JP7344698B2 - 光ファイバー給電システム - Google Patents
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Description
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。
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、
一端が前記給電装置に接続可能とされ、他端が前記受電装置に接続可能とされ、前記給電光を伝送する光ファイバーケーブルと、
前記給電光の波長を、前記光電変換素子の光電変換効率最大波長に近づく波長に変換する変換部と、を備えている。
〔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: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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
[波長変換機能を有する構成例(1)]
次に、給電光の波長を変換する構成について図面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において、給電光の波長を変換する変換部360を光ファイバーケーブル200Aの他端202Aと受電装置310の光電変換素子311との間に配置した波長変換機能を有する構成例(1)を示している。
このように、給電用半導体レーザー111と光電変換素子311とで半導体材料の条件を等しくした場合であっても、給電用半導体レーザー111が出力するレーザー波長と光電変換素子311における光電変換効率が最大となるレーザー波長(以下、「光電変換効率最大波長」という)とが一致しない場合がある。
例えば、図6に示すように、給電用半導体レーザー111が出力するレーザー波長λT=λ1、光電変換素子311の光電変換効率最大波長λR=λ2であって、λ1≠λ2の場合、光電変換効率が低下する。
給電用半導体レーザー111のレーザー波長λ1よりも光電変換素子311の光電変換効率最大波長λ2の方が長い場合には、レーザー波長λ1を長くする変換部360が使用され、給電用半導体レーザー111のレーザー波長λ1よりも光電変換素子311の光電変換効率最大波長λ2の方が短い場合には、レーザー波長λ1を短くする変換部360が使用される。
図6に示すように、蛍光体は、給電光112のレーザー波長λ1を光電変換効率最大波長λ2にストークシフトさせる特性を有するものが使用される。
蛍光体は、透過型、反射型いずれであっても良い。また、変換部360としては、回折格子を用いて反射するレーザー光の波長を変換させることが可能な光学デバイス等、波長変換を行う他の構成を使用しても良い。
また、変換部360として非線形結晶(BBO結晶、LBO結晶、BiBO結晶等)を使用することも可能である。非線形結晶は、給電光112のレーザー波長λ1を短くすることが出来る。
例えば、波長変換機能を有する構成例(1)のように、光ファイバーケーブル200Aと受電装置310との間に変換部360を配置した場合には、給電光112のレーザー波長λ1を光電変換素子311の光電変換効率最大波長λ2に一致又は近づけることができ、より高い効率で給電光を電力に変換することができ、より高い効率で電力を供給することが可能となる。
図7は前述した光ファイバー給電システム1Aにおいて、給電光112の波長を変換する変換部370を給電装置110の給電用半導体レーザー111と光ファイバーケーブル200Aの一端201Aとの間に配置した波長変換機能を有する構成例(2)を示している。
このような給電用半導体レーザー111は、高いエネルギー変換効率となりうるが、短波長のレーザーは光ファイバーケーブル200A内の伝送効率が低下し易く、伝送距離が長くなると損失が大きくなる。
変換部370は、給電用半導体レーザー111から出力され、光ファイバーケーブル200A内に侵入する前の給電光112のレーザー波長を変換する。変換部370は、給電用半導体レーザー111が出力するレーザー波長を伸長するように変換する。
変換部370としては、例えば、蛍光体が用いられる。蛍光体は、透過型、反射型いずれであっても良い。また、変換部370としては、回折格子を用いて反射するレーザー光の波長を変換させることが可能な光学デバイス等、波長変換を行う他の構成を使用しても良い。
また、給電の伝送距離を延長することが可能となる。
図8は前述した光ファイバー給電システム1Aにおいて、変換部380を光ファイバーケーブル200Aの他端202Aと受電装置310の光電変換素子311との間に配置し、変換部370を給電装置110の給電用半導体レーザー111と光ファイバーケーブル200Aの一端201Aとの間に配置した波長変換機能を有する構成例(3)を示している。
変換部380としては、前述した蛍光体や非線形結晶等のレーザー光の波長を変換させる光学デバイス等、波長変換を行う構成が使用される。
そして、変換部370は、給電用半導体レーザー111から出力され、光ファイバーケーブル200A内に侵入する前の給電光112のレーザー波長を伸長させる特性のものを選択する。
また、変換部380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の波長を短縮する特性のものを選択する。
さらに、変換部370で伸長したレーザー波長を変換部380で短縮することができるので、給電用半導体レーザー111と光電変換素子311とについて、の半導体材料の条件を揃えることが可能となる。従って、例えば、給電用半導体レーザー111と光電変換素子311の両方について、高い光電変換効率を得ることが可能な、500nm以下の短波長のレーザー波長をもった半導体材料や、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選択した場合でも、レーザー波長を光電変換効率最大波長に一致又は近づけることができる。
従って、伝送効率の向上と光電変換効率の向上とにより、より高い効率で光給電による電力供給を実現することが可能となる。
なお、変換部370で伸長した波長よりも光電変換素子311の光電変換効率最大波長の方が長い場合には、変換部380にはレーザー波長をより伸長する特性のものを選択しても良い。
図9は前述した光ファイバー給電システム1において、給電光の波長を変換する変換部360を光ファイバーケーブル200の他端202と受電装置310の光電変換素子311との間に配置した波長変換機能を有する構成例(4)を示している。
変換部360は、光入出力部350と光コネクタ351の間に配置され、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が入射するように設けられている。変換部360は、給電光112のレーザー波長λ1を、光電変換素子311の光電変換効率最大波長λ2に一致又は近づくように変換する。
図10は前述した光ファイバー給電システム1において、給電光の波長を変換する変換部370を給電装置110の給電用半導体レーザー111と光ファイバーケーブル200の一端201との間に配置した波長変換機能を有する構成例(5)を示している。
変換部370は、光入出力部140と光コネクタ141の間に配置され、光ファイバーケーブル200の手前で給電光112が入射するように設けられている。変換部370は、給電光112のレーザー波長λ1を伸長するように変換する。
図11は前述した光ファイバー給電システム1において、変換部380を光ファイバーケーブル200の他端202と光電変換素子311との間に配置し、変換部370を給電用半導体レーザー111と光ファイバーケーブル200の一端201との間に配置した波長変換機能を有する構成例(6)を示している。
変換部380は光入出力部350と光コネクタ351の間に配置され、変換部370は光入出力部140と光コネクタ141の間に配置される。
変換部370は、給電光112のレーザー波長を伸長し、変換部380は、給電光112の波長を短縮する。
また、変換部370は、信号光125,325に影響を及ぼさない配置であれば良く、光コネクタ230と光ファイバーケーブル200の一端201との間や、光入出力部140と給電装置110の間に配置しても良い。
前述した図9~図11に示した光ファイバー給電システム1では、いずれも、変換部360、変換部370又は変換部380は信号光125,325に影響を及ぼさない構成を例示したがこれに限られない。
例えば、発信部120,320の信号用半導体レーザー121,321と給電装置110の給電用半導体レーザー111とで半導体材料の条件を等しくし、信号用フォトダイオード131,331と受電装置310の光電変換素子311とで半導体材料の条件を等しくする。
具体的には、信号用半導体レーザー121,321及び光電変換素子311の半導体材料を500nm以下の短波長のレーザー波長をもった半導体材料を使用し、さらには、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使用した場合には、信号光125,325のレーザー波長も給電光112のように変換する構成としても良い。
変換部360A(又は380A)は、給電光112のレーザー波長を変換する領域361A(又は381A)と信号光125,325のレーザー波長を変換する領域362A(又は382A)とを有し、領域361A(又は381A)と領域362A(又は382A)との境界は、給電光112と信号光125,325とが干渉しないように光学的に遮断されている。
この変換部370Aも、給電光112のレーザー波長を変換する領域371Aと信号光125,325のレーザー波長を変換する領域372Aとを有し、領域371Aと領域372Aとの境界は、給電光112と信号光125,325とが干渉しないように、光学的に遮断されている。
さらに、発信部120,320の信号用半導体レーザー121,321と信号用フォトダイオード131,331の半導体材料の条件を、給電用半導体レーザー111と光電変換素子311の半導体材料の条件とを一致させることが可能となり、部品、部材の共通化を図ることができ、システム効率の向上を図ることが可能となる。
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
121 信号用半導体レーザー
124 送信データ
125 信号光
130 受信部
131 信号用フォトダイオード
140 光入出力部
200,200A,200B 光ファイバーケーブル
210 コア
220 クラッド
250,250A,260,270 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
321 信号用半導体レーザー
324 送信データ
325 信号光
330 受信部
331 信号用フォトダイオード
340 データ処理ユニット
350 光入出力部
360,360A,370,370A,380,380A 変換部
Claims (6)
- 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、
一端が前記給電装置に接続可能とされ、他端が前記受電装置に接続可能とされ、前記給電光を伝送する光ファイバーケーブルと、
前記給電光の波長を、前記光電変換素子の光電変換効率最大波長に近づく波長に変換する変換部とを備える光ファイバー給電システム。 - 前記変換部を前記光ファイバーケーブルと前記受電装置との間に配置した請求項1に記載の光ファイバー給電システム。
- 前記変換部を前記給電装置と前記光ファイバーケーブルとの間に配置した請求項1に記載の光ファイバー給電システム。
- 前記変換部を前記給電装置と前記光ファイバーケーブルの間と前記光ファイバーケーブルと前記受電装置の間のそれぞれに配置した請求項1に記載の光ファイバー給電システム。
- 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4のいずれか一項に記載の光ファイバー給電システム。
- 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5のいずれか一項に記載の光ファイバー給電システム。
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