WO2020242020A1 - 무선 광 충전 시스템 및 그 충전 방법 - Google Patents

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하진용
임재영
사밈 크와자타릭
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless optical charging system and a charging method thereof, and more particularly, by dividing the wavelength of a beam of a light source in space, and placing a retro-reflector, which is a receiver, at random on a two-dimensional optical line.
  • a retro-reflector which is a receiver
  • resonance occurs only at wavelengths, and relates to a wireless optical charging system capable of transmitting optical power and a charging method thereof.
  • the magnetic induction method which is currently commercialized most wireless charging technology, is a near-field charging method that requires close contact with the charger within 1cm, and the proposed magnetic resonance method to compensate for this is because it transmits magnetism to a matching frequency using a resonance frequency. It can be charged even if it is not in close proximity, and even if there is another object in the middle, it has the advantage of not disturbing the charging, but there is a problem that the efficiency drops sharply if it falls more than 1m.
  • Another type of RF electromagnetic wave wireless charging method has a problem in that its application field is limited due to electromagnetic wave harmfulness.
  • the present invention uses infrared light and laser resonance technology, unlike magnetic induction and RF technology approaches, to develop a long-distance optical wireless charging technology without harm to the human body It is intended to provide a wireless optical charging system and a charging method thereof that are completely free from supply and can completely solve the problem of battery charging of mobile devices (eg, consumer electronics, drones).
  • mobile devices eg, consumer electronics, drones.
  • the transmission unit of the wireless light charging system according to the present invention for achieving the above object further comprises a direction control unit that receives output information of light output from the light source unit and controls the direction of the diffraction grating.
  • the transmission unit of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object is disposed at the output end of the diffraction grating, receiving control of the direction control unit instead of the diffraction grating, and converting the direction of light output from the diffraction grating. It characterized in that it further comprises a; direction conversion unit.
  • a light source unit Before the light output from the light source is input to the diffraction grating, a width extension unit that expands a width of light to increase a reflectance of light of a retroreflector of the receiver; A diffraction grating for dividing the light received from the width expansion unit into a wavelength of a predetermined range and outputting it in space; And a telephoto part formed at the output end of the
  • the telephoto part of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object is characterized in that it includes a plurality of telephoto parts, and some of the plurality of telephoto parts are arranged in parallel.
  • the light source unit of the wireless light charging system according to the present invention for achieving the above object comprises a polarization maintaining optical fiber for maintaining the polarization of light; A semiconductor optical amplifier formed on the path of the polarization maintaining optical fiber to provide a broadband gain spectrum having a signal gain for the light; An isolator that allows light to be transmitted in only one direction; And a coupler for receiving power from the collimator and outputting a broadband light source from the semiconductor optical amplifier to the diffraction grating.
  • the light source unit of the wireless light charging system includes an optical bandpass filter for increasing an optical signal to noise ratio (OSNR) of an incident optical signal by filtering light incident on the light source unit. It characterized in that it includes.
  • OSNR optical signal to noise ratio
  • the transmission unit of the wireless light charging system is disposed at the output end of the light source unit and divides the light incident from the light source unit in two and transmits the light to the direction control unit and the diffraction grating; Further comprising: a plurality of direction changing mirrors for changing a moving direction of light and forming a moving path of light; A semiconductor optical amplifier formed on the movement path and providing a broadband gain spectrum having a signal gain for the light; An isolator configured to allow light to be transmitted only in one direction of the movement path; And a collimator disposed between the semiconductor optical amplifier and the isolator to convert light output from the semiconductor optical amplifier into parallel rays.
  • the light source unit of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object comprises a two-way optical fiber resonating in both directions; A coupler for outputting light moving through the bidirectional optical fiber by a predetermined ratio; A semiconductor optical amplifier formed at an output terminal of the coupler to provide a broadband gain spectrum having a signal gain for the light; And a polarization control unit formed on the path of the bidirectional optical fiber and formed at the output terminal of the semiconductor optical amplifier to maintain polarization of the light.
  • the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object is characterized in that a plurality of the semiconductor optical amplifiers are connected in parallel, and a coupler is disposed at each input/output terminal node of the plurality of semiconductor optical amplifiers.
  • the width expansion part of the wireless light charging system according to the present invention for achieving the above object comprises: a collimator for forming the light transmitted from the light source into parallel rays; A polarizing film formed by the collimator 121 as parallel light rays and catching the polarization of the light distorted in space; And a beam expander that enlarges a width of light that maintains polarization with the parallel rays.
  • the receiving unit of the wireless light charging system according to the present invention for achieving the above object serves to reflect the incident light at the same angle, and has a cube-shaped array and a retro-reflector having a space in the center; And an energy conversion unit for converting the incident light into electric energy by detecting light that is not reflected and passes through an interval at the center.
  • the receiving unit of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object is an optical band path that increases the optical signal to noise ratio (OSNR) of the incident optical signal by filtering the light incident on the receiving unit. It characterized in that it comprises a filter.
  • OSNR optical signal to noise ratio
  • the receiving unit of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object has a substrate for lowering the reflectance of light incident to the receiving unit, and has a spherical shape that generates resonance for some wavelengths of light incident through the substrate. It characterized in that it comprises a ball lens (ball lens) and a photovoltaic cell (PV cell) in which the converted electrical energy is charged.
  • a ball lens ball lens
  • PV cell photovoltaic cell
  • the receiving unit of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object includes an image sensor related to image acquisition, a spherical ball lens generating resonance for some wavelength of incident light, and light incident to the receiving unit. It characterized in that it comprises a relay for selectively transmitting toward the image sensor or the ball lens.
  • the transmission unit of the wireless optical charging system according to the present invention for achieving the above object comprises: a reception unit detection module for detecting the reception unit to receive the light generated from the light source unit; And a direction control unit for controlling a direction of the light transmission mirror.
  • the receiving unit detection module of the wireless optical charging system for achieving the above object comprises: a photographing unit for photographing a space; A receiving unit detection unit for detecting the receiving unit with the LED light of the receiving unit 200 according to driving in the image captured by the photographing unit; And a tracking signal generator configured to generate a tracking signal so that the light transmission mirror tracks the receiving unit detected by the unit detection unit and transmits light under the control of the direction control unit.
  • the wireless optical charging system according to the present invention can transmit optical power to multiple receivers at a distance by dividing the beam of the light source of the semiconductor and optical fiber optical amplifiers by spatial wavelength using laser resonance power transmission technology, thus limiting the distance and There is an effect that can solve the harmfulness.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a wireless optical charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a wireless optical charging system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a wireless optical charging system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a wireless optical charging system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a case of using a plurality of SOA light sources according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a structure of a light source unit that can be deformed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a case in which an optical fiber laser is included in a light source unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a diagram illustrating a case where a light source unit is configured as a vertical cavity SOA according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case in which several telescopes are arranged in parallel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the structure of a mobile phone receiving unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a wireless optical charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless optical charging system may include a transmission unit 100 and a plurality of reception units 200.
  • the transmission unit 100 may divide a wavelength of a light source beam and transmit light having increased energy due to resonance with a receiver to the reception unit 200.
  • the receiving unit 200 may receive the light transmitted from the transmitting unit 100 and convert some of the received light into electrical energy so that the device is charged.
  • the transmission unit 100 may include a light source unit 110, a diffraction grating 130, and a telephoto unit 140.
  • the transmission unit 100 includes a width expansion unit 120 disposed at a front end of the diffraction grating 130, a direction conversion unit 150 disposed at a rear end of the diffraction grating 130, and the direction A conversion unit 150 or a direction control unit 160 for controlling the direction of the diffraction grating 130 may be further included.
  • the light source unit 110 includes a gain medium, which receives power to generate light and amplifies the power of the light.
  • the light source unit 110 has a bidirectional SOA (semiconductor optical amplifier, Innolume, SOA-1030-20- HI-40dB) having a center wavelength of 1033.6 nm and a full width at half maximum of 21.9 nm. It is used to generate light and amplify the wavelength as a current of 800mA is applied to the SOA.
  • the diffraction grating 130 may divide the light emitted from the width expansion part 120 into an SOA light source wavelength region in space.
  • a diffraction grating of 1200 grooves/mm was used, and according to an embodiment disclosed in the present invention, when the incident angle of light is given as 16°, the minimum wavelength of the half width of the SOA It is possible to know the angle of light spreading in space from the diffraction grating with the maximum wavelength and. According to an embodiment, since the line width of the SOA is very small, the angle at which light spreads in space may be small. According to various embodiments, light spreading in space has an angle of 5.8° and may form parallel light when only one wavelength is viewed.
  • the channel line width may quantify the spectral purity of the laser in the resonance hollow.
  • the spectral purity may be limited by the resolution R of the diffraction grating given by Equation 1 below.
  • ⁇ c is the center wavelength of the incident light
  • ⁇ is the line width
  • N is the number of grooves illuminated by the beam
  • m is the diffraction order.
  • the head thickness may be limited because the diffraction grating has a limited number of grooves.
  • the illumination length W O may be calculated.
  • the number of grooves illuminated by the beam can be found insignificant for a known grating pitch p.
  • the line width of the channel defined by Equation 2 below may be limited to the case of a planar mirror or retroreflector far from the diffraction grating.
  • the diverged angular dispersion beam striking the retroreflector may be directed back to the cavity.
  • a wide range of wavelengths can be trapped within the cavity by a retroreflector.
  • the captured wavelength can contribute to a wider channel linewidth. This contribution can be made more apparent for short transmitter-receiver separations where multiple resonant lines compete for resonance.
  • light having a wavelength divided from the diffraction grating 130 may have a small field of view (FOV).
  • the telephoto part 140 is composed of two lenses, that is, a first lens and a second lens, and may be used to control the field of view (FOV).
  • the control of the FOV is a desirable characteristic of controlling an area in which the transmission unit 100 of the wireless optical charging system according to the present invention arranges the receiving unit 200 to operate in a power transfer mode.
  • I can.
  • the FOV imparted by the diffraction grating 130 is fixed by the spectrum of the gain medium and grating parameters and cannot be independently selected from these parameters.
  • the FOV dependence on this parameter can be solved by adding the telescope 140 with two lenses to the transmission unit 100.
  • the FOV imparted to the broadband incident light by the diffraction grating can be found by calculating the diffraction angle using [Equation 3] below, which is a general diffraction equation.
  • ⁇ l is the diffracted optical wavelength
  • p is the gap pitch
  • ⁇ i and ⁇ d are angles created with respect to the normal line of the diffraction grating by incident rays and diffracted rays, respectively.
  • ⁇ dmin and ⁇ dmax define the diffraction angle by the shortest wavelength ⁇ min and the longest wavelength ⁇ max , respectively, then the FOV becomes ⁇ dmax - ⁇ dmin .
  • SOA spectral bandwidth and lattice parameters can impose limits on the FOV.
  • a lens telephoto part configuration may be used.
  • the light from the collimator may be collimated by the first lens.
  • the spot sizes of the first lens and the second lens may be the same.
  • the FOV may be calculated by the following equation using a first lens having a focal length of 200.0mm and a second lens having a focal length of 75.0mm.
  • f 1 is the focal length of the first lens
  • f 2 is the focal length of the second lens
  • ⁇ is the angle of light spreading from the diffraction grating
  • ⁇ is the FOV that finally spreads into space.
  • the angle ⁇ that finally spreads into space may be greater than the angle ⁇ of light spreading from the diffraction grating.
  • the FOV may be determined by the second lens. Consequently, the dependence of the FOV shifts from the selection of the diffraction grating or the SOA parameter to the selection of the second lens.
  • the second lens may be selected at the design stage and may be adjusted in real time using a variable focus lens to achieve a desired FOV.
  • the telephoto part was described as being a two lens configuration consisting of a first lens and a second lens, but to further improve the FOV, two lenses (a pair of telephoto parts) were further added to a four lens configuration. You can do it.
  • the direction control unit may control a direction of light passing through the telephoto unit based on a mirror, so that the corresponding light can be transmitted to the receiving unit.
  • the receiving unit may be a retroreflective beam splitter that reflects a narrow band of light returned to the transmitting unit and completes a resonance channel for stimulating excitation of a light source therein.
  • the receiving unit may include various mobile devices or Iot sensors to be charged, a retro-reflector, and an energy conversion unit.
  • the receiving unit may be mounted on a mobile or fixed device to directly charge the mounted device, and after being separated and fixed at a specific position, the device separated by a separate mechanism may be charged by wire or wirelessly. I can.
  • the retro-reflector serves to reflect incident light at the same angle, has a cube-shaped arrangement, and the interval between the center cells may be 4 mm.
  • the receiving unit may transmit a part of power of a light source to a device requiring power according to a power split ratio of a retro reflector.
  • the retroreflector of the receiving unit since the retroreflector of the receiving unit returns the direction of the optical beam to the incident trajectory regardless of the incident angle, alignment may be easy.
  • a corner cube or a spherical retroreflector in the form of a ball lens that transmits about 80% of the beam by retroreflecting only a part of the beam may be used as the retroreflector of the receiving unit.
  • the retro reflector may use a micro ball lens array, that is, a ball lens in which several are arranged in a row. According to various embodiments, if the beam incident on the retroreflector has a negligible spot size, the reflected beam may be reflected parallel to the incident path instead of returning the incident path.
  • self-alignment may increase as the spot size is increased, but self-alignment efficiency may still be determined according to the angle of incidence.
  • the power efficiency of the retroreflector decreases as the angle of incidence increases and may depend on the angle of acceptance of the retroreflector.
  • the retroreflector when high-powered power is incident on the retroreflector, a problem in that the temperature of the cell rises may occur. Therefore, in order to solve this problem, by disposing an optical diffuser after the retroreflector, the light can be evenly divided into space and sprayed to be incident on the cell. According to various embodiments, the optical diffuser may minimize or eliminate high intensity bright spots by evenly distributing light over the entire surface.
  • the energy conversion unit may convert the incident light into electric energy by detecting light that is not reflected and passes through a gap between a center cell.
  • the energy conversion unit includes a solar cell or a photovoltaic cell, and converts the energy of the light into electrical energy after detecting light that has passed through the gap between the center cells. , It is possible to charge the receiving unit with the corresponding electric energy.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a wireless optical charging system according to a first embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 2 illustrates a wireless optical charging system using an optical transmission mirror 130 ′.
  • the transmission unit 100 of the wireless optical charging system may include a light source unit 110, a light transmission mirror 130 ′, and a collimator 170.
  • the light source unit 110 may increase and output energy of light through resonance as light is incident.
  • the light transmission mirror 130 ′ is disposed at the output terminal of the light source unit 110 to transmit all of the light output from the light source unit 110 to the receiving unit.
  • the collimator 170 may be disposed between the light source unit 110 and the light transmission mirror 130 ′ to convert light output from the light source unit 110 into parallel rays.
  • the transmission unit 100 of the wireless optical charging system uses x,y control, SLM, DMD, MEMS, and a small mirror of the light transmission mirror 130' instead of a rotating grid. Through this, it is possible to extend the field of view (FOV) of the limited beam.
  • the reception unit includes a bandpass filter to detect and receive only signals of a specific wavelength band. can do.
  • a beam expander 123 that expands and expands the width of light may be disposed between the collimator 170 and the light transmission mirror 130 ′.
  • the light source unit 110 may include various types of semiconductor optical amplifiers (SOA).
  • SOA semiconductor optical amplifiers
  • the light source unit 110 may also include a doped fiber amplifier or a solid-state optical amplifier.
  • various types of optical amplifiers in addition to SOA may be included in the light source unit 110.
  • the optical fiber-based optical amplifier may include an Erbium or Ytterbium doped fiber amplifier (EDFA or YBFA).
  • EDFA Erbium or Ytterbium doped fiber amplifier
  • YBFA Ytterbium doped fiber amplifier
  • SOA SOA
  • a unidirectional lasing structure using an optical amplifier, a bidirectional lasing structure, an optical fiber-based or free space-based optical connection structure may be considered.
  • the light source unit 110 may include an optical bandpass filter that increases an optical signal to noise ratio (OSNR) of an incident optical signal by filtering light incident on the receiving unit.
  • OSNR optical signal to noise ratio
  • the optical bandpass filter may also be included in the transmission unit 100 or the reception unit.
  • FIG. 3 is a diagram showing a wireless optical charging system according to a second embodiment of the present invention.
  • the transmission unit 100 may include a reception unit detection module 190 and a direction control unit 160.
  • the reception unit detection module 190 may detect the reception unit 200 in a space that outputs light of the transmission unit 100.
  • the reception unit detection module 190 may include a photographing unit 191, a reception unit detection unit 192, and a tracking signal generation unit 193.
  • the photographing unit 191 may photograph a space in which the transmission unit 100 outputs light in a configuration corresponding to a depth camera or a CCD camera.
  • the receiving unit detection unit 192 detects the receiving unit 200 with the LED light of the receiving unit 200 that is driven from the image captured by the photographing unit 191 or through machine learning-based image analysis.
  • the receiving unit can be detected.
  • the tracking signal generation unit 193 is controlled by the direction control unit 160 so that the light transmission mirror 130 ′ tracks the reception unit 200 detected by the unit detection unit 192 to generate light. It is possible to generate a tracking signal to be transmitted.
  • the direction control unit 160 when the tracking signal generated by the tracking signal generation unit 193 is transmitted to the direction control unit 160 that controls the direction of the light transmission mirror 130 ′, the direction control unit 160 is the light transmission mirror 130 ′.
  • the direction may be controlled so that light can be transmitted to the direction of the receiving unit detected by the receiving unit detecting unit 192.
  • the tracking signal generator 193 may check the charging state by the brightness of the LED light formed in the receiving unit 200. That is, the tracking signal generator 193 can confirm that the charging state is good when the brightness of the LED light is bright, and that the charging state is poor when the brightness of the LED light is dark.
  • the charging state of the receiving unit 200 may be checked by Bluetooth communication of the portable terminal.
  • the tracking signal generator 193 may check the charging state of the receiving unit 200 and generate a tracking signal so that the receiving unit 200 is charged with a poor charging state.
  • the receiving unit detection module 190 may control beam steering through checking the state of charge, and then perform beam steering control to detect maximum power.
  • a beam expander that expands and expands the width of light may be disposed between the collimator 170 and the light transmission mirror 130 ′ so that light whose width is expanded to the light transmission mirror 130 ′ is incident.
  • a diffraction grating may be disposed between the collimator 170 and the light transmission mirror 130 ′ to expand the width of light by dispersing light.
  • the direction control unit 160 may include an output information receiver (PD), an analysis unit (PC control), and a motor driver.
  • PD output information receiver
  • PC control analysis unit
  • a motor driver uses the analyzed output information to be used as the light transmission mirror 130. ') of the direction can be controlled.
  • one mirror in the light transmission mirror 130 ′, one mirror can supply power to multiple reception units, and multiple mirrors supply power to multiple reception units having bandpass filters 230 of different center wavelengths. You can also supply.
  • the direction control unit 160 may control a direction of the light transmission mirror 130 ′ by receiving a direction control signal.
  • the light source unit 110 may amplify light energy by generating resonance in at least one direction with respect to incident light. 2 illustrates a case in which the light source unit 110 generates resonance in one direction, the number of directions in which resonance occurs may increase according to an embodiment. The configuration of the light source unit according to the number of resonance directions will be described later with reference to FIG. 6.
  • the reception unit 200 detects and receives only a signal of a specific wavelength band. ) Can be included.
  • the receiving unit 200 includes a spherical ball lens that generates resonance with respect to some wavelengths of light incident for additional charging, and a photovoltaic cell in which the converted electrical energy is charged ( PV cell).
  • the receiving unit 200 may arrange a glass substrate or a plastic substrate that lowers reflectance of light incident on the receiving unit on the top of the ball lens.
  • FIG. 4 is a diagram showing a wireless optical charging system according to a third embodiment of the present invention.
  • the configuration of the transmission unit 100 shown in FIG. 4 may be similar to the configuration of the transmission unit 100 shown in FIG. 3.
  • the light source unit 110, the direction control unit 160, the collimator 170, the light transmission mirror 130', and the receiving unit detection module 190 constituting FIG. 4 are You can perform the same or similar actions.
  • the transmission unit 100 may include a diffraction grating 130 between the collimator 170 and the light transmission mirror 130 ′.
  • the diffraction grating may divide light received from the light source unit 110 into wavelengths in a wavelength range of the SOA light source and output it in space.
  • the configuration of the transmission unit 100 may be similar to that of the transmission unit 100 illustrated in FIG. 3.
  • the light source unit 110, the direction control unit 160, the collimator 170, and the receiving unit detection module 190 constituting the wireless optical charging system according to the fourth embodiment are the configuration shown in FIG. You can perform the same or similar actions.
  • the transmission unit 100 constituting the wireless optical charging system according to the fourth embodiment includes an optical transmission mirror 130 ′ in the configuration of the transmission unit 100 according to FIG. 3, and the diffraction grating 130 It can be configured by changing to.
  • the direction control unit 160 may control the direction of the diffraction grating 130 by receiving output information of a light source output from the light source unit 110.
  • a motor driver constituting the direction control unit 160 may control the direction of the diffraction grating 130 using the analyzed output information.
  • the diffraction grating 130 changes the direction under the control of the direction control unit 160 and divides the light received from the light source unit 110 into wavelengths in the wavelength range of the SOA light source and outputs it in space. I can.
  • direction control of the diffraction grating 130 by the direction control unit 160 may be additionally applied while using one diffraction grating 130.
  • a VIPA Virtually Imaged Phase Array
  • one diffraction grating 130 are used, and the diffraction grating 130 by the direction control unit 160 is additionally implemented in a state in which wavelength division is implemented.
  • Direction control of can be applied.
  • the collimator 170 may be disposed between the light source unit 110 and the diffraction grating 130 to convert the light output from the light source unit 110 into parallel rays and transmit it to the diffraction grating 130.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a case of using a plurality of SOA light sources according to an embodiment of the present invention.
  • the light source unit may include a plurality of SOAs as illustrated in FIG. 5.
  • a plurality of SOAs may correspond to the same or different wavelength bands, respectively.
  • SOA 1 may generate light of a wavelength corresponding to the first band ( ⁇ 1 )
  • SOA 2 may generate light of a wavelength corresponding to the second band ( ⁇ 2 )
  • SOA n is Light having a wavelength corresponding to the n band ( ⁇ n ) may be generated.
  • the FOV of the transmission unit can be expanded by configuring a light source unit including a plurality of SOAs having different wavelength bands.
  • FIG. 6 is a diagram showing a structure of a light source unit that can be deformed according to an embodiment of the present invention.
  • the structure of the light source unit may be different depending on the direction in which resonance occurs in the light source unit, that is, whether it passes through the SOA in a bidirectional or unidirectional manner.
  • the light source unit may include one mirror, one SOA, and at least one collimator so that resonance occurs in a free space in one direction.
  • RSOA reflective SOA
  • VSOA vertical cavity SOA
  • the light source unit may include a bidirectional optical fiber.
  • the light source unit may include a bidirectional optical fiber, a coupler, an SOA, and a collimator, and the bidirectional optical fiber may amplify light energy by generating resonance in both directions for incident light.
  • the light source unit including the bidirectional optical fiber may cause resonance to occur along the optical fiber in two directions.
  • the coupler may output light traveling through the bidirectional optical fiber by a predetermined ratio, and the SOA may be formed at the output terminal of the coupler to provide a broadband gain spectrum having a signal gain for the light.
  • the collimator is formed on the path of the bidirectional optical fiber and is formed at the output end of the SOA to maintain the polarization of light.
  • the light source unit may include a plurality of direction changing mirrors for switching a moving direction of light at a corner portion instead of an optical fiber.
  • a collimator may be disposed between the SOA of the light source unit and an isolator to convert light output from the SOA into parallel rays.
  • the light source unit may include an optical splitter.
  • the optical splitter may be disposed at an output terminal of the light source unit to divide light incident from the light source unit in at least two directions.
  • the light source unit may include a polarization maintaining optical fiber, an SOA, an isolator, and a coupler.
  • a polarization maintaining optical fiber may allow the light of input power to move while maintaining the polarization.
  • Resonance can be generated by including a polarization maintaining optical fiber, an SOA, an isolator and a coupler in the light source unit.
  • SOA can provide a wideband gain spectrum with high signal gain for light.
  • the light source unit may be made compact by including the SOA in the light source unit, and multiple wavelengths may be implemented using a broadband light source.
  • the isolator can stabilize and enhance the performance of the transmission unit by allowing the light source to be transmitted in only one direction.
  • the coupler may receive power from a collimator and output and transmit a broadband light source from the SOA.
  • an isolator and a coupler may be replaced by a circulator. That is, a circulator can be applied in place of the isolator and coupler included in the aforementioned light source unit.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a case where an optical fiber amplifier is included in a light source unit according to an embodiment of the present invention.
  • the light source unit may include an optical fiber amplifier instead of SOA.
  • the optical fiber amplifier is an optical fiber amplifier in which a low-level rare earth halide is added to a medium, and the output can be adjusted over a wide range so that light can be output in a broadband manner.
  • the fiber laser may be composed of an Erbium or Ytterbium doped fiber.
  • the light source unit may further include a pump raise and an optical wavelength combiner.
  • the pump laser may add a small number of external light to the single mode optical fiber
  • the optical wavelength combiner may combine wavelengths with light added from the pump laser and light of the single mode optical fiber.
  • the isolator and coupler shown in FIG. 7 may also be replaced with a circulator as mentioned in the description of FIG. 6.
  • FIG 8 is a diagram illustrating a case where a light source unit is configured as a vertical cavity SOA according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of vertical cavity SOAs may be arranged in the light source unit.
  • the light source unit when configured as a vertical cavity SOA, light may be output from the stacked surface of the SOA.
  • a vertical cavity SOA may be similar to a vertical cavity surface emitting laser. However, the reflectance of the top mirror of the vertical cavity SOA may be lower than that of the vertical cavity surface emitting laser so as not to reach the laser threshold.
  • the vertical cavity SOA a single pass gain through a small number of quantum wells may be lowered, and a gain bandwidth may be substantially reduced. Therefore, in order to obtain a high gain through vertical cavity SOA, a high top reflectivity may be required.
  • the vertical cavity SOA may have a smaller size than other SOA and may have a lower driving current.
  • vertical cavity SOA has advantages in that it is cheaper than other SOA and that the SOA manufacturing process is easy.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case in which several telescopes are arranged in parallel according to an embodiment of the present invention.
  • light having a wavelength divided from the diffraction grating may have a small FOV and may be incident on the telephoto part.
  • a FOV of ⁇ 45° ie, 90°
  • the telephoto part may be configured with a plurality of telephoto parts.
  • a telephoto part may be composed of three telescopic parts (telescope 1, telescope 2, and telescope 3), and among the three telescopic parts, two telescopic parts (telescope 2, By arranging the telescope 3) in parallel, it is possible to increase the angle of the light finally spreading through the space rather than the angle of the light spreading through the grating.
  • each of the plurality of telephoto parts constituting the present invention may include a first lens into which light is incident and a second lens that outputs light transmitted through the first lens in space.
  • a blocking portion for blocking a part of light passing through the second lens may be formed at the center of the second lens of each telescope 2 (telescope 3) arranged in parallel.
  • light of a large power harmful to the human body is transmitted through the transmission unit due to reflection of light incident at a right angle to a grating or a lens (which may include a first lens and a second lens). Can be transmitted.
  • a grating or a lens which may include a first lens and a second lens.
  • the blocking unit may remove a resonance signal caused by a signal reflected from the center of the lens.
  • FIG. 10 is a diagram showing the structure of a mobile phone receiving unit according to an embodiment of the present invention.
  • the receiving unit selectively selects an image sensor related to image acquisition, a spherical ball lens that generates resonance for some wavelengths of incident light, and light incident to the receiving unit. It may include a relay that transmits toward the image sensor or the ball lens. According to various embodiments, the receiving unit may control the relay unit as necessary to transmit received light to the image sensor when image acquisition is required, and receive when charging of a photovoltaic cell (PV cell) is required. The resulting light can be transmitted toward the ball lens.
  • PV cell photovoltaic cell
  • the relay unit may be configured using a prism or two dichroic filters.
  • Fig. 10 (a) shows the configuration of the receiving unit when the relay unit is composed of a prism
  • Fig. 10 (b) shows the configuration of the receiving unit when the relay unit is composed of two dichroic filters.
  • the receiving unit may further include a substrate for lowering reflectance of light incident from the outside.
  • a substrate for lowering reflectance of light incident from the outside.
  • some wavelengths of light incident through the substrate may be resonated by a ball lens.
  • the substrate may include an anti-reflection coated glass substrate or a plastic substrate to remove reflection of light.
  • an optical diffuser for dispersing strong power may be included after the photovoltaic cell.
  • a micro ball lens array structure in which a plurality of ball lenses are arranged in a row to expand the FOV of the receiving unit may be applied in place of the ball lens.
  • Figures 2 to 9 show the configuration of the transmission unit and the configuration of the light source that can be configured as a representative embodiment of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the configuration shown in FIGS. 2 to 9.
  • the configuration of FIGS. 2 to 9 may be appropriately combined or changed, and the scope of the present invention may extend to a unit configuration that can be combined within the range of a typical technical level. Therefore, hereinafter, various embodiments that can be derived by combining the previously disclosed FIGS. 2 to 9 will be described.
  • the transmission unit may include a light source unit, a direction control unit, a diffraction grating, and a collimator.
  • the light source unit may include a polarization maintaining fiber, a semiconductor optical amplifier, an isolator, and a coupler.
  • the direction control unit may control a direction of the diffraction grating by receiving output information of a light source output from the light source unit.
  • the direction control unit includes an output information receiving unit, an analysis unit, and a motor driving unit, wherein the output information receiving unit receives output information of a light source connected to the light source unit, and the analysis unit receives the output information. Is analyzed, and the motor driving unit may control the direction of the diffraction grating using the analyzed output information.
  • the collimator may be disposed between the light source unit and the diffraction grating to convert light output from the light source unit into parallel rays and transmit it to the diffraction grating.
  • the transmission unit has one propagation mode of light because the core diameter is extremely thin instead of the polarization maintaining optical fiber in the light source unit, and a single mode fiber (SMF) having an accurate output wavelength may be used.
  • a polarization control unit may be formed at an input terminal and an output terminal of the semiconductor optical amplifier so that light traveling through the single mode optical fiber maintains polarization.
  • the transmission unit may consist of only a light source unit, a diffraction grating, and a collimator without the direction control unit.
  • the structure of the transmission unit may be a structure in which a plurality of semiconductor optical amplifiers included in a light source unit are connected in parallel, and the couplers are disposed at nodes of input/output terminals of the plurality of semiconductor optical amplifiers.
  • the transmission unit further includes a direction conversion unit, wherein the direction conversion unit corresponds to a spatial light modulator (SLM), a digital micromirror device (DMD), a MEMS mirror, or a plurality of small mirrors, and the diffraction It is disposed at the grating output terminal, and the direction of the light output from the diffraction grating may be changed under the control of the direction control unit.
  • SLM spatial light modulator
  • DMD digital micromirror device
  • MEMS mirror a MEMS mirror
  • the transmission unit may consist of only a light source unit, a diffraction grating, a collimator, and an optical splitter without the direction control unit.
  • the direction control unit may control the direction conversion unit instead of the diffraction grating in the transmission unit.
  • the transmission unit may include a width extension part and a telephoto part.
  • the width extension unit may include a collimator, a polarizing film, and a beam expander, and may extend the width of the light to reflect light to the maximum before the light output from the light source unit is input to the diffraction grating. .
  • the collimator forms the light transmitted from the light source unit into parallel rays
  • the polarizing film catches the polarization of the light distorted in space
  • the beam expander enlarges the width of the light maintaining polarization with the parallel rays.
  • the width extension part of the beam passing through the beam expander having a magnification of 5 times in order to reflect the beam as much as possible is difficult if the size of the light incident to the receiving unit is not large enough. You can increase the width to 8.68mm.
  • the light source unit may include a circulator instead of a coupler.
  • the circulator may guide light through a 99:1 tap coupler before the light emitted from the output port of the semiconductor optical amplifier goes out to a collimator in a free space.
  • the transmission unit may include a light source unit, a width expansion unit, and a telephoto unit.
  • the transmission unit may include a width extension part, a telephoto part, and a diffraction grating and a light source part.
  • the transmission unit may include a width extension part, a telephoto part, a diffraction grating, a light source part, and a direction control part.
  • the transmission unit may apply a bidirectional optical fiber to the light source unit.
  • the light source unit includes a bidirectional optical fiber, a coupler, a semiconductor optical amplifier, and a polarization control unit, and the bidirectional optical fiber may amplify optical energy by generating resonance in both directions for incident light.
  • the transmission unit may transmit light to the reception unit using a reflector in a free space without an optical fiber.
  • the light source unit may include a reflector, a semiconductor optical amplifier, and a collimator, and the reflector may reflect light incident on the free space and increase the energy of light through a process of performing resonance.
  • the semiconductor optical amplifier may provide a broadband gain spectrum having a signal gain for light reflected from the reflector and incident thereon.
  • a collimator may be disposed between the reflector and the semiconductor optical amplifier to convert the output light into parallel rays.
  • the structure of the transmission unit may be a structure in which a plurality of semiconductor optical amplifiers included in a light source unit are connected in parallel, and the couplers are disposed at nodes of input/output terminals of the plurality of semiconductor optical amplifiers.
  • light may be transmitted to the receiving unit through a light transmission mirror instead of a diffraction grating, so that the receiving unit may be charged with light.
  • a light transmission mirror instead of a diffraction grating
  • a plurality of receiving units may be simultaneously charged with multiple wavelengths, but the amount of power charged to the receiving unit may be small compared to time.
  • the light transmission mirror when the light transmission mirror is used, one receiving unit may be intensively charged for a short period of time, and thus the amount of power charged to the receiving unit may be large compared to time.
  • the transmission unit according to the present invention when the transmission unit according to the present invention is installed as a light source on the ceiling of a specific space and the light source divided by wavelength from the transmission unit is transmitted downward, a robot cleaner in the space, a customer's mobile phone, or a call bell By receiving light from a receiving unit built into the back and converting the energy of the resonant light into electrical energy, devices with a built-in receiving unit can be charged.
  • the transmitting unit may divide a wavelength of a laser beam and transmit light having increased energy by resonance to the receiving unit.
  • the light source unit of the transmission unit may receive current and generate light.
  • a bidirectional semiconductor optical amplifier (SOA) having a center wavelength of 1033.6 nm and a full width at half maximum of 21.9 nm is used in the light source unit, and 800 mA is used as the semiconductor optical amplifier. As current is applied, light can be generated and a wavelength can be amplified.
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • the light source unit of the transmission unit may increase energy of light through resonance of incident light.
  • the semiconductor optical amplifier of the light source unit may increase a gain of light.
  • the light source unit is characterized by amplifying only wavelengths of the same polarization state by the semiconductor optical amplifier generating light, so that polarization can be adjusted by a polarization controller.
  • the diffraction grating of the transmission unit may divide the light having an increased gain in the light source unit into wavelengths in the SOA light source wavelength range in space.
  • wavelength division method when the wavelength division method is 1D division, one diffraction grating is used, and when the wavelength division method is 2D division, two diffraction gratings may be used, or one diffraction grating and VIPA ( Virtually Imaged Phase Array) can be used to implement wavelength division.
  • VIPA Virtually Imaged Phase Array
  • the direction control unit of the transmission unit controls the direction of the diffraction grating so that light can be transmitted in a direction in which a receiving unit included in various mobile devices or Iot sensors to be charged is located, or The direction of light can be controlled by controlling the direction conversion unit placed at the output end of the diffraction grating.
  • direction control of the diffraction grating by the direction control unit may be applied while using one diffraction grating.
  • a VIPA Virtually Imaged Phase Array
  • one diffraction grating are used to implement wavelength division, and a direction control of the diffraction grating may be applied by an additional direction control unit.
  • the receiving unit may receive light transmitted from the transmission unit, convert energy of some of the received light into electrical energy, and charge the device. More specifically, the retroreflector of the receiving unit may reflect incident light at the same angle and pass a part of the incident light backward.
  • the energy conversion unit of the receiving unit includes a solar cell or a photovoltaic cell that detects light, and after detecting the light that has passed through the retroreflector without being reflected, One can convert the energy of light into electrical energy.
  • the energy conversion unit may charge the converted electric energy into various devices in which the receiving unit is built.
  • the present invention can be used in the field of drone charging.
  • the transmission unit disclosed in the present invention can be applied to a drone providing charging power
  • the receiving unit disclosed in the present invention can be applied to a drone requiring charging. That is, the drone corresponding to the receiving unit may be charged by converting energy for some of the light transmitted from the drone corresponding to the transmitting unit into electric energy.

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Abstract

본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템은 레이저빔을 공진에 의해 에너지가 증가된 광으로 전송하는 전송유닛; 및 상기 전송유닛으로부터 전송되는 광을 수신하고, 수신한 광 중, 일부 광에 대한 에너지를 전기에너지로 변환하여 기기의 충전이 이루어지도록 하는 수신유닛;을 포함하여 레이저 공진 전력 전송 기술을 이용함으로써 거리의 한계와 인체 유해성을 해결할 수 있는 효과가 있다.

Description

무선 광 충전 시스템 및 그 충전 방법
본 발명은 무선 광 충전 시스템 및 그 충전 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 공간상 광원의 빔의 파장을 분할하여, 2차원 광 라인에 무작위로 수신부인 역반사기(retro-reflector)를 위치시키게 되면 광 경로가 일치하게 되는 파장만 공진이 일어나며 광 전력을 전송할 수 있는 무선 광 충전 시스템 및 그 충전 방법에 관한 것이다.
현재 상업화된 대부분의 무선충전 기술인 자기유도 방식은 충전기와 1cm 이내로 가까이 접촉해야 충전이 가능한 근거리 충전 방식이며, 이를 보완하기 위해 제안된 자기공명 방식은 공진 주파수를 이용해 일치하는 주파수에 자기를 전달하기 때문에 근접해 있지 않더라도 충전할 수 있으며 중간에 다른 물체가 있어도 충전에 방해가 되지 않은 장점이 있지만 1m 이상 떨어지면 효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
또 다른 방식의 RF 전자기파 무선충전 방식은 전자파 유해성으로 인해 응용분야가 제한되는 문제점이 있다.
제한된 공간에서 원거리 및 장거리의 다수의 고정형 및 이동형 기기를 동시에 충전하기 위해서는 현재 개발된 방식 이외의 새로운 방식의 기술이 요구되고 있는 실정이다.
상술한 바와 같은 문제점과 실정을 반영하여 본 발명은 자기유도와 RF 기술 접근법과는 달리, 적외선 빛과 레이저 공진 기술을 이용하여 인체에 해가 없는 원거리 광 무선충전 기술을 개발하여 기존 방식의 전기적 전원 공급으로부터 완전히 자유롭고 이동형 기기(예, consumer electronics, drone)의 배터리 충전의 문제점을 완벽히 해결할 수 있는 무선 광 충전 시스템 및 그 충전 방법의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전광원(optical source) 빔을 공진에 의해 에너지가 증가된 광으로 전송하는 전송유닛; 및 상기 전송유닛으로부터 전송되는 광을 수신하고, 수신한 광 중, 일부 광에 대한 에너지를 전기에너지로 변환하여 기기의 충전이 이루어지도록 하는 수신유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 광원부; 상기 광원부로부터 수신한 광을 소정범위의 파장으로 분할시켜 공간상으로 출력하는 회절격자, 프리즘, 또는 배열 도파로 격자(arrayed waveguide grating); 및 상기 광원부와 상기 회절격자에 사이에 배치되어 상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 상기 광원부에서 출력되는 광의 출력정보를 입력받아 상기 회절격자의 방향을 제어하는 방향제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 상기 회절격자의 출력단에 배치되어, 상기 방향제어부의 제어를 상기 회절격자 대신 받아 상기 회절격자에서 출력되는 광의 방향을 변환하는 방향 변환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 광원부; 상기 광원부에서 출력되는 광이 상기 회절격자에 입력되기 전, 수신기의 역반사기(retroreflector)의 광의 반사율을 증가시키기 위해 광의 너비를 확장시키는 너비 확장부; 상기 너비 확장부로부터 수신한 광을 소정범위의 파장으로 분할시켜 공간상으로 출력하는 회절격자; 및 상기 회절격자의 출력단에 형성되어 FOV(field of view)를 확대시키는 망원부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 망원부는 복수개의 망원부를 포함하며, 상기 복수개의 망원부 중 일부는 병렬 형태로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 한다. 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 광의 편광을 유지시키는 편광 유지 광섬유; 상기 편광 유지 광섬유의 경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기; 및 상기 시준기로부터 전력을 수신하고 상기 반도체 광증폭기로부터 광대역의 광원을 상기 회절격자로 출력하는 커플러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 광의 전파 모드가 하나인 단일 모드 광섬유; 상기 단일 모드 광섬유 경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기; 상기 반도체 광증폭기의 입력단과 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부; 상기 시준기로부터 전력을 수신하고 상기 반도체 광증폭기로부터 광대역의 광원을 상기 회절격자로 출력하는 커플러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 광의 전파 모드가 하나인 단일 모드 광섬유; 상기 단일 모드 광섬유 경로 상에 형성되어, 출력 조절이 가능하여 상기 광을 광대역으로 출력하는 광섬유 레이저; 외부 소스의 광을 상기 단일 모드 광섬유에 추가시켜 주는 레이저 펌프; 상기 레이저 펌프에서 추가되는 광과 상기 단일 모드 광섬유의 광에 파장을 결합시켜주는 광파장 결합기; 한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기; 상기 광섬유 레이저의 입력단과 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부; 상기 시준기로부터 전력을 수신하고 상기 광섬유 레이저로부터 광대역의 광원을 상기 회절격자로 출력하는 커플러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 상기 광원부로 입사되는 광을 필터링하여 입사되는 광신호의 잡음비(optical signal to noise ratio, OSNR)를 증가시키는 광 밴드패스 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 상기 광원부의 출력단에 배치되어, 상기 광원부로부터 입사되는 광을 둘로 나누어 상기 방향제어부와 상기 회절격자로 전달하는 광분리기;를 더 포함하되, 상기 광원부는 광의 이동방향을 전환하여, 광의 이동경로를 형성하는 복수의 방향 전환거울; 상기 이동경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 상기 이동경로의 한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기; 상기 반도체 광증폭기와 격리기(Isolator) 사이에 배치되어 상기 반도체 광증폭기로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 광의 전파 모드가 하나인 단일 모드 광섬유; 상기 단일 모드 광섬유의 경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 상기 반도체 광증폭기의 입력단과 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부; 및 상기 반도체 광증폭기의 출력포트에서 나온 광이 자유공간에 있는 시준기로 나가지 전 탭 커플러로 광을 유도하는 순환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 양방향으로 공진이 이루어지는 양방향 광섬유; 상기 양방향 광섬유를 이동하는 광을 소정 비율만큼 출력하는 커플러; 상기 커플러의 출력단에 형성되어 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 및 상기 양방향 광섬유의 경로상에 형성되고, 상기 반도체 광증폭기의 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 광원부는 입사되는 광을 반사시키고 공진이 이루어지는 과정을 통해 광의 에너지가 증가되도록 하는 자유공간상의 반사경; 상기 반사경에서 반사되어 입사되는 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 및 상기 반사경과 상기 반도체 광증폭기 사이에 배치되어 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템은 복수의 상기 반도체 광증폭기가 병렬로 연결되고, 복수의 상기 반도체 광증폭기의 입출력단 노드에 각각 커플러가 배치되는 것을 특징으로 한다. 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 너비 확장부는 상기 광원부에서 전달되는 광을 평행광선으로 형성하는 시준기; 상기 시준기(121)에서 평행광선으로 형성되면서 공간상에서 틀어지는 광의 편광을 잡아주는 편광필름; 및 상기 평행광선으로 편광을 유지하는 광의 너비를 확대하는 빔 익스팬더;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 수신유닛은 입사된 광을 동일한 각도로 반사시켜주는 역할을 하며, 큐브 형태의 배열로 되어 있고 중심에 간격이 형성된 역반사경; 및 상기 입사된 광 중, 반사되지 않고, 중심에 간격을 통해 통과하는 광을 탐지하여 전기에너지로 변환하는 에너지 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 수신유닛은 상기 수신유닛으로 입사되는 광을 필터링하여 입사되는 광신호의 잡음비(optical signal to noise ratio, OSNR)를 증가시키는 광 밴드패스 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 수신유닛은 상기 수신유닛으로 입사되는 광의 반사율을 낮추기 위한 기판, 상기 기판을 통해 입사되는 광의 일부 파장에 대해 공진을 발생시키는 구형 형상의 볼 렌즈(ball lens) 및 변환된 전기 에너지가 충전되는 광 전지(PV cell)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 수신유닛은 이미지 획득과 관련된 이미지 센서, 입사되는 광의 일부 파장에 대해 공진을 발생시키는 구형 형상의 볼 렌즈 및 상기 수신유닛으로 입사되는 광을 선택적으로 상기 이미지 센서 또는 상기 볼 렌즈를 향해 전송하는 중계부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 광원부; 상기 광원부로부터 수신한 광을 상기 수신유닛으로 전달하는 광전달 미러; 및 상기 광원부와 상기 광전달 미러 사이에 배치되어 상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛은 상기 광원부로부터 발생된 광을 수신받을 상기 수신유닛을 검출하기 위한 수신유닛 검출모듈; 및 상기 광전달 미러의 방향을 제어하는 방향제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 수신유닛 검출모듈은 공간을 촬영하는 촬영부; 상기 촬영부가 촬영한 영상에서 구동에 따른 상기 수신유닛(200)의 LED 빛으로 상기 수신유닛을 검출하는 수신유닛 검출부; 및 상기 방향 제어부의 제어를 받아 상기 광전달 미러가 상기 유닛 검출부에 의해 검출된 수신유닛을 추적하여 광을 전달하도록 추적신호를 생성하는 추적신호 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템은 레이저 공진 전력 전송 기술을 활용하여 반도체 및 광섬유 광 증폭기의 광원의 빔을 공간 파장 분할하여 원거리에 있는 다수의 수신기에 광 전력을 전달할 수 있어, 거리의 한계와 인체 유해성을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수개의 SOA 광원을 사용하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 변형 가능한 광원부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 광원부에 광섬유 레이저가 포함된 경우를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 광원부를 vertical cavity SOA로 구성한 경우를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 여러 개의 망원부(telescope)를 병렬 형태로 배치한 경우를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대폰 수신유닛의 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템의 구성도이다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템은 전송유닛(100) 및 복수의 수신유닛(200)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 전송유닛(100)은 광원빔의 파장을 분할하고 수신기와의 공진에 의해 에너지가 증가된 광을 상기 수신유닛(200)에 전달할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수신유닛(200)은 상기 전송유닛(100)에서 전송되는 광을 수신하고, 수신한 광 중, 일부의 광에너지를 전기에너지로 변환하여 기기의 충전이 이루어지도록 할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 전송유닛(100)은 광원부(110), 회절격자(130), 및 망원부(140)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전송유닛(100)은 상기 회절격자(130) 전단에 배치되는 너비 확장부(120)와 상기 회절격자(130) 후단에 배치되는 방향 변환부(150), 및 상기 방향 변환부(150) 또는 상기 회절격자(130)의 방향을 제어하기 위한 방향제어부(160)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원부(110)에 광이 입사됨에 따라 공진이 이루어지고 광의 에너지가 증가할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 광원부(110)는 이득매체를 포함하는데, 상기 이득매체는 전력을 인가 받아 광을 발생시키고 해당 광의 파워를 증폭시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원부(110)는 중심파장 1033.6nm와 21.9nm의 반치폭(full width at half maximum)을 가지는 양방향 SOA(semiconductor optical amplifier, Innolume, SOA-1030-20- HI-40dB)가 사용되어, 상기 SOA로 800mA의 전류가 인가됨에 따라 광을 발생시키고, 파장을 증폭시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 회절격자(130)는 상기 너비 확장부(120)로부터 나온 광을 공간상으로 SOA광원 파장 영역을 분할시켜 줄 수 있다.
일 실시예에 따르면, 파장 분할 방식이 1D 분할인 경우 하나의 회절격자(130)가 사용되고, 파장 분할 방식이 2D 분할인 경우 두 개의 회절격자, 또는 VIPA(Virtually Imaged Phase Array)와 하나의 회절격자(130)가 사용될 수 있다. 이하에서 mλ=p(sinα+sinβ)은 회절격자를 나타내는 식으로, m은 차수, p는 격자 간격, α는 회절격자로의 입사각, β는 회절각을 의미할 수 있다.
본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에서는 1200 grooves/mm의 회절격자를 사용하였으며, 본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따를 경우, 광의 입사각을 16°로 주었을 때, 상기 SOA의 반치폭의 최소파장과 최대파장을 가지고 상기 회절격자에서 공간상으로 퍼지는 광의 각도를 알 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 SOA의 선폭이 매우 작으므로 공간상으로 광이 퍼지는 각도가 작을 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 공간에서 퍼지는 광은 5.8°의 각을 가지며 한 파장만 보았을 때 평행 광을 이룰 수 있다.
일 실시예에 따르면, 채널 선폭은 공명 중공에서 레이저의 스펙트럼 순도를 정량화할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 스펙트럼 순도는 아래의 [수학식 1]로 주어진 상기 회절격자의 분해능 R에 의해 제한될 수 있다.
Figure PCTKR2020002978-appb-img-000001
상기 [수학식 1]에서 λc는 입사 광선의 중심 파장, δλ는 선폭, N은 빔에 의해 조명되는 홈의 수, m은 회절 차수이다.
일 실시예에 따르면, 상기 회절격자에 한정된 수의 홈이 있기 때문에 선두께가 제한될 수 있음을 상기 [수학식 1]에서 추론할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 입사 광선의 빔 직경W I가 알려지면, 조명 길이 W O는 계산될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공지된 격자 피치(p)에 있어서 빔에 의해 조명되는 홈의 수는 사소하게 발견될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 아래의 [수학식 2]에 의해 정의된 채널의 선폭은 회절 격자로부터 멀리 떨어진 평면거울 또는 역반사기의 경우로 제한될 수 있다.
Figure PCTKR2020002978-appb-img-000002
일 실시예에 따르면, 상술한 거울을 대체하는 역반사기를 고려하면, 역반사기에 부딪치는 발산된 각도 분산 빔은 다시 캐비티로 향할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 거울과 비교하여, 넓은 범위의 파장이 역반사기에 의해 공동 내에 포획될 수 있다. 포획된 파장은 더 넓은 채널 선폭에 기여할 수 있다. 상기 기여는 다중 공진 선로가 공진을 위해 경쟁하는 짧은 송신기-수신기 분리에 대해 더 명백해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 회절격자(130)로부터 파장이 분할된 광은 작은 FOV(field of view)를 가질 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 망원부(140)는 두 개의 렌즈 즉, 제1 렌즈와 제2 렌즈로 구성되어 상기 FOV(field of view)를 제어하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 FOV에 대한 제어는 본 발명에 따른 무선 광 충전 시스템의 전송유닛(100)이 전력 전달 모드에서 동작하기 위해 상기 수신유닛(200)을 배치하는 영역을 제어하는 바람직한 특성일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 회절격자(130)에 의해 부여된 상기 FOV는 상기 이득매체 및 격자 파라미터의 스펙트럼에 의해 고정되고 이들 파라미터와 독립적으로 선택될 수 없다. 이 매개 변수에 대한 상기 FOV 의존성은 두 개의 렌즈를 가진 상기 망원경(140)을 상기 전송유닛(100)에 추가하여 해결할 수 있다. 상기 회절격자에 의해 광대역 입사광에 부여된 상기 FOV는 일반적인 회절 방정식인 아래의 [수학식 3]을 사용하여 회절각을 계산함으로써 발견될 수 있다.
Figure PCTKR2020002978-appb-img-000003
상기 [수학식 3]에서 λ l은 회절된 광학파장이고, p는 격차 피치이며, θ i와 θ d는 각각 입사 광선과 회절 광선에 의해 상기 회절격자의 법선에 대해 만들어지는 각이다.
θ dmin과 θ dmax가 각각 가장 짧은 파장λ min과 가장 긴 파장λ max에 의한 회절 각을 정의하면, FOV는 θ dmax- θ dmin이된다. 즉, SOA 스펙트럼 대역폭 및 격자 파라미터는 FOV에 제한을 부과할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 SOA 또는 격자 파라미터들을 변경하지 않고 상기 FOV를 제어하기 위해, 렌즈 망원부 구성이 이용될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 시준기로부터의 광은 제1 렌즈에 의해 시준될 수 있다. 평면에서 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈의 스폿 크기는 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 초점거리 200.0mm의 제1 렌즈와 초점거리 75.0mm의 제2 렌즈를 사용하여 상기 FOV를 아래의 수학식으로 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2020002978-appb-img-000004
상기 [수학식 4]에서 f 1은 제1 렌즈의 초점거리, f 2는 제2 렌즈의 초점거리, α는 회절격자에서 퍼지는 광의 각도, β는 최종적으로 공간으로 퍼지는 FOV를 나타낸다.
일 실시예에 따르면, 상기 회절격자에서 퍼지는 광의 각도(α)보다, 최종적으로 공간으로 퍼지는 각도(β)가 클 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 렌즈에 의해 상기 FOV가 결정될 수 있다. 결과적으로 상기 FOV의 의존성은 상기 회절격자 또는 상기 SOA 파라미터의 선택에서 상기 제2 렌즈의 선택으로 이동한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 렌즈는 설계단계에서 선택될 수 있으며 원하는 FOV를 실현하기 위해 가변 초점렌즈를 사용하여 실시간으로 조정될 수도 있다. FOV 향상을 위해 상기 망원부가 제1 렌즈와 제2 렌즈로 구성된 2개의 렌즈 구성인 것으로 설명했지만, FOV 더욱 향상시키기 위해 두 개의 렌즈(한 쌍의 망원부)가 더 추가된 4개의 렌즈 구성으로도 실시할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방향제어부는 미러 기반으로 상기 망원부를 통과한 광의 방향을 제어하여, 해당 광이 상기 수신유닛에 전달될 수 있도록 할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 수신유닛은 상기 송신유닛으로 되돌아오는 광의 협대역을 반사하여 그 내부에서 광원의 여기를 자극하는 공진 채널을 완성하는 역반사 빔 스플리터일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수신유닛은 충전이 이루어져야 하는 각종 모바일 기기 또는 Iot 센서, 역반사기(Retro-reflector) 및 에너지 변환부를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 수신유닛은 이동형, 또는 고정형의 기기에 탑재되어 탑재된 기기를 직접 충전시킬 수 있고, 분리되어 특정 위치에 고정된 후 별도의 메커니즘에 의해 분리된 기기를 유무선으로 충전시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 역반사기는 입사된 광을 같은 각도로 반사시켜주는 역할을 하며, 큐브 형태의 배열로 되어 있고 중심 셀의 간격은 4mm일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 수신유닛은 역반사기의 전력 분할비에 따라 광원 전력의 일부를 전력이 필요한 장치로 전송할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수신유닛의 역반사기는 입사각에 관계없이 입사궤적으로 광학 빔의 방향을 복귀시키기 때문에 정렬하기가 쉬울 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수신유닛의 역반사기로 코너 큐브 또는, 빔의 일부만 역반사하고 약 80%를 전송하는 볼렌즈 형태의 구형 역반사기가 이용가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 역반사기는 Micro ball lens array 즉 여러 개가 일렬로 배열된 ball lens를 사용할 수도 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 역반사기에 입사하는 빔이 무시할만한 스폿 크기를 갖는다면, 반사된 빔은 입사 경로를 되돌리지 않고 대신에 입사 경로에 평행하게 반사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전송유닛과 상기 수신유닛 사이에 자체 정렬 메커니즘을 설정하는 데 어려움이 있을 수 있다. 예를 들어, 빔이 자체 정렬되지 않으면 상기 전송유닛 모듈에 다시 결합되지 않고 깨진 캐비티가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 입사 광선의 스폿 크기가 상기 역반사기의 피치와 유사한 경우, 깨진 캐비티가 발생하는 것을 완화할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 스폿 크기를 늘리면 자기 정렬이 증가할 수 있지만 자체 정렬 효율은 여전히 입사각에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 역반사기의 전력효율은 입사각이 증가함에 따라 감소하고 역반사기의 수용각에 의존할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 높은 파워의 전력이 역반사기로 입사되면, 셀의 온도가 상승하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 역반사기 이후에 광학 디퓨져(optical diffuser)를 배치함으로써 빛을 고르게 공간분할하여 분사시켜 셀에 입사시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광학 디퓨저는 표면 전체적으로 빛을 고르게 분산시킴으로써 높은 강도의 스팟(high intensity bright spot)을 최소화하거나 제거할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 에너지 변환부는 상기 입사된 광 중, 반사되지 않고, 중심 셀의 간격을 통해 통과하는 광을 탐지하여 전기에너지로 변환할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 에너지 변환부는 태양전지(solar cell), 또는 광전지(photovoltaic cell)를 포함하여, 상기 중심 셀의 간격을 통해 통과한 광을 탐지한 후 해당 광의 에너지를 전기에너지로 변환하고, 해당 전기에너지로 상기 수신유닛을 충전시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 도시한 도면이다. 보다 구체적으로 도 2는 광전달 미러(130')를 이용한 무선 광충전 시스템에 대한 것이다.
일 실시예에 따르면, 무선 광 충전 시스템의 전송유닛(100)은 광원부(110), 광전달 미러(130') 및 시준기(170)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 광원부(110)는 광이 입사됨에 따라 공진을 통해 광의 에너지를 증가시켜 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광전달 미러(130')는 상기 광원부(110) 출력단에 배치되어 상기 광원부(110)가 출력하는 광을 수신유닛으로 모두 전달할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면 시준기(170)는 광원부(110)와 광전달 미러(130') 사이에 배치되어 상기 광원부(110)로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 무선 광 충전 시스템의 전송유닛(100)은 회전격자 대신 광전달 미러(130')의 x,y제어, SLM, DMD, MEMS, 소형 미러를 활용한 빔 조향(beam steering)을 통해 제한된 빔의 시계(FOV, field of view)를 확장할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 무선 광 충전 시스템의 전송유닛(100)에서 회전격자 대신 광전달 미러(130')가 사용되는 경우 수신유닛은 특정 파장대역의 신호만을 검출하여 수신하도록 하는 대역통과필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광의 폭을 확대시켜 확장시키는 빔 익스팬더(123)가 시준기(170)와 광전달 미러(130') 사이에 배치될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광원부(110)는 다양한 형태의 SOA(semiconductor optical amplifier)를 포함할 수 있다. 예를 들어 광원부(110)는 광섬유 기반 광증폭기(doped fiber amplifier), solid-state 광증폭기도 포함할 수 있다. 한편, 본 발명에 따를 경우, SOA 외에 다양한 형태의 광증폭기(optical amplifier)가 광원부(110)에 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광섬유 기반 광증폭기는 Erbium or Ytterbium doped fiber amplifier(EDFA or YBFA)를 포함할 수 있다. 다양한 형태의 SOA에 대해서는 도 6에 대한 설명으로 후술한다. 예를 들어 광증폭기를 활용한 unidirectional lasing 구조, bidirectional lasing 구조, 광섬유 기반 또는 free space 기반 광 연결 구조가 고려될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부(110)는 수신부로 입사되는 광을 필터링하여 입사되는 광신호의 잡음비(optical signal to noise ratio, OSNR)를 증가시키는 광 밴드패스 필터를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광 밴드패스 필터는 전송유닛(100) 또는 수신유닛에도 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 전송유닛(100)은 수신유닛 검출모듈(190)과 방향제어부(160)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수신유닛 검출모듈(190)은 전송유닛(100)의 광을 출력시키는 공간에 있는 수신유닛(200)을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 수신유닛 검출모듈(190)은 촬영부(191), 수신유닛 검출부(192) 및 추적신호 생성부(193)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 촬영부(191)는 depth 카메라 또는 CCD 카메라에 해당하는 구성으로 전송유닛(100)이 광을 출력시키는 공간을 촬영할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 수신유닛 검출부(192)는 촬영부(191)가 촬영한 영상에서 구동하고 있는 수신유닛(200)의 LED 빛으로 수신유닛(200)을 검출하거나 기계학습 기반 영상 분석을 통해 수신유닛을 검출할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 추적신호 생성부(193)는 방향 제어부(160)의 제어를 받아 광전달 미러(130')가 유닛 검출부(192)에 의해 검출된 수신유닛(200)을 추적하여 광을 전달하도록 하는 추적신호를 생성할 수 있다.
즉, 추적신호 생성부(193)에 의해 생성된 추적신호가 광전달 미러(130')의 방향을 제어하는 방향 제어부(160)에 전달되면, 방향 제어부(160)는 광전달 미러(130')가 수신유닛 검출부(192)에 의해 검출된 수신유닛 방향으로 광을 전달할 수 있도록 방향을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 추적신호 생성부(193)는 수신유닛(200)에 형성된 LED 빛의 밝기로 충전상태를 확인할 수 있다. 즉, 추적신호 생성부(193)는 LED 빛의 밝기가 밝으면 충전상태가 양호한 것으로 확인하고, LED 빛의 밝기가 어두우면 충전상태가 불량한 것으로 확인할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수신유닛(200)의 충전상태는 휴대단말의 블루투스 통신에 의해 확인될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 추적신호 생성부(193)는 수신유닛(200)의 충전상태를 확인하여 충전상태가 불량한 수신유닛(200)부터 충전되도록 추적신호를 생성할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수신유닛 검출모듈(190)은 충전상태 확인을 통한 빔 조향(beam steering) 제어 후, 최대 파워검출이 되도록 빔 조향(beam steering) 제어를 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광전달 미러(130`)로 폭이 확장된 광이 입사되도록 시준기(170)와 광전달 미러(130`) 사이에, 광의 폭을 확대시켜 확장시키는 빔 익스팬더가 배치될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 시준기(170)와 광전달 미러(130') 사이에 광을 분산시켜 광의 폭을 확대시키는 회절격자가 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 방향제어부(160)는 출력정보 수신부(PD), 분석부(PC control) 및 모터 구동부(motor driver)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 출력정보 수신부는 광원부(110)에 연결되어 출력되는 광원의 출력정보를 수신하고, 분석부는 상기 출력정보를 분석하며, 모터 구동부는 분석된 상기 출력정보로 광전달 미러(130')의 방향을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광전달 미러(130`)는 하나의 미러가 여러 수신유닛에 전력을 공급할 수 있고, 여러 개의 미러가 다른 중심파장의 대역통과필터(230)를 가지는 여러 수신유닛에 전력을 공급할 수도 있다. 다양한 실시예에 따르면, 방향제어부(160)는 방향제어신호를 전달받아 광전달 미러(130`)의 방향을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부(110)는 입사되는 광에 대해 적어도 하나의 방향으로 공진을 일으켜 광에너지를 증폭시킬 수 있다. 도 2는 광원부(110)에서 하나의 방향으로 공진을 일으키는 경우를 도시하고 있으나, 실시예에 따라 공진이 일어나는 방향은 개수는 증가할 수 있다. 공진 방향의 개수에 따른 광원부 구성은 도 6에 대한 설명으로 후술한다.
일 실시예에 따르면, 무선 광 충전 시스템의 전송유닛(100)에서 광전달 미러(130')가 사용되는 경우 수신유닛(200)은 특정 파장대역의 신호만을 검출하여 수신하도록 하는 대역통과필터(230)를 포함할 수 있다.
한편 도시하지는 않았으나 일 실시예에 따르면 수신유닛(200)은 추가적인 충전을 위해 입사되는 광의 일부 파장에 대해 공진을 발생시키는 구형 형상의 볼 렌즈(ball lens) 및 변환된 전기에너지가 충전되는 광 전지(PV cell)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 수신유닛(200)은 상기 수신유닛으로 입사되는 광의 반사율을 낮추는 유리기판 또는 플라스틱 기판을 상기 볼 렌즈의 상단에 배치할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 도시한 도면이다.
도 4에서 도시하고 있는 전송유닛(100)의 구성은 도 3에서 도시하고 있는 전송유닛(100)의 구성과 유사할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도 4를 구성하는 광원부(110), 방향제어부(160), 시준기(170), 광전달 미러(130') 및 수신유닛 검출모듈(190)은 도 3에서 도시한 구성과 동일 또는 유사한 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 4에 따른 전송유닛(100)은 시준기(170)와 광전달 미러(130') 사이에 회절격자(130)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 회절격자는 광원부(110)로부터 전달받은 광을 SOA 광원 파장 영역 범위의 파장으로 분할시켜 공간상으로 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 제4 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템에서 전송유닛(100)의 구성은 도 3에서 도시하고 있는 전송유닛(100)의 구성과 유사할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제4 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 구성하는 광원부(110), 방향제어부(160), 시준기(170) 및 수신유닛 검출모듈(190)은 도 3에서 도시한 구성과 동일 또는 유사한 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제4 실시예에 따른 무선 광 충전 시스템을 구성하는 전송유닛(100)은 도 3에 따른 전송유닛(100)의 구성 중 광전달 미러(130')를 회절격자(130)로 변경하여 구성할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 방향제어부(160)는 광원부(110)에서 출력되는 광원의 출력정보를 입력 받아 회절격자(130)의 방향을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면 방향제어부(160)를 구성하는 모터 구동부(motor driver)는 분석된 출력정보로 회절격자(130)의 방향을 제어할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 회절격자(130)는 방향제어부(160)의 제어를 받아 방향을 변경하면서, 광원부(110)로부터 전달받은 광을 SOA 광원 파장 영역 범위의 파장으로 분할시켜 공간상으로 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광의 1D 분할인 경우 하나의 회절격자(130)를 사용하면서 추가로 방향제어부(160)에 의한 회절격자(130)의 방향제어가 적용될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광의 2D 분할인 경우 VIPA(Virtually Imaged Phase Array)와 하나의 회절격자(130)가 사용되어 파장 분할이 구현된 상태에 추가로 방향제어부(160)에 의한 회절격자(130)의 방향제어가 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 시준기(170)는 광원부(110)와 회절격자(130) 사이에 배치되어 광원부(110)로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하여 회절격자(130)로 전달할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수개의 SOA 광원을 사용하는 경우를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따르면, 광원부는 도 5에서 도시한 바와 같이 복수개의 SOA를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 복수개의 SOA는 각각 서로 같은 혹은 다른파장 대역에 대응될 수 있다. 예를 들어, SOA 1은 제1 대역(λ 1)에 해당하는 파장의 광을 발생시킬 수 있으며, SOA 2는 제2 대역(λ 2)에 해당하는 파장의 광을 발생시키고, SOA n은 제n 대역(λ n)에 해당하는 파장의 광을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 파장 대역이 서로 다른 다수개의 SOA를 포함하는 광원부를 구성함으로써 전송유닛의 FOV를 확장시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 변형 가능한 광원부의 구조를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따르면 광원부에서 공진이 일어나는 방향에 따라 즉 SOA를 양방향(bidirectional) 혹은 단방향(unidirectional) 통과하느냐에 따라 광원부의 구조가 달라 질 수 있다. 예를 들어 광원부는 하나의 거울, 하나의 SOA와 적어도 하나의 시준기를 포함시켜 1개의 양방향으로 자유공간상에서 공진이 발생하도록 할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광원부에 하나의 RSOA(reflective SOA) 혹은 VCSOA(vertical cavity SOA)와 하나의 시준기를 포함시킴으로써 1개의 양방향으로 자유공간상에서 공진이 발생하도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부는 양방향 광섬유를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광원부는 양방향 광섬유, 커플러, SOA, 시준기를 포함할 수 있으며, 양방향 광섬유는 입사되는 광에 대해 양방향으로 공진을 일으켜 광에너지를 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 양방향 광섬유를 포함하는 광원부는 2개의 양방향으로 광섬유를 따라 공진이 발생하도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커플러는 양방향 광섬유를 이동하는 광을 소정 비율만큼 출력하고, SOA는 커플러의 출력단에 형성되어 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 시준기는 양방향 광섬유의 경로상에 형성되고 SOA의 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부는 광섬유 대신 코너부분에 광의 이동방향을 전환하는 복수개의 방향 전환거울을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 시준기가 광원부의 SOA와 격리기(isolator) 사이에 배치되어 SOA로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환할 수 있다. 광원부에 복수개의 방향 전환거울, SOA, 시준기, 격리기를 포함시켜 자유공간상에서 공진을 발생시킴으로써 복수개의 수신기와 충전을 위한 광을 송수신할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부는 광분리기를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광분리기는 광원부의 출력단에 배치되어 광원부로부터 입사되는 광을 적어도 두 개의 방향으로 나눌 수 있다.
일 실시예에 따르면 광원부는 편광 유지 광섬유, SOA, 격리기 및 커플러를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 진행방향에 수직한 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 광을 편광이라고 하며, 상기 편광 유지 광섬유는 입력되는 전력의 광이 편광을 유지된 상태로 이동하도록 할 수 있다. 광원부에 편광 유지 광섬유, SOA, 격리기 및 커플러를 포함시킴으로써 공진이 발생하도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, SOA는 광에 대해 높은 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면 광원부에 SOA를 포함시킴으로써 광원부를 컴팩트하게 만들 수 있고, 광대역의 광원을 이용하여 다파장을 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 격리기는 한쪽 방향으로만 광원이 전달될 수 있도록 하여 전송유닛의 성능을 안정화시키고 강화시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 커플러는 시준기로부터 전력을 수신하여 SOA로부터 광대역의 광원을 출력하여 전송할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 서큘레이터(circulator)로 격리기(isolator)와 커플러를 대체할 수 있다. 즉, 앞서 언급한 광원부에 포함되는 격리기와 커플러를 대신하여 서큘레이터를 적용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 저가의 광원부 구현을 위해 앞서 언급한 서큘레이터 혹은 격리기를 제외하고 99:1 혹은 90:10 혹은 분할 비율(split ratio)이 다른 커플러로만 구현할 수 있다
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 광원부에 광섬유 증폭기가 포함된 경우를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따르면, 광원부는 SOA 대신 광섬유 증폭기를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면 광섬유 증폭기는 매질에 저준위의 희토류 할로겐화물을 첨가한 광섬유 증폭기로 넓은 범위에 걸쳐서 출력 조절이 가능하여 광을 광대역으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 상기 광섬유 레이저는 Erbium or Ytterbium doped fiber로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부가 SOA 대신 광섬유 증폭기를 포함함에 따라 광원부는 펌프 레이즈 및 광파장 결합기를 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 펌프 레이저는 외부 소수의 광을 단일 모드 광섬유에 추가시켜 주고, 광파장 결합기는 펌프 레이저에서 추가되는 광과 단일 모드 광섬유의 광에 파장을 결합시켜 줄 수 있다. 한편, 도 7에서 도시하고 있는 격리기와 커플러도 도 6에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 서큘레이터(circulator)로 대체될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 광원부를 vertical cavity SOA로 구성한 경우를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따르면, 광원부에는 도 8에서 도시한 바와 같이 다수개의 vertical cavity SOA가 어래이 형태로 구성될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 광원부가 vertical cavity SOA로 구성되는 경우 SOA의 적층 표면에서 광이 출력될 수 있다.
일 실시예에 따르면, vertical cavity SOA는 vertical cavity surface emitting laser와 유사할 수 있다. 그러나, 레이저 임계값에 도달하지 않도록 vertical cavity SOA의 상단 미러 반사율은 vertical cavity surface emitting laser의 상단 미러 반사율보다 낮을 수 있다.
일 실시예에 따르면, vertical cavity SOA에 따를 경우, 적은 수의 양자 우물을 통한 단일 패스 이득이 낮아질 뿐만 아니라 실질적으로 이득 대역폭을 감소될 수 있다. 따라서, vertical cavity SOA를 통해 높은 이득을 얻기 위해서는 높은 상단 반사율이 요구될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, vertical cavity SOA는 다른 SOA에 비해 작은 사이즈로 제작될 수 있으며 낮은 구동 전류를 가질 수 있다. 뿐만 아니라 vertical cavity SOA는 다른 SOA에 비해 가격이 저렴하고 SOA 제작 공정이 용이하다는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 여러 개의 망원부(telescope)를 병렬 형태로 배치한 경우를 나타낸 도면이다. 일 실시예에 따르면, 회절격자로부터 파장이 분할된 광은 작은 FOV를 가지며 망원부로 입사될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수차(aberration)으로 인해 하나의 망원부를 통해 ±45°(즉, 90°)의 FOV를 얻지 못할 수 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해 도 9에서 도시하고 있는 바와 같이 망원부를 복수개의 망원부로 구성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 9에서 도시하고 있는 바와 같이 3개의 망원부(telescope 1, telescope 2, telescope 3)로 망원부를 구성할 수 있으며, 상기 3개의 망원부 중에서 2개의 망원부(telescope 2, telescope 3)는 병렬 형태로 배치함으로써 회절격자를 통해 퍼지는 광의 각도보다 최종적으로 공간으로 퍼지는 광의 각도를 크게 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명을 구성하는 복수개의 망원부 각각은 빛이 입사되는 제1 렌즈와 상기 제1 렌즈를 투과한 빛을 공간상으로 출력하는 제2 렌즈를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 병렬 형태로 배치되는 각 망원부(telescope 2, telescope 3)의 상기 제2 렌즈의 중심부에는 제2 렌즈를 투과하는 빛의 일부를 차단하기 위한 차단부가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 회절격자(grating) 또는 렌즈(제1 렌즈와 제2 렌즈를 포함할 수 있다.)에 직각으로 입사되는 빛의 반사로 인해 인체에 유해한 큰 전력의 빛이 전송유닛을 통해 전송될 수 있다. 예를 들어, 공진에 의한 전력이 전송되는 전력 전송 모드가 아닌 경우에도 인체에 유해한 큰 전력의 빛이 전송유닛을 통해 전송될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 차단부는 bidirectional lasing cavity의 경우 렌즈 중심에서 반사되는 신호에 의한 공진 신호를 제거할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대폰 수신유닛의 구조를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따르면 수신유닛은 이미지 획득과 관련된 이미지 센서(CMOS sensor), 입사되는 광의 일부 파장에 대해 공진을 발생시키는 구형 형상의 볼 렌즈(ball lens) 및 상기 수신유닛으로 입사되는 광을 선택적으로 상기 이미지 센서 또는 상기 볼 렌즈를 향해 전송하는 중계부를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수신유닛은 필요에 따라 상기 중계부를 제어하여 이미지 획득이 요구되는 경우에는 수신되는 광을 이미지 센서를 향해 전송할 수 있으며, 광 전지(PV cell)의 충전이 요구되는 경우에는 수신되는 광을 볼 렌즈를 향해 전송할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 중계부는 프리즘 또는 2개의 다이크로익(dichroic) 필터를 이용해 구성할 수 있다. 도 10 (a)가 중계부를 프리즘으로 구성한 경우 수신유닛의 구성을 나타낸 것이며, 도 10 (b)가 중계부를 2개의 다이크로익 필터로 구성한 경우 수신유닛의 구성을 나타낸 것이다.
한편 도시하지는 않았으나, 일 실시예에 따르면, 수신유닛은 외부로부터 입사되는 광의 반사율을 낮추기 위한 기판을 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 기판을 통해 입사되는 광의 일부 파장은 볼 렌즈에 의해 공진이 발생할 수 있다. 예를 들어 상기 기판은 광의 반사를 제거하기 위해 anti-reflection 코팅된 유리기판 또는 플라스틱 기판을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 전지 이후에는 강한 전력을 분산하기 위한 광 디퓨저(optical diffuser)가 포함될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 수신유닛의 FOV를 확장하기 위해 복수개의 볼렌즈가 일렬로 배열된 마이크로 볼 렌즈 어레이 구조가 볼 렌즈를 대체하여 적용될 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 9에서는 본 발명의 대표 실시예로써 구성 가능한 전송유닛의 구성 및 광원부의 구성을 도시한 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 도 2 내지 도 9에서 도시한 구성에 의해 국한되어서는 안 될 것이다. 예를 들어, 설계자의 필요에 따라 도 2 내지 도 9의 구성을 적절히 조합 또는 변경할 수 있으며, 본 발명의 권리범위는 통상의 기술수준 범위 내에서 조합 가능한 유닛구성까지 미칠 수 있다. 따라서 이하에서는 앞서 개시한 도 2 내지 도 9를 조합함으로써 파생 가능한 다양한 실시 예들에 대해 살펴보도록 한다.
일 실시예에 따르면, 전송유닛은 광원부, 방향제어부, 회절격자 및 시준기를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 광원부는 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber), 반도체 광증폭기 (semiconductor optical amplifier), 격리기(Isolator), 및 커플러(Coupler)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방향제어부는 상기 광원부에서 출력되는 광원의 출력정보를 입력 받아 상기 회절격자의 방향을 제어할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 방향제어부는 출력정보 수신부, 분석부, 및 모터 구동부를 포함하는데, 상기 출력정보 수신부는 상기 광원부에 연결되어 출력되는 광원의 출력정보를 수신하고, 상기 분석부는 상기 출력정보를 분석하며, 상기 모터 구동부는 분석된 상기 출력정보로 상기 회절격자의 방향을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시준기는 상기 광원부와 상기 회절격자 사이에 배치되어 상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하여 상기 회절격자로 전달할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 광원부가 편광 유지 광섬유 대신 코어 지름이 극단적으로 가늘기 때문에 광의 전파 모드가 하나이고, 출력 파장이 정확한 단일 모드 광섬유(single mode fiber:SMF)를 사용할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 단일 모드 광섬유를 이동하는 광이 편광을 유지할 수 있도록 상기 반도체 광증폭기의 입력단과 출력단에 편광 제어부가 형성될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 상기 방향제어부 없이 광원부, 회절격자, 및 시준기만으로 구성될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛의 구조는 광원부에 포함된 상기 반도체 광증폭기 복수개가 병렬로 연결되고, 복수의 상기 반도체 광증폭기의 입출력단의 노드에 각각 상기 커플러가 배치되는 구조일 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 방향 변환부를 더 포함하는데, 상기 방향 변환부는 SLM(spatial light modulator), DMD(digital micromirror device), MEMS mirror, 또는 다수의 소형 거울에 해당하고, 상기 회절격자 출력단에 배치되어, 상기 방향제어부의 제어를 받아 상기 회절격자에서 출력되는 광의 방향을 변환할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 상기 방향제어부 없이 광원부, 회절격자, 시준기, 및 광분리기만으로 구성될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 상기 방향제어부가 상기 회절격자 대신 상기 방향 변환부를 제어할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 너비 확장부와 망원부를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 너비 확장부는 시준기, 편광필름, 및 빔 익스팬더를 포함하여, 상기 광원부에서 출력되는 광이 상기 회절격자에 입력되기전 최대로 광을 반사시키기 위해 광의 너비를 확장시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시준기는 상기 광원부에서 전달되는 광을 평행광선으로 형성시키고, 상기 편광필름은 공간상에서 틀어지는 광의 편광을 잡아주며, 상기 빔 익스팬더는 평행광선으로 편광을 유지하는 광의 너비를 확대시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 너비 확장부는 상기 수신유닛으로 입사되는 광의 크기가 충분히 크지 않으면 광이 광 경로에 들어오기 어려워 최대한 빔을 반사시키기 위해 배율 5배의 상기 빔 익스팬더를 사용하여 통과한 빔의 너비를 8.68mm로 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원부는 커플러 대신 순환기를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 순환기는 상기 반도체 광증폭기의 출력포트에서 나온 광이 자유공간에 있는 시준기로 나가지 전에 99:1 탭 커플러로 빛을 유도할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 광원부, 너비 확장부와 망원부를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 너비 확장부, 망원부, 및 회절격자와 광원부를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 너비 확장부, 망원부, 회절격자, 광원부 및 방향제어부를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 광원부에 양방향 광섬유를 적용할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 실시예에서의 상기 광원부는 양방향 광섬유, 커플러, 반도체 광증폭기, 및 편광 제어부를 포함하는데, 상기 양방향 광섬유는 입사되는 광에 대해 양방향으로 공진을 일으켜 광에너지를 증폭시킬 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛은 광섬유 없이 자유공간에서 반사경을 이용하여 수신유닛에 광을 전송할 수 있다. 보다 구체적으로, 광원부는 반사경, 반도체 광증폭기, 시준기를 포함할 수 있으며, 상기 반사경은 자유공간상에서 입사되는 광을 반사시키고 공진이 이루어지는 과정을 통해 광의 에너지가 증가되도록 할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 반도체 광증폭기는 상기 반사경에서 반사되어 입사되는 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공할 수 있다. 한편, 시준기는 상기 반사경과 상기 반도체 광증폭기 사이에 배치되어 출력되는 광을 평행광선으로 변환할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전송유닛의 구조는 광원부에 포함된 상기 반도체 광증폭기 복수개가 병렬로 연결되고, 복수의 상기 반도체 광증폭기의 입출력단의 노드에 각각 상기 커플러가 배치되는 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 회절격자 대신 광전달 미러로 수신유닛에 광을 전달하여 해당 수신유닛을 광 충전할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 회절격자를 이용하는 경우 다파장으로 복수의 수신유닛들을 동시에 충전시킬 수 있지만, 시간대비 상기 수신유닛에 충전되는 전력량이 작을 수 있다. 반면 상기 광전달 미러를 이용하는 경우 짧은 시간 동안 하나의 수신유닛을 집중적으로 충전시킬 수 있어 시간대비 상기 수신유닛에 충전되는 전력량이 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 특정공간의 천정에 광원으로써 본 발명에 따른 전송유닛이 설치되고 해당 전송유닛에서 파장이 분할된 광원이 하방으로 전달되면, 해당 공간의 로봇청소기, 고객의 핸드폰, 또는 호출벨 등에 내장된 수신유닛(에서 광을 수신하고 공진이 일어난 광의 에너지를 전기에너지로 변환함으로써, 수신유닛을 내장하고 있는 기기들을 충전시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전송유닛은 레이저빔의 파장을 분할하고 공진에 의해 에너지가 증가된 광을 상기 수신유닛에 전달할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전송유닛의 광원부는 전류를 인가받아 광을 발생시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 이때 상기 광원부는 중심파장 1033.6nm와 21.9nm의 반치폭(full width at half maximum)을 가지는 양방향 반도체 광증폭기(SOA:semiconductor optical amplifier)가 사용되어, 상기 반도체 광증폭기로 800mA의 전류가 인가됨에 따라 광을 발생시키고, 파장을 증폭시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전송유닛의 광원부는 입사되는 광의 공진을 통해 광의 에너지를 증가시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 광원부의 반도체 광증폭기는 광의 이득을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이때, 상기 광원부는 광을 생성하는 상기 반도체 광증폭기가 같은 편광 상태의 파장만을 증폭시키는 특징이 있어 편광 조절기로 편광을 잡아줄 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 전송유닛의 회절격자는 상기 광원부에서 이득이 증가한 광을 공간상에 SOA 광원 파장 영역 범위의 파장으로 분할시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 파장 분할 방식이 1D 분할인 경우 하나의 회절격자가 사용되고, 파장 분할 방식이 2D 분할인 경우, 두 개의 회절격자를 사용하여 분할할 수도 있고, 또는 하나의 회절격자와 VIPA(Virtually Imaged Phase Array)를 사용하여 파장분할을 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 충전이 이루어져야 하는 각종 모바일 기기 또는 Iot 센서 등에 포함된 수신유닛이 위치한 방향으로 광이 전송될 수 있도록, 상기 전송유닛의 방향제어부는 상기 회절격자의 방향을 제어하거나, 또는 상기 회절격자의 출력단에 놓인 방향 변환부를 제어하여 광의 방향을 제어할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 1D 분할인 경우 하나의 회절격자를 사용하면서 추가로 방향제어부에 의한 회절격자의 방향제어가 적용될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 2D 분할인 경우 VIPA(Virtually Imaged Phase Array)와 하나의 회절격자가 사용되어 파장 분할이 구현된 상태에 추가로 방향제어부에 의한 회절격자의 방향제어가 적용될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 수신유닛은 상기 전송유닛에서 전송되는 광을 수신하고, 수신한 광 중, 일부의 광이 가진 에너지를 전기에너지로 변환하여 기기를 충전시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수신유닛의 역반사기는 입사된 광을 같은 각도로 반사시키고 입사된 광의 일부를 후방으로 통과시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수신유닛의 에너지 변환부는 광을 탐지하는 태양전지(solar cell), 또는 광전지(photovoltaic cell)를 포함하여 반사되지 않고, 상기 역반사기를 통과한 광을 탐지한 후, 탐지한 광의 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 에너지 변환부는 변환된 전기에너지를 상기 수신유닛이 내장된 각종기기에 충전시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명은 드론 충전 분야에 이용될 수 있다. 예를 들어 본 발명에서 개시하고 있는 전송유닛을 충전전력을 제공하는 드론에 적용할 수 있으며, 본 발명에서 개시하고 있는 수신유닛을 충전이 필요한 드론에 적용할 수 있다. 즉, 수신유닛에 대응하는 드론은 전송유닛에 대응하는 드론으로부터 전송되는 광 중 일부 광에 대한 에너지를 전기에너지로 변환하여 충전될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (23)

  1. 무선 광 충전광원(optical source) 빔을 공진에 의해 에너지가 증가된 광으로 전송하는 전송유닛; 및
    상기 전송유닛으로부터 전송되는 광을 수신하고, 수신한 광 중, 일부 광에 대한 에너지를 전기에너지로 변환하여 기기의 충전이 이루어지도록 하는 수신유닛;을 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    광원부;
    상기 광원부로부터 수신한 광을 소정범위의 파장으로 분할시켜 공간상으로 출력하는 회절격자, 프리즘 또는 배열 도파로 격자(arrayed waveguide grating); 및
    상기 광원부와 상기 회절격자에 사이에 배치되어 상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    상기 광원부에서 출력되는 광의 출력정보를 입력받아 상기 회절격자의 방향을 제어하는 방향제어부;를 더 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    상기 회절격자의 출력단에 배치되어, 상기 방향제어부의 제어를 상기 회절격자 대신 받아 상기 회절격자에서 출력되는 광의 방향을 변환하는 방향 변환부;를 더 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    광원부;
    상기 광원부에서 출력되는 광이 상기 회절격자에 입력되기 전, 수신기 역반사기에 입사되는 광의 반사율을 증가시키기 위해 광의 너비를 확장시키는 너비 확장부;
    상기 너비 확장부로부터 수신한 광을 소정범위의 파장으로 분할시켜 공간상으로 출력하는 회절격자; 및
    상기 회절격자의 출력단에 형성되어 FOV를 확대시키는 망원부;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 망원부는 복수개의 망원부를 포함하며, 상기 복수개의 망원부 중 일부는 병렬 형태로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는, 무선 광 충전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광원부는
    광의 편광을 유지시키는 편광 유지 광섬유;
    상기 편광 유지 광섬유의 경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기;
    한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기; 및
    상기 시준기로부터 전력을 수신하고 상기 반도체 광증폭기로부터 광대역의 광원을 상기 회절격자로 출력하는 커플러;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 광원부는
    광의 전파 모드가 하나인 단일 모드 광섬유;
    상기 단일 모드 광섬유 경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기;
    한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기;
    상기 반도체 광증폭기의 입력단과 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부;
    상기 시준기로부터 전력을 수신하고 상기 반도체 광증폭기로부터 광대역의 광원을 상기 회절격자로 출력하는 커플러;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 광원부는
    광의 전파 모드가 하나인 단일 모드 광섬유;
    상기 단일 모드 광섬유 경로 상에 형성되어, 출력 조절이 가능하여 상기 광을 광대역으로 출력하는 광섬유 레이저;
    외부 소스의 광을 상기 단일 모드 광섬유에 추가시켜 주는 레이저 펌프;
    상기 레이저 펌프에서 추가되는 광과 상기 단일 모드 광섬유의 광에 파장을 결합시켜주는 광파장 결합기;
    한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기;
    상기 광섬유 레이저의 입력단과 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부;
    상기 시준기로부터 전력을 수신하고 상기 광섬유 레이저로부터 광대역의 광원을 상기 회절격자로 출력하는 커플러;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 광원부는
    상기 광원부로 입사되는 광을 필터링하여 입사되는 광신호의 잡음비(optical signal to noise ratio, OSNR)를 증가시키는 광 밴드패스 필터를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    상기 광원부의 출력단에 배치되어, 상기 광원부로부터 입사되는 광을 둘로 나누어 상기 방향제어부와 상기 회절격자로 전달하는 광분리기;를 더 포함하되,
    상기 광원부는
    광의 이동방향을 전환하여, 광의 이동경로를 형성하는 복수의 방향 전환거울;
    상기 이동경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기;
    상기 이동경로의 한쪽 방향으로만 광이 전달될 수 있도록 하는 격리기;
    상기 반도체 광증폭기와 격리기(Isolator) 사이에 배치되어 상기 반도체 광증폭기로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 광원부는
    광의 전파 모드가 하나인 단일 모드 광섬유;
    상기 단일 모드 광섬유의 경로 상에 형성되어, 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기;
    상기 반도체 광증폭기의 입력단과 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부; 및
    상기 반도체 광증폭기의 출력포트에서 나온 광이 자유공간에 있는 시준기로 나가지 전 탭 커플러로 광을 유도하는 순환기;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  13. 제 2항에 있어서,
    상기 광원부는
    양방향으로 공진이 이루어지는 양방향 광섬유;
    상기 양방향 광섬유를 이동하는 광을 소정 비율만큼 출력하는 커플러;
    상기 커플러의 출력단에 형성되어 상기 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 및
    상기 양방향 광섬유의 경로상에 형성되고, 상기 반도체 광증폭기의 출력단에 형성되어 광의 편광을 유지시키는 편광 제어부;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  14. 제 2항에 있어서,
    상기 광원부는
    입사되는 광을 반사시키고 공진이 이루어지는 과정을 통해 광의 에너지가 증가되도록 하는 자유공간상의 반사경;
    상기 반사경에서 반사되어 입사되는 광에 대해 신호 이득을 갖는 광대역 이득 스펙트럼을 제공하는 반도체 광증폭기; 및
    상기 반사경과 상기 반도체 광증폭기 사이에 배치되어 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    복수의 상기 반도체 광증폭기가 병렬로 연결되고, 복수의 상기 반도체 광증폭기의 입출력단 노드에 각각 커플러가 배치되는 무선 광 충전 시스템.
  16. 제 5항에 있어서,
    상기 너비 확장부는
    상기 광원부에서 전달되는 광을 평행광선으로 형성하는 시준기;
    상기 시준기에서 평행광선으로 형성되면서 공간상에서 틀어지는 광의 편광을 잡아주는 편광필름; 및
    상기 평행광선으로 편광을 유지하는 광의 너비를 확대하는 빔 익스팬더;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 수신유닛은
    입사된 광을 동일한 각도로 반사시켜주는 역할을 하며, 큐브 형태의 배열로 되어 있고 중심에 간격이 형성된 역반사경; 및
    상기 입사된 광 중, 반사되지 않고, 중심에 간격을 통해 통과하는 광을 탐지하여 전기에너지로 변환하는 에너지 변환부;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 수신유닛은
    상기 수신유닛으로 입사되는 광을 필터링하여 입사되는 광신호의 잡음비(optical signal to noise ratio, OSNR)를 증가시키는 광 밴드패스 필터를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 수신유닛은
    상기 수신유닛으로 입사되는 광의 반사율을 낮추기 위한 기판;
    상기 기판을 통해 입사되는 광의 일부 파장에 대해 공진을 발생시키는 구형 형상의 볼 렌즈(ball lens); 및
    변환된 전기 에너지가 충전되는 광 전지(PV cell)를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 수신유닛은
    이미지 획득과 관련된 이미지 센서;
    입사되는 광의 일부 파장에 대해 공진을 발생시키는 구형 형상의 볼 렌즈; 및
    상기 수신유닛으로 입사되는 광을 선택적으로 상기 이미지 센서 또는 상기 볼 렌즈를 향해 전송하는 중계부를 포함하고,
    상기 수신유닛은 이미지 촬영이 가능한 휴대용 단말기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 광 충전 시스템.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    광원부;
    상기 광원부로부터 수신한 광을 상기 수신유닛으로 전달하는 광전달 미러; 및
    상기 광원부와 상기 광전달 미러 사이에 배치되어 상기 광원부로부터 출력되는 광을 평행광선으로 변환하는 시준기;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  22. 제 2항에 있어서,
    상기 전송유닛은
    상기 광원부로부터 발생된 광을 수신받을 상기 수신유닛을 검출하기 위한 수신유닛 검출모듈; 및
    상기 광전달 미러의 방향을 제어하는 방향제어부;를 더 포함하는 무선 광 충전 시스템.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 수신유닛 검출모듈은
    공간을 촬영하는 촬영부;
    상기 촬영부가 촬영한 영상에서 구동에 따른 상기 수신유닛(200)의 LED 빛으로 상기 수신유닛을 검출하는 수신유닛 검출부; 및
    상기 방향 제어부의 제어를 받아 상기 광전달 미러가 상기 유닛 검출부에 의해 검출된 수신유닛을 추적하여 광을 전달하도록 추적신호를 생성하는 추적신호 생성부;를 포함하는 무선 광 충전 시스템.
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