JP6890636B2 - 光給電システム - Google Patents

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、受電側の電力負荷に対応した効率の良い給電の実現が求められている。

本開示の１つの態様の光給電システムは、
給電光を出力する給電装置と、
前記給電装置からの給電光が入力され、当該給電光を電力に変換する受電装置が複数接続可能な光分岐デバイスと、
前記光分岐デバイスにおける前記受電装置の接続数を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記受電装置の接続数に基づいて、前記給電装置からの前記給電光の出力を制御する給電制御部と、を備える。

本開示の１つの態様の光給電システムによれば、受電側の電力負荷に対応した効率の良い給電を実現できる。

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。 本開示の第３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３実施形態に係る光ファイバー給電システムの変形例の構成図である。 本開示の第４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。

（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、給電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、給電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）給電制御部
次に、給電量を制御する給電制御部について説明する。
〔第３実施形態〕
図５は、給電制御部が適用された第３実施形態の光ファイバー給電システムの構成図である。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。

図５に示すように、第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃは、給電側の第１のデータ通信装置１００Ｃと、光ファイバーケーブル２００と、受電側の光給電ネットワーク３６０とを備える。

光給電ネットワーク３６０では、給電側の第１のデータ通信装置１００Ｃから電力供給を受けつつ、当該第１のデータ通信装置１００Ｃとの間で（もしくは光給電ネットワーク３６０内で）光通信が可能である。光給電ネットワーク３６０は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）システムに相当する。本実施形態の光給電ネットワーク３６０は、光ファイバーケーブル２００に直列に接続された複数の光スプリッタ（光分岐デバイス）３６１を含む。各光スプリッタ３６１は、少なくとも２つの接続ポート３６１ａを有する。各接続ポート３６１ａには、他の光スプリッタ３６１又は第２のデータ通信装置３００の接続（及び接続解除）が可能である。各光スプリッタ３６１は、接続された他の光スプリッタ３６１及び第２のデータ通信装置３００に対し、光ファイバーケーブル２００を通じて第１のデータ通信装置１００Ｃから伝送されてきた信号光及び給電光を一定の割合で分岐させる。
第２のデータ通信装置３００は、本実施形態では、例えばネットワークカメラやネットワークセンサ等に相当する。各第２のデータ通信装置３００は、光スプリッタ３６１への接続が検知されると、信号光１２５，３２５によるデータ通信と、給電光１１２による給電（受電装置３１０が給電光１１２から変換した電力による駆動）とが可能となる。光給電ネットワーク３６０に接続可能な第２のデータ通信装置３００（受電装置３１０）の数量は特に限定されない。

なお、光給電ネットワーク３６０は、給電装置１１０からの給電光１１２が入力される光ブランチングデバイスに対し、第２のデータ通信装置３００（受電装置３１０）が複数接続可能に構成されていればよい。したがって、例えば、単一の光スプリッタ３６１が、信号光及び給電光を複数の第２のデータ通信装置３００に対して直接分岐可能であってもよい。また、光スプリッタ以外の光ブランチングデバイスにより信号光及び給電光を分岐させてもよい。

第１のデータ通信装置１００Ｃは、給電装置１１０、発信部１２０及び受信部１３０のほか、負荷検出部１５０と、給電制御部としての給電制御部１６０とを含む。

負荷検出部１５０は、受電側の光給電ネットワーク３６０における電力負荷として、複数の光スプリッタ３６１における第２のデータ通信装置３００（受電装置３１０）の接続数を検出する。
具体的に、負荷検出部１５０は、第２のデータ通信装置３００に予め割り当てられたアドレスに対して信号を送り、その戻り信号の有無により当該第２のデータ通信装置３００の接続を検知する。そして、負荷検出部１５０は、この検知数の総計として第２のデータ通信装置３００（受電装置３１０）の接続数を検出し、給電制御部１６０に出力する。このときの信号は、発振部１２０及び受信部１３０を介して信号光１２５、３２５として送受信される。第２のデータ通信装置３００のアドレスは、予め割り当てられた固有のアドレスであってもよいし、当該第２のデータ通信装置３００が光給電ネットワーク３６０に接続された際に割り当てられたアドレス等であってもよい。
負荷検出部１５０は、この検出処理を、システムの起動時に実行するほか、システムの起動中には定期的に実行する。

なお、負荷検出部１５０は、受電側からの信号に基づいて受電装置３１０の接続を検知してもよい。
具体的には、第２のデータ通信装置３００が光スプリッタ３６１に接続されたときに、当該第２のデータ通信装置３００又は光スプリッタ３６１がこの接続を検知し、それを報知する信号を給電側に出力する。負荷検出部１５０は、この報知信号を受信したときに、上述のように第２のデータ通信装置３００を検知するための信号を送り、その戻りの有無により当該第２のデータ通信装置３００の接続を検知すればよい。第２のデータ通信装置３００と光スプリッタ３６１との接続の検知は、例えば接続コネクタで物理的に検知してもよいし、接続時にユーザーに操作させるスイッチ等を第２のデータ通信装置３００又は光スプリッタ３６１に設け、そのスイッチ操作により検知してもよい。

給電制御部１６０は、負荷検出部１５０から入力された受電装置３１０の接続数の情報に基づいて、給電装置１１０（給電用半導体レーザー１１１）からの給電光１１２の出力を制御する。例えば、給電制御部１６０は、受電装置３１０の接続数とそのときの所要給電量との相関データを予め保持しており、このデータを用いて給電装置１１０の出力を調整する。
これにより、受電側の光給電ネットワーク３６０における電力負荷に対応させて、給電装置１１０の出力が調整される。すなわち、従来の給電システムにおいては、受電側の電力負荷に依らず給電装置が一定（最大）の電力を供給していたため、受電側の電力負荷が低いときには余剰電力が無駄に消費されていた。この点、本実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃでは、受電側の電力負荷に対応させて給電装置１１０の出力が調整されるので、従来と異なり、受電側の電力負荷に対応した効率の良い給電を実現できる。

なお、第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃでは、図６に示すように、受電装置３１０の接続を検知するための信号を、光ファイバーケーブル２００とは異なる伝送路２８１を通じて送受信してもよい。
また、第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃは、図４の光ファイバー給電システムのように、信号光を伝送する光ファイバーと、給電光を伝送する光ファイバーとを別々に備えていてもよい。

〔第４実施形態〕
図７は、給電制御部が適用された第４実施形態の光ファイバー給電システムの構成図である。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。

図７に示すように、第４実施形態の光ファイバー給電システム１Ｄは、主に光給電ネットワークが給電系統のみを備える点で、第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃと異なる。ただし、光ファイバー給電システム１Ｄは、給電系統から独立した図示しない通信系統を備えていてもよい。

光ファイバー給電システム１Ｄは、給電装置１１０、光ファイバーケーブル２００Ａ、光給電ネットワーク３６０Ｄを備える。光給電ネットワーク３６０Ｄは、光ファイバーケーブル２００Ａに直列に接続された複数の光スプリッタ３６１を含む。各光スプリッタ３６１には第２のデータ通信装置３００（受電装置３１０）が接続可能となっている。光給電ネットワーク３６０Ｄでは、複数の光スプリッタ３６１に接続された第２のデータ通信装置３００に対し、光ファイバーケーブル２００Ａを通じて給電装置１１０から光給電される。

給電装置１１０は、給電制御部１６０により出力が制御される。
給電制御部１６０は、負荷検出部１５０から受電装置３１０の接続数の情報を取得する。負荷検出部１５０は、伝送路２８１Ｄを通じて光スプリッタ３６１と送受信した信号に基づいて受電装置３１０の接続数を検出し、給電制御部１６０に出力する。そして、給電制御部１６０は、取得した受電装置３１０の接続数の情報に基づいて、給電装置１１０（給電用半導体レーザー１１１）からの給電光１１２の出力を制御する。
これにより、上記第３実施形態と同様に、受電側の光給電ネットワーク３６０における電力負荷に対応させて、給電装置１１０の出力が調整される。したがって、受電装置の電力負荷に依らず給電装置が一定（最大）の電力を供給していた従来と異なり、受電側の電力負荷に対応した効率の良い給電を実現できる。

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。

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）
１Ｃ 光ファイバー給電システム（光給電システム）
１Ｄ 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
１００Ｃ 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
１５０ 負荷検出部（検出部）
１６０ 給電制御部
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
３６０ 光給電ネットワーク
３６０Ｄ 光給電ネットワーク
３６１ 光スプリッタ（光分岐デバイス）
３６１ａ 接続ポート

Claims (6)

1. 給電光を出力する給電装置と、
   前記給電装置からの給電光が入力され、当該給電光を電力に変換する受電装置が複数接続可能な光分岐デバイスと、
   前記光分岐デバイスにおける前記受電装置の接続数を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した前記受電装置の接続数に基づいて、前記給電装置からの前記給電光の出力を制御する給電制御部と、
   を備える光給電システム。
2. 前記給電装置から前記光分岐デバイスに前記給電光を伝送する光ファイバーケーブルを備え、
   前記検出部は、
   前記光ファイバーケーブルよりも給電側に設けられ、
   前記光分岐デバイスに信号を出力し、その戻り信号の有無により当該光分岐デバイスにおける前記受電装置の接続を検知して、当該受電装置の接続数を検出する、
   請求項１に記載の光給電システム。
3. 前記給電装置から前記光分岐デバイスに前記給電光を伝送する光ファイバーケーブルと、
   前記光ファイバーケーブルよりも受電側に設けられ、前記光分岐デバイスに対する前記受電装置の接続を検知して、当該検知を報知する報知信号を前記検出部に送信する接続検知部と、を備え、
   前記検出部は、
   前記光ファイバーケーブルよりも給電側に設けられ、
   前記接続検知部から前記報知信号を受信したときに、前記光分岐デバイスに信号を出力し、その戻り信号の有無により当該光分岐デバイスにおける前記受電装置の接続を検知して、当該受電装置の接続数を検出する、
   請求項１又は請求項２に記載の光給電システム。
4. 前記検出部は、前記受電装置の接続数を検出する処理を定期的に実行する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光給電システム。
5. 前記給電装置を含む第１のデータ通信装置を備え、
   前記光分岐デバイスは、
   前記第１のデータ通信装置から前記給電光及び信号光が入力され、
   前記受電装置を有するとともに前記第１のデータ通信装置と前記信号光により光通信する第２のデータ通信装置が複数接続可能に構成されている、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光給電システム。
6. 前記検出部及び前記給電制御部は、前記第１のデータ通信装置に設けられる、
   請求項５に記載の光給電システム。

Images