JP6878514B2 - 受電装置及び光ファイバー給電システム - Google Patents

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Description

本開示は、受電装置及び光ファイバー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
従来の光給電においては、給電先の負荷の大きさが短い期間に変化した場合でも、給電装置から受電装置へ送られる給電光のエネルギーはほぼ一定であった。このため、負荷が小さくなったときに給電光の余剰のエネルギーが損失となって光電変換素子が発熱するという課題があった。あるいは、負荷が大きくなったときに給電光のエネルギー不足が生じるという課題があった。
本開示は、負荷の増減に起因して光給電のエネルギー損失が増えること、あるいは、エネルギーの供給不足が生じることを抑制できる受電装置及び光ファイバー給電システムを提供することを目的とする。
本開示に係る受電装置は、
給電光を電力に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子から負荷へ送られる電力の大きさを検出する検出部と、
前記検出部の検出信号を装置外部へ出力する信号出力部と、
を備え
前記検出信号は、前記負荷により出力される被変調波の包絡線を示す信号である。
本開示に係る光ファイバー給電システムは、
上記の受電装置と、
電力を給電光に変換して前記受電装置へ送るレーザー発振部、前記検出信号を装置外部から入力する信号入力部、並びに、入力された前記検出信号に基づいて前記レーザー発振部の出力を制御する出力制御部を有する給電装置と、
前記給電光が伝送される第1光ファイバーと、
前記検出信号が伝送される信号路と、
を備える。
本開示によれば、負荷の増減に起因して光給電のエネルギー損失が増えること、あるいは、エネルギーの供給不足が生じることを抑制することができる。
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。 給電光のエネルギー制御手段が適用された第4実施形態に係る光ファイバー給電システムを示す構成図である。 負荷の出力と検出信号との一例を示す波形図である。 給電光のエネルギー制御手段が適用された第5実施形態に係る光ファイバー給電システムを示す構成図である。 給電光のエネルギー制御手段が適用された第6実施形態に係る光ファイバー給電システムを示す構成図である。
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)給電光のエネルギー制御手段
次に、給電光のエネルギー制御手段が適用された光ファイバー給電システムについて説明する。
〔第3実施形態〕
図5は、給電光のエネルギー制御手段が適用された第3実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。図5中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第3実施形態の光ファイバー給電システム1Cは、給電装置110Cと受電装置310Cと光ファイバー250Aと、検出信号319の信号路であるメタル線291とを備える。
受電装置310Cは、給電光を電力に変換する光電変換素子311と、変換された電力を負荷380へ伝送する電力線313と、負荷380へ送られる電力の大きさを検出する検出部315と、検出部315の検出信号を受電装置310Cの外部へ出力する信号出力部314とを備える。検出部315は、例えば電力線313に流れる電流を検出する検出抵抗316と、検出抵抗316の両端間電圧を増幅して検出信号319を生成するアンプ317とを含む。
図6は、負荷の出力と検出信号とを示す波形図である。負荷380は、出力が変動するパワーアンプを有するモジュール、例えば、振幅変調を伴った被変調波382を出力する通信機などであってもよい。通信機は無線機であってもよい。検出部315は、電力線313を介して負荷380に流れる電流を検出し、検出信号319を生成する。このような構成の場合、負荷380に送られる電力は被変調波382の振幅に応じて変化し、検出信号319は、負荷380から出力される被変調波382の包絡線となる(図6を参照)。
ここで、電力線313を流れる電流に負荷380の搬送波に対応する周波数成分が含まれる場合、検出部315は、この周波数成分を除去するフィルターを含むか、この周波数成分を除去する周波数特性を有するアンプ317が採用されてもよい。負荷380の入力電流に搬送波に対応する周波数成分が現れない構成であってもよく、この場合、検出部315は、平坦な周波数特性で電力線313に流れる電流を検出する構成としてもよい。
給電装置110Cは、レーザー発振部としての給電用半導体レーザー111と、給電装置110Cの外部から検出信号319を入力する信号入力部114と、入力された検出信号319に基づき給電用半導体レーザー111の出力パワーを制御する出力制御部115とを備える。出力制御部115は、検出信号319に基づき、負荷380に供給される電力が大きいときに給電用半導体レーザー111の出力パワーが大きくなるように、かつ、負荷380に供給される電力が小さいときに給電用半導体レーザー111の出力パワーが小さくなるように制御する。
第3実施形態の光ファイバー給電システム1Cによれば、負荷380で消費される電力の大きさが短時間のうちに変化する場合でも、電力の大きさを示す検出信号319が受電装置310Cから給電装置110Cに送られる。そして、検出信号319に応じて出力制御部115が給電用半導体レーザー111の出力を制御し、負荷380で消費される電力の増減に応じて給電光112の強度が変化する。したがって、負荷380の消費電力が小さくなったときに、給電光112の余剰エネルギーが増加するといった事態を抑制でき、さらに、負荷380の消費電力が大きくなったときに、給電光112のエネルギー不足が生じるといった事態を抑制できる。
さらに、第3実施形態の光ファイバー給電システム1Cによれば、検出信号319は、負荷380から出力される被変調波382の包絡線に相当する。したがって、負荷380が例えばパワーアンプを用いて被変調波382を出力する大出力の通信機等である場合に、パワーアンプの入力電力と出力電力とが均衡し、パワーアンプの電力付加効率が向上する。よって、負荷380内の電力変換効率の向上、並びに、発熱の抑制を図ることができる。
ここで、給電光112のパワーを一定としつつ、電力線313に入力電力を平滑する回路を設けて、負荷380の消費電力の増減に対応する構成と比較する。振幅変調を伴う被変調波382を大きなパワーで出力するときのように、短い期間に比較的に大きな電力の増減がある場合、電力を平滑する回路で対応するには、高コストな回路素子が必要となる。一方、第3実施形態の構成では、検出部315を安価に構成でき、システムの部品コストを低減できる。
第3実施形態の光ファイバー給電システム1Cは、例えば大きな電力変動を伴う負荷380を所定箇所に設置する際、負荷380の設置箇所の周辺に光ファイバー250Aとメタル線291とが敷設されているような場合に有効である。このような場合、光ファイバー給電システム1Cを適用することで、大きな電力を流せる電力線を新たに敷設する必要なく、敷設済みの光ファイバー250A及びメタル線291を利用して、電源から負荷380へ高効率に電力を供給することができる。
第3実施形態で示した給電光のエネルギー制御手段は、図1、図2、図4のシステム構成に適用されてもよい。具体的には、図1、図2、図4の給電装置110を第3実施形態の給電装置110Cに置き換え、受電装置310を第3実施形態の受電装置310Cに置き換え、さらに、検出信号319が伝送されるメタル線291を追加することで、上記の適用を実現できる。図2のシステム構成に適用した場合、給電光112は光ファイバー250を介して伝送され、図4のシステム構成に適用した場合、給電光112は光ファイバー270を介して伝送される。
〔第4実施形態〕
図7は、給電光のエネルギー制御手段が適用された第4実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。図7中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。第4実施形態の光ファイバー給電システム1Dは、検出信号319を、信号光319Dに変換し、光ファイバー291Dを介して、受電装置310Dから給電装置110Dへ伝送するように構成される。光ファイバー291Dは、検出信号319の信号路に相当する。
第4実施形態の光ファイバー給電システム1Dは、受電装置310D、給電装置110D、給電光112が伝送される光ファイバー(第1光ファイバーに相当)250A、及び、信号光319Dが伝送される光ファイバー(第2光ファイバーに相当)291Dを備える。光ファイバー291D、250Aは互いに別個の構成である。
受電装置310Dは、光電変換素子311、電力線313及び検出部315と、検出信号319を信号光319Dに変換する発光部(例えば信号用半導体レーザー)318と、信号光319Dを受電装置310Dの外部へ出力する信号出力部314Dとを備える。発光部318は、搬送波としてレーザー光を出力するレーザー発振器と、レーザー光を変調するモジュレーターとを組み合わせた構成に置き換えられてもよい。
給電装置110Dは、給電用半導体レーザー111及び出力制御部115と、信号光319Dを給電装置110Dの外部から入力する信号入力部114Dと、信号光319Dを電気信号である検出信号319に変換する光電変換部(例えば信号用フォトダイオード)118とを備える。
第4実施形態の光ファイバー給電システム1Dによれば、第3実施形態と同様に、負荷380が消費する電力に応じて給電光112の強度が変化し、これに基づく効果が、第3実施形態と同様に奏される。
第4実施形態の光ファイバー給電システム1Dは、例えば大きな電力変動を伴う負荷380を所定箇所に設置する際、負荷380の設置箇所の周辺に光給電用の光ファイバー250Aと信号光用の光ファイバー291Dとが敷設されているような場合に有効である。このような場合、光ファイバー給電システム1Dを適用することで、大きな電力を流せる電力線、並びに、メタル線を新たに敷設する必要なく、敷設済みの光ファイバー250A、291Dを利用して、電源から負荷380へ高効率に電力を供給することができる。
第4実施形態で示した給電光のエネルギー制御手段は、図1、図2、図4のシステム構成に適用されてもよい。具体的には、図1、図2、図4の給電装置110を第4実施形態の給電装置110Dに置き換え、受電装置310を第4実施形態の受電装置310Dに置き換え、さらに、信号光319Dが伝送される光ファイバー291Dを追加することで、上記の適用を実現できる。図2のシステム構成に適用した場合、給電光112は光ファイバー250を介して伝送され、図4のシステム構成に適用した場合、給電光112は光ファイバー270を介して伝送される。
図4のシステム構成に適用する場合、信号光319Dは、信号光125、325とともに光ファイバー260を介して伝送されてもよい。さらに、光ファイバー291Dは省略されてもよい。加えて、検出信号319は発信部320を用いて信号光319Dに変換されてもよいし、信号光319Dは受信部130を用いて検出信号319に変換されてもよい。さらに、信号光325が検出信号319の情報を含む構成としてもよい。
〔第5実施形態〕
図8は、給電光のエネルギー制御手段が適用された第5実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。図8中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第5実施形態の光ファイバー給電システム1Eは、給電光112の伝送路と検出信号319を表わす信号光319Dの伝送路とが、1本の光ファイバー250Eに含まれるほかは、第4実施形態と同様である。光ファイバー250Eは、コアと複数のクラッドを備え、コアと複数のクラッドのうちいずれか2つが第1伝送路及び第2伝送路として設定され、第1伝送路を介して給電光112が伝送され、第2伝送路を介して信号光319Dが伝送される。
第5実施形態の光ファイバー給電システム1Eによれば、第3実施形態及び第4実施形態と同様に、負荷380が消費する電力に応じて給電光112の強度が変化し、これに基づく効果が、第3実施形態及び第4実施形態と同様に奏される。
第5実施形態の光ファイバー給電システム1Eは、例えば大きな電力変動を伴う負荷380を所定箇所に設置する際、負荷380の設置箇所の周辺に給電光と信号光とを伝送できる光ファイバー250Eが敷設されているような場合に有効である。このような場合、第5実施形態の光ファイバー給電システム1Eを適用することで、大きな電力を流せる電力線、並びに、メタル線を新たに敷設する必要なく、敷設済みの光ファイバー250Eを利用して、電源から負荷380へ高効率に電力を供給することができる。
第5実施形態で示した給電光のエネルギー制御手段は、図1、図2、図4のシステム構成に適用されてもよい。具体的には、図1、図2、図4の給電装置110を第5実施形態の給電装置110Dに置き換え、受電装置310を第5実施形態の受電装置310Dに置き換える。さらに、図1、図4のシステム構成に適用する場合、給電光112を伝送する光ファイバー250A、270を第5実施形態の光ファイバー250Eに置き換えることで、上記の適用を実現できる。図2のシステム構成に適用する場合には、給電光112と信号光319Dとを光ファイバー250を介して伝送してもよい。図2のシステム構成の場合、検出信号319は発信部320を用いて信号光319Dに変換されてもよいし、信号光319Dは受信部130を用いて検出信号319に変換されてもよいし、検出信号319の情報が信号光325に含まれる構成としてもよい。
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。例えば、受電装置から電力が供給される負荷は、通信機又は無線機に限られず、どのような機器であってもよい。電力の大きさを検出する検出部の構成は、実施形態で示した具体例に限られず、様々な回路構成が採用されてもよい。
1A 光ファイバー給電システム
1 光ファイバー給電システム
1B 光ファイバー給電システム
1C 光ファイバー給電システム
1D 光ファイバー給電システム
1E 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
110C 給電装置
110D 給電装置
111 給電用半導体レーザー(レーザー発振部)
112 給電光
114 信号入力部
114D 信号入力部
115 出力制御部
118 光電変換部
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
250E 光ファイバー
260 光ファイバー
270 光ファイバー
291 メタル線
291D 光ファイバー
300 第2のデータ通信装置
310 受電装置
310C 受電装置
310D 受電装置
311 光電変換素子
313 電力線
314 信号出力部
314D 信号出力部
315 検出部
316 検出抵抗
317 アンプ
318 発光部
319 検出信号
319D 信号光(検出信号)
320 発信部
325 信号光
330 受信部
350 光入出力部
351 光コネクタ
380 負荷
382 被変調波

Claims (5)

  1. 給電光を電力に変換する光電変換素子と、
    前記光電変換素子から負荷へ送られる電力の大きさを検出する検出部と、
    前記検出部の検出信号を装置外部へ出力する信号出力部と、
    を備え
    前記検出信号は、前記負荷により出力される被変調波の包絡線を示す信号である受電装置。
  2. 請求項1に記載の受電装置と、
    電力を給電光に変換して前記受電装置へ送るレーザー発振部、前記検出信号を装置外部から入力する信号入力部、並びに、入力された前記検出信号に基づいて前記レーザー発振部の出力を制御する出力制御部を有する給電装置と、
    前記給電光が伝送される第1光ファイバーと、
    前記検出信号が伝送される信号路と、
    を備える光ファイバー給電システム。
  3. 前記信号路はメタル線である、
    請求項記載の光ファイバー給電システム。
  4. 前記信号路は、前記第1光ファイバーとは別の第2光ファイバーである、
    請求項記載の光ファイバー給電システム。
  5. 前記第1光ファイバーは、コアとクラッドとを含む複数の伝送路を有し、
    前記信号路は、前記複数の伝送路のうち前記給電光の伝送路とは別の伝送路である、
    請求項記載の光ファイバー給電システム。
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