JP7370186B2 - 光伝送システム - Google Patents

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Description

本開示は、光伝送システムに関する。
特許文献1には、半導体レーザーの出力をモニタするための光電変換装置が示されている。特許文献1の光電変換装置は、受光面が凹型状の球面を呈している。
特開昭62-242374号公報
光ファイバーを介して高強度の光を伝送し、伝送された光を光電変換素子が電力に変換することで、光給電を行うことができる。一方、光電変換素子に過大な光が入力されると、出力電流が飽和し、損失が増す。損失は光電変換素子の発熱を引き起こす。受光量が光電変換素子の位置ごとに均一でなく、受光面の一部に過大な光が入力された場合、一部が発熱するため、全体的な受光量を増やすことができない。この場合、他の部分の受光量は少なくなり、全体として光電変換素子の利用効率が低下する。
本開示は、光電変換素子の利用効率を向上できる光伝送システムを提供することを目的とする。
本開示の光伝送システムは、
光ファイバーと複数の分波用光ファイバーと受電装置とを備え、前記光ファイバーを介して前記受電装置へ給電光を伝送する光伝送システムであって、
前記光ファイバーは、信号光が伝搬するコアと、前記コアの周囲に配置され前記給電光を伝搬する第1クラッドと、前記第1クラッドの周囲の第2クラッドとを有し、
前記複数の分波用光ファイバーは、前記第1クラッドから出射される前記給電光を取り込み、
前記受電装置は、
入射された前記給電光を広げる拡散レンズと、
前記給電光を受ける複数の光電変換素子と、
を備える。
そして、前記複数の光電変換素子の複数の受光面が凹面状に並ぶように前記複数の光電変換素子が配列され、
前記複数の分波用光ファイバーの出力端から出射された前記給電光が前記拡散レンズを介して前記複数の受光面へ送られる。
本開示によれば、光電変換素子の利用効率を向上できる光伝送システムを提供できる。
本開示の実施形態1に係る受電装置を示す平面図である。 図1のA-A線における断面図である。 実施形態1に係る受電装置の作用を説明する図であり、(A)は給電光の受光例を示す図、(B)は給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図である。 比較例の受電装置の給電光の受光例を示す図(A)及び給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図(B)である。 本開示の実施形態2に係る受電装置を示す図である。 実施形態1の光ファイバー給電システムを示す図である。 実施形態2の光ファイバー給電システムを示す図である。 実施形態3の光ファイバー給電システムを示す図である。 実施形態4の光ファイバー給電システムを示す図である。
以下、本開示の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本開示の実施形態1に係る受電装置を示す平面図である。図2は、図1のA-A線における断面図である。図3は、実施形態1に係る受電装置の作用を説明する図であり、(A)は給電光の受光例を示す図、(B)は給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図である。
実施形態1の受電装置(PD: Powered Device)310は、給電光112を受けて電力を出力する装置であり、複数の光電変換素子311と、複数の光電変換素子311を所定の配列で保持する保持部316とを備える。光電変換素子311は、後述する半導体材料から構成され、一方に受光面S311(図2を参照)を有し、受光面S311に入力された光を電力に変換し、電力線313(図2を参照)を介して出力する。各受光面S311は、平面状であっても、曲面が含まれていてもよい。
保持部316は、図2に示すように、複数の受光面S311が凹面状に並ぶように、複数の光電変換素子311を保持する。凹面状とは、適宜に第1軸と第1軸に直交する第2軸と選んだときに、第1軸に沿った縦断面がなだらかな凹状となり、第2軸に沿った縦断面が平面状となる筒型の凹面状であってもよいし、いずれの方向の縦断面もなだらかな凹状となる凹面状であってもよい。図1及び図2に示す例は、後者の凹面状が採用されている。
図3(A)は、凹面状に並んだ一部の光電変換素子311を抽出して示している。続いて、受光面S311の反対側に基準平面S1があるものと仮定して説明する。基準平面S1は、給電光112の中央の光軸に垂直であるとする。複数の光電変換素子311は、配置が中央に近いほど基準平面S1との距離が小さく、配置が端に近いほど基準平面S1との距離が大きくなるように配置される。さらに、複数の光電変換素子311の各受光面S311は、配置が中央に近いほど、基準平面S1に対する傾斜角が小さく、配置が端に近いほど、基準平面S1に対する傾斜角が大きくなる。各受光面S311の傾斜の向きは、各受光面S311の垂線が、給電光112の供給側に進むほど、中央の受光面S311の垂線に近づく向きである。複数の光電変換素子311の各受光面S311の垂線は、給電光112の出力端(光ファイバー250Aの他端202A)に交差してもよい。
図1に示すように、各光電変換素子311の受光面は、直線状の辺と角部とを有する形状を有する。なお、角部は厳密な角に限られず、小さな丸みが付加されていてもよい。複数の光電変換素子311の少なくとも1つは、直線状の複数の辺と複数の角部とに囲まれた五角形状又は六角形状等の多角形形状を有する。多角形形状の光電変換素子311は、全ての辺に、他の光電変換素子311の直線状の辺が隣接していてもよい。図1の例では、全ての光電変換素子311が六角形又は五角形の受光面を有し、隣接する一対の光電変換素子311に注目したときに、互いの1つの辺と2つの角部とが小さな間隙を挟んで隣接している。また、中央の光電変換素子311とその周囲の複数の光電変換素子311とに注目したときに、中央の光電変換素子311の全ての辺と角部に、隣接する光電変換素子311の直線状の辺と角部とがそれぞれ小さな間隙を挟んで隣接している。隣接する辺同士は接触していてもよい。隣接する角部同士は接触していてもよい。
次に、受電装置310の作用を説明する。図3(A)に示すように、外部から供給された給電光112は広がりを持ち、複数の光電変換素子311の受光面S311へ入力される。このとき、複数の光電変換素子311が凹面状に配列されていることで、光電変換素子311の配置によらず、給電光112はほぼ等距離伝搬されて複数の光電変換素子311の各受光面S311に入力される。さらに、給電光112は、複数の光電変換素子311の各受光面S311にほぼ垂直に入力される。ここで、仮に、複数の受光面S311に単位面積の矩形領域R1~R5が設定されたものとして説明する。図3(B)に示すように、各光電変換素子311へ向かう給電光112の各光軸方向に見た矩形領域R1~R5の面積は、中央の光電変換素子311から端の光電変換素子311にかけて、ほぼ同一の面積となる。したがって、任意の2つの光電変換素子311に入力される給電光112の強度(光量密度)を比較したとき、給電光112の単位面積当たりの強度に大きな差が生じない。
図4は、比較例の受電装置の給電光の受光例を示す図(A)及び給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図(B)である。図4(A)の比較例は、複数の光電変換素子311を平面状に配列した例である。図4(A)の比較例では、図4(B)に示すように、各光電変換素子311へ入力される給電光112の光軸方向に見た矩形領域R1~R5の面積が、等しくならない。したがって、中央に近い光電変換素子311と端に近い光電変換素子311とにそれぞれ入力される給電光112の強度を比較したとき、中央に近い方が、端に近い方よりも、給電光112の単位面積当たりの強度が高くなる。
したがって、図4(A)、(B)の比較例の配列では、仮に、高強度の給電光112が送られて、中央の光電変換素子311の出力が飽和に近づいたときでも、端に近い光電変換素子311では受光量が大きくならず、光電変換能力に余力が残る。すなわち、光電変換素子311の利用効率が低下する。一方、図3(A)、(B)に示したように、実施形態1の受電装置310では、仮に、高強度の給電光112が送られて、中央の光電変換素子311の出力が飽和に近づいたとき、端に近い光電変換素子311の出力も飽和に近づくことになる。したがって、実施形態1の受電装置310によれば、比較例の配列と比較して、光電変換素子311の高い利用効率を得ることができる。
(実施形態2)
図5は、本開示の実施形態2に係る受電装置を示す図である。実施形態2の受電装置310は、複数の光電変換素子311と、給電光112を広げる拡散レンズ312とを備える。拡散レンズ312は、例えば平凹レンズ、両凹レンズなど、平行光を広げる作用を及ぼすレンズであればよい。拡散レンズ312は、シリンドリカルレンズなどの一軸方向に光を広げるレンズであってもよいし、球面レンズなどの二軸方向に光を広げるレンズであってもよい。
図5では、受電装置310が複数の光ファイバー361から出力される給電光112を受光する例を示している。複数の光ファイバー361は、円筒状の枠内に均等に配置されるように束ねられてもよいし、横長の枠内に配置されるように束ねられてもよい。図5に、互いに直交するX、Y、Zの各方向を示す。複数の光ファイバー361が、Y方向に短く、X方向に長い枠内に配置されるように束ねられる場合、拡散レンズ312は、X-Z方向の断面が凹状で、Y-Z方向の断面が直線状のシリンドリカルレンズが適用されてもよい。なお、実施形態2の受電装置310においても、図3と同様に、1つの光ファイバー250Aから出力される給電光112を受光する構成としてもよい。
実施形態2の複数の光電変換素子311は、各受光面S311の垂線が拡散レンズ312と重なるように配列される。複数の光電変換素子311の配列形態の他の要素は、実施形態1と同様である。
図5の構成においては、外部から供給された給電光112は、拡散レンズ312で広がり、複数の光電変換素子311の受光面S311へ入力される。このとき、複数の光電変換素子311が凹面状に配列されていることで、光電変換素子311の配置によらずに、給電光112はほぼ等距離伝搬されて複数の光電変換素子311の各受光面S311に入力される。さらに、給電光112は、各受光面S311にほぼ垂直に入力される。したがって、実施形態1と同様に、任意の2つの光電変換素子311に入力される給電光112の強度(光量密度)を比較したとき、給電光112の単位面積当たりの強度に大きな差が生じず、光電変換素子311の高い利用効率が得られる。
(光ファイバー給電システムの実施形態1)
図6は、実施形態1の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態1の光ファイバー給電(PoF: Power over Fiber)システム1Aは、光ファイバー250Aを介して給電光112を伝送する光伝送システムである。光ファイバー給電システム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310とを備える。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。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、給電光の伝送路を形成する光ファイバー250Aを含む。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。
受電装置310は、図1~図3、図5に示した実施形態1又は実施形態2の構成を有する。受電装置310は、給電光112の入力口が光ファイバー250Aの他端(出力端)202Aに対向するように配置されてもよい。入力口とは、図1~図3の構成においては、複数の光電変換素子311の受光面S311が対向する部位に相当し、図5の構成においては、拡散レンズ312の入力面が対向する部位に相当する。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。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に構成されてもよい。
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は、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。
(光ファイバー給電システムの実施形態2)
図7は、実施形態2の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態2の光ファイバー給電システム1Bは、光ファイバー260、270を介して信号光125、325の伝送と、給電光112の伝送とを行う光伝送システムである。信号光125、325の伝送は一本の光ファイバー260を介した両方向伝送であってもよい。光ファイバー給電システム1Bは、給電装置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310を含む第2のデータ通信装置300とを備える。
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。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。
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。給電装置110は、図6に示したものと同様の構成を有すする。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。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130は、信号用フォトダイオード131を含む。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、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。
光ファイバーケーブル200は、信号光125、325を伝送する光ファイバー260と、給電光112を伝送する光ファイバー270とを含む。光ファイバー260は、シングルモード光ファイバーであってもよい。光ファイバー270はマルチモード光ファイバーであってもよい。
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。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。受電装置310は、図6に示したものと同様の構成を有する。受電装置310は、給電光112の入力口を光ファイバー270の出力端に対向するように配置されてもよい。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。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330は、信号用フォトダイオード331を含む。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。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。
受電装置310の光電変換素子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。
上記のように構成された光ファイバー給電システム1Bにおいては、第1のデータ通信装置100から出力された給電光112及び信号光125が、光ファイバーケーブル200Bの光ファイバー260、270を伝搬し、第2のデータ通信装置300に送られる。第2のデータ通信装置300から出力された信号光325は、光ファイバーケーブル200Bの光ファイバー260を伝搬し、第1のデータ通信装置100へ送られる。
(光ファイバー給電システムの実施形態3)
図8は、実施形態3の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態3の光ファイバー給電システム1は、一部が異なるほかは、実施形態2の光ファイバー給電システム1Bと同様である。以下、実施形態2の光ファイバー給電システム1Bと異なる構成要素について詳細に説明する。
光ファイバー給電システム1は、信号光125、325と給電光112とが伝搬する光ファイバー250を含んだ光ファイバーケーブル200を備える。光ファイバー250は、信号光125、325の伝送路を形成するコア210と、コア210の周囲に配置され、給電光112の伝送路を形成するクラッド(第1クラッドに相当)220と、クラッド220の周囲に配置される外クラッド225(第2クラッドに相当)とを有する。
第2のデータ通信装置300は、光ファイバー250の他端202から出力される給電光112と信号光125とを分波する分波器360を更に備える。分波器360は、クラッド220から出力される給電光112を、複数の分波用の光ファイバー361(図5を参照)に取り込み、複数の光ファイバー361を介して受電装置310へ送る構成としてもよい。この場合、受電装置310は、給電光112の入力口が複数の光ファイバー361の出力端に対向するように配置されてもよい。
実施形態3の光ファイバー給電システム1Bにおいては、第1のデータ通信装置100から出力された給電光112が、光ファイバー250のクラッド220を介して伝搬し、第2のデータ通信装置300へ送られる。第2のデータ通信装置300では、入力された給電光112が、分波器360で信号光125と分波され、受電装置310へ送られる。
(光ファイバー給電システムの実施形態4)
図9は、実施形態4の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態4の光ファイバー給電システム1Cは、一部が異なるほかは、実施形態3の光ファイバー給電システム1と同様である。以下、実施形態3の光ファイバー給電システム1と異なる構成要素について詳細に説明する。
第2のデータ通信装置300の受電装置310は、給電光112の入力口が光ファイバー250の他端(出力端)202に対向するように配置されている。光ファイバー250のコア210を伝搬する信号光125、325は、光ファイバー250の他端(出力端)202と、受電装置310の複数の光電変換素子311との間で、分波又は合波され、受信部330へ又は発信部320から送られるようにしてもよい。あるいは、受電装置310の複数の光電変換素子311(図1及び図2を参照)のうち、中央に信号光125、325を透過させる経路を設け、この経路を介して信号光125、325が受信部330へ又は発信部320から送られるようにしてもよい。
実施形態4の光ファイバー給電システム1Cにおいては、第1のデータ通信装置100から出力された給電光112が、光ファイバー250のクラッド220を介して伝搬し、第2のデータ通信装置300へ送られる。第2のデータ通信装置300では、光ファイバー250のクラッド220から出力された給電光112が、直接に受電装置310へ送られる。
以上のように、実施形態1又は実施形態2の受電装置310によれば、給電光112を受けて電力を生成することができる一方、複数の受光面S311が凹面状に並ぶように配列されている。したがって、複数の光電変換素子311へ送られる給電光112の単位面積当たりの強度の均一化を図ることができ、複数の光電変換素子311の利用効率を向上することができる。
さらに、実施形態1又は実施形態2の受電装置310によれば、複数の光電変換素子311には、多角形状の受光面S311を有する素子が含まれ、多角形状の各辺が他の光電変換素子311の受光面S311の辺と隣接している。したがって、凹面状に並べられる複数の受光面S311の間の隙間を低減することが容易となる。これにより、光電変換素子311を外れる給電光112の割合を低減し、高効率な受電を実現できる。
さらに、実施形態2の受電装置310によれば、給電光112を広げる拡散レンズ312を備え、複数の光電変換素子311の垂線が拡散レンズ312と重なるように配置されている。したがって、高強度の給電光112が送られた場合でも、拡散レンズ312により給電光112を広げることで、単位面積当たりの給電光112の強度を低減させて複数の光電変換素子311で受けることができる。したがって、給電光112によって送ることのできる最大エネルギーの増大化を図ることができる。さらに、拡散レンズ312によって給電光112が広がっても、複数の受光面S311の垂線が拡散レンズ312に重なるように配列されているので、各光電変換素子311へ送られる給電光112の単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。したがって、複数の光電変換素子311の利用効率が向上される。
さらに、上述した実施形態1~実施形態4の光ファイバー給電システム1、1A~1Cによれば、上記の効果を奏する受電装置310を備えることで、複数の光電変換素子311の高い利用効率が得られる。したがって、コストの高騰を抑制しつつ、大出力の光給電を行うことが可能となる。
以上、本開示の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、光ファイバー給電システムは、複数の光ファイバーケーブルを有する構成としてもよい。また、実施形態では、受電装置を光ファイバー給電システムに適用した例を示したが、光ファイバーを使用しない光給電一般に本開示の受電装置を適用してもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
1 光ファイバー給電システム(光伝送システム)
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
200、200A、200B 光ファイバーケーブル
210 コア
220 クラッド(第1クラッド)
225 外クラッド(第2クラッド)
270、250、250A 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
S311 受光面
312 拡散レンズ
313 電力線
316 保持部
320 発信部
325 信号光
330 受信部
331 信号用フォトダイオード
360 分波器
361 分波用の複数の光ファイバー

Claims (1)

  1. 光ファイバーと複数の分波用光ファイバーと受電装置とを備え、前記光ファイバーを介して前記受電装置へ給電光を伝送する光伝送システムであって、
    前記光ファイバーは、信号光が伝搬するコアと、前記コアの周囲に配置され前記給電光を伝搬する第1クラッドと、前記第1クラッドの周囲の第2クラッドとを有し、
    前記複数の分波用光ファイバーは、前記第1クラッドから出射される前記給電光を取り込み、
    前記受電装置は、
    入射された前記給電光を広げる拡散レンズと、
    前記給電光を受ける複数の光電変換素子と、
    を備え、
    前記複数の光電変換素子の複数の受光面が凹面状に並ぶように前記複数の光電変換素子が配列され、
    前記複数の分波用光ファイバーの出力端から出射された前記給電光が前記拡散レンズを介して前記複数の受光面へ送られる、
    光伝送システム。



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