融着され延伸されている。入力端２１から入射された光は、出力端２３および２４の両方から出力される。その際に光の強度は分岐された数に応じて弱くなる。このような光ファイバカプラには入力および出力がさらに多数のものがある。このような光ファイバカプラを光ファイバスターカプラと呼ぶ。

図４は、光ファイバスターカプラの外観を示した図である。

図４に示すように、Ｎ本の入力から互いに異なる波長λ１〜λＮの光を入力すると、Ｎ本の出力からは波長λ１〜λＮの光が混合されて出力される。その際に、光ファイバ１本あたりの各波長の光の強度はおよそＮ分の１になる。

図５は、図４における入力光のうちの１つを説明する図である。

図５を参照して、入力光は非線形性境界の強度たとえば５０ｍＷを超える強い光である。図５では例として波長λ１の光についてのみ示しているが、他の波長λ２〜λＮの光についても同様な強度を有している。

図６は、図４の光ファイバスターカプラから出力される光のうちの１本の光ファイバ中の光について説明するための図である。

図６を参照して、出力側に接続されるＮ本のうちの１本について、非線形性境界の強度たとえば５０ｍＷを超えない複数の光の成分が光ファイバ１本ごとに入射される。これにより、入力側では非線形性境界を超えるので非線形性現象により光ファイバの伝送損失が大きかったが、出力側では光エネルギーの合計は同じであっても非線形性現象による光伝送のロスが生じにくくなる。

以上説明したように、実施の形態１の光給電システムは、センター局２Ａからユーザ局４に光によりエネルギーを伝達し電力に変換する。センター局２Ａは複数の光源を含む。各光源からの光を各光強度が非線形性境界未満になるように複数に分ける。分けられた光は、複数の光源の出力分が多重され複数の光ファイバ６．１〜６．Ｎによってユーザ局４に送られ、この光から大きな電力を取り出すことができる。多重されても光源が異なるため、干渉が発生せず強度が非線形性境界を超えることはない。したがって、光ファイバによるエネルギーの伝送損失を低減させることができる。好ましくは、複数の光源は互いに異なる波長の光を出力するものを使用する。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２の光給電システム３０の構成を示した図である。

図７を参照して、光給電システム３０は、センター局２と、複数のユーザ局３１．１〜３１．Ｎと、センター局２とユーザ局３１．１〜３１．Ｎとをそれぞれ結ぶ光ファイバ６．１〜６．Ｎとを含む。光ファイバ６．１〜６．Ｎは、途中までは光ファイバケーブル６としてまとめられている。

なお、センター局２については、図１に示した構成と同様であるので説明は繰返さない。また、センター局２に代えて、図２に示したセンター局２Ａを用いてもよい。

ユーザ局３１．１〜３１．Ｎは、それぞれ光電変換器３２．１〜３２．Ｎと、光電変換器から電力の供給を受ける負荷３３．１〜３３．Ｎとを含む。

このように、Ｎ本の出力側の光ファイバをＮ個の地点に分配し、Ｎのユーザにエネルギーを伝送することができる。

以上説明したように、本発明を用いれば、光ファイバにおける非線形現象による伝送ロスを低減させることができる。さらに、センター局から各ユーザ局へサービスを提供するようなスター型の網や、センサ網においては、１対Ｎの電源供給が必要となるが、このような場合に効果を発揮する。

また、光結合器を設けずに１つの光源から１つのユーザに光を伝達する場合と比べると、複数の光源のうちの１つに故障が発生した場合にも、供給電力は小さくなるがユーザの一部に対し電力の供給が途絶えてしまうことを防ぐことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１の光給電システムの構成を示した図である。 図１における光給電システムの変形例を示した図である。 光ファイバカプラの説明をするための図である。 光ファイバスターカプラの外観を示した図である。 図４における入力光のうちの１つを説明する図である。 図４の光ファイバカプラから出力される光のうちの１本の光ファイバ中の光について説明するための図である。 実施の形態２の光給電システム３０の構成を示した図である。 特開平５−２６８１９１号公報（特許文献１）に開示された従来の光給電装置の構成を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，３０ 光給電システム、２，２Ａ センター局、４ ユーザ局、６ 光ファイバケーブル、６．１〜６．Ｎ 光ファイバ、１０，１０Ａ 光源、１０．１〜１０．Ｎ，１１．１〜１１．Ｎ 光ファイバ、１２ 光結合器、１４．１〜１４．Ｎ，３２．１〜３２．Ｎ 光電変換器、１５，３３ 負荷、２１ 入力端、２３ 出力端、３１ ユーザ局。

Claims (8)

1. 複数の光源と、
   前記複数の光源から出力される光をそれぞれ伝達する複数の第１の光ファイバと、
   前記複数の第１の光ファイバに接続され、前記複数の第１の光ファイバによって伝達される前記光を多重し、複数の多重光を分岐して出力する光結合器と、
   前記光結合器の出力に各々の一方端が接続され、前記複数の多重光をそれぞれ伝達する複数の第２の光ファイバと、
   前記複数の第２の光ファイバの他方端から出力される前記光を受けて発電する発電手段とを含む、光給電システム。
2. 前記複数の光源の各々は、前記第２の光ファイバで光による非線形効果が発生する限界の光強度を超える強度を有する光を出力し、
   前記複数の第２の光ファイバの各々は、前記第１の光ファイバよりも長く、
   前記複数の第２の光ファイバの各々によって伝達される前記多重光は、各々の強度が非線形性境界未満である複数の光を含む、請求項１に記載の光給電システム。
3. 前記発電手段は、
   前記複数の第２の光ファイバの他方端にそれぞれ取り付けられ光を電力に変換する複数の変換手段を含む、請求項１に記載の光給電システム。
4. 前記複数の変換手段の出力がまとめられ１つのユーザに給電される、請求項３に記載の光給電システム。
5. 前記複数の変換手段は、互いに離れた位置に配置され、それぞれ複数のユーザに電力を供給する、請求項３に記載の光給電システム。
6. 前記光結合器は、
   入力が前記複数の第１の光ファイバに接続され出力が前記複数の第２の光ファイバに接続される光ファイバカプラーを含む、請求項１に記載の光給電システム。
7. 前記複数の光源がそれぞれ出力する前記複数の光は、互いに波長が異なる、請求項１に記載の光給電システム。
8. 前記発電手段は、前記複数の第２の光ファイバの他方端を集め、前記複数の第２の光ファイバの各々で伝達される光を集光して電力に変換する、請求項１に記載の光給電システム。

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