WO2021014847A1 - 受電装置、給電装置及び光ファイバー給電システム - Google Patents

受電装置、給電装置及び光ファイバー給電システム Download PDF

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WO2021014847A1
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optical fiber
signal
light
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秀一 玉手
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京セラ株式会社
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    • H04B10/806—Arrangements for feeding power
    • H04B10/808—Electrical power feeding of an optical transmission system

Definitions

  • This disclosure relates to a power receiving device, a power feeding device, and an optical fiber power feeding system.
  • Patent Document 1 describes an optical transmitter that transmits signal light modulated by an electric signal and feed light for supplying power, a core that transmits the signal light, and a core formed around the core.
  • An optical fiber having a first clad having a small refractive index and transmitting the feed light and a second clad formed around the first clad and having a smaller refractive index than the first clad, and a first clad of the optical fiber are used for transmission.
  • an optical communication device including an optical receiver that operates with the converted power of the fed light and converts the signal light transmitted by the core of the optical fiber into the electric signal.
  • the energy of the power supply light sent from the power supply device to the power receiving device was almost constant even when the load size of the power supply destination changed in a short period of time. Therefore, there is a problem that when the load becomes small, the surplus energy of the feeding light becomes a loss and the photoelectric conversion element generates heat. Alternatively, there is a problem that the energy of the feeding light becomes insufficient when the load becomes large.
  • the power receiving device is A photoelectric conversion element that converts feed light into electric power, A detector that detects the magnitude of power sent from the photoelectric conversion element to the load, A signal output unit that outputs the detection signal of the detection unit to the outside of the device, To be equipped.
  • the power supply device is A laser oscillator that converts power into feed light and sends it to the power receiving device, A signal input unit that inputs a detection signal indicating the amount of power to be supplied from outside the device, An output control unit that controls the output of the laser oscillator unit based on the input detection signal, To be equipped.
  • the optical fiber power supply system according to the present disclosure is With the above power receiving device, With the above power supply device The first optical fiber to which the feeding light is transmitted and The signal path through which the detection signal is transmitted and To be equipped.
  • the optical fiber power supply (PoF: Power over Fiber) system 1A of the present embodiment includes a power supply device (PSE: Power Sourcing Equipment) 110, an optical fiber cable 200A, and a power receiving device (PD: Powered Device) 310.
  • PSE Power Sourcing Equipment
  • PD Powered Device
  • the power feeding device in the present disclosure is a device that converts electric power into light energy and supplies it
  • a power receiving device is a device that receives the supply of light energy and converts the light energy into electric power.
  • the power feeding device 110 includes a power feeding semiconductor laser 111.
  • the optical fiber cable 200A includes an optical fiber 250A that forms a transmission line for feeding light.
  • the power receiving device 310 includes a photoelectric conversion element 311.
  • the power feeding device 110 is connected to a power source, and a power feeding semiconductor laser 111 or the like is electrically driven.
  • the power feeding semiconductor laser 111 oscillates the laser with the electric power from the power source and outputs the power feeding light 112.
  • one end 201A can be connected to the power feeding device 110, and the other end 202A can be connected to the power receiving device 310 to transmit the feeding light 112.
  • the power feeding light 112 from the power feeding device 110 is input to one end 201A of the optical fiber cable 200A, the feeding light 112 propagates in the optical fiber 250A, and is output from the other end 202A to the power receiving device 310.
  • the photoelectric conversion element 311 converts the feeding light 112 transmitted through the optical fiber cable 200A into electric power.
  • the electric power converted by the photoelectric conversion element 311 is used as the driving power required in the power receiving device 310. Further, the power receiving device 310 can output the electric power converted by the photoelectric conversion element 311 for an external device.
  • the semiconductor material constituting the semiconductor region that exerts the light-electric conversion effect of the power feeding semiconductor laser 111 and the photoelectric conversion element 311 is a semiconductor having a short wavelength laser wavelength of 500 nm or less. Since a semiconductor having a short wavelength laser wavelength has a large band gap and high photoelectric conversion efficiency, the photoelectric conversion efficiency on the power generation side and the power receiving side of optical power supply is improved, and the optical power supply efficiency is improved.
  • the semiconductor material for example, a semiconductor material of a laser medium having a laser wavelength (fundamental wave) of 200 to 500 nm, such as diamond, gallium oxide, aluminum nitride, and GaN, may be used.
  • a semiconductor having a band gap of 2.4 eV or more is applied as the semiconductor material.
  • a semiconductor material of a laser medium having a bandgap of 2.4 to 6.2 eV such as diamond, gallium oxide, aluminum nitride, and GaN, may be used.
  • a semiconductor material of a laser medium having a laser wavelength (fundamental wave) smaller than 200 nm may be used.
  • These semiconductor materials may be applied to either one of the power feeding semiconductor laser 111 and the photoelectric conversion element 311. The photoelectric conversion efficiency on the power feeding side or the power receiving side is improved, and the optical power feeding efficiency is improved.
  • the optical fiber power supply (PoF: Power over Fiber) system 1 of the present embodiment includes a power supply system via an optical fiber and an optical communication system, and is a power supply device (PSE: Power Sourcing Equipment) 110.
  • a first data communication device 100 including the above, an optical fiber cable 200, and a second data communication device 300 including a power receiving device (PD) 310 are provided.
  • the power feeding device 110 includes a power feeding semiconductor laser 111.
  • the first data communication device 100 includes a power supply device 110, a transmission unit 120 that performs data communication, and a reception unit 130.
  • the first data communication device 100 corresponds to a data terminal equipment (DTE: Data Terminal Equipment), a repeater (Repeater), and the like.
  • the transmitter 120 includes a signal semiconductor laser 121 and a modulator 122.
  • the receiving unit 130 includes a signal photodiode 131.
  • the optical fiber cable 200 includes an optical fiber 250 having a core 210 forming a signal light transmission path and a clad 220 arranged on the outer periphery of the core 210 and forming a feeding light transmission path.
  • the power receiving device 310 includes a photoelectric conversion element 311.
  • the second data communication device 300 includes a power receiving device 310, a transmitting unit 320, a receiving unit 330, and a data processing unit 340.
  • the second data communication device 300 corresponds to a power end station (Power End Station) or the like.
  • the transmitter 320 includes a signal semiconductor laser 321 and a modulator 322.
  • the receiving unit 330 includes a signal photodiode 331.
  • the data processing unit 340 is a unit that processes a received signal.
  • the second data communication device 300 is a node in the communication network. Alternatively, the second data communication device 300 may be a node that communicates with another node.
  • the first data communication device 100 is connected to a power source, and a power feeding semiconductor laser 111, a signal semiconductor laser 121, a modulator 122, a signal photodiode 131, and the like are electrically driven.
  • the first data communication device 100 is a node in the communication network.
  • the first data communication device 100 may be a node that communicates with another node.
  • the power feeding semiconductor laser 111 oscillates the laser with the electric power from the power source and outputs the power feeding light 112.
  • the photoelectric conversion element 311 converts the power feeding light 112 transmitted through the optical fiber cable 200 into electric power.
  • the electric power converted by the photoelectric conversion element 311 is the driving power of the transmitting unit 320, the receiving unit 330, and the data processing unit 340, and other driving power required in the second data communication device 300.
  • the second data communication device 300 may be capable of outputting the electric power converted by the photoelectric conversion element 311 for an external device.
  • the modulator 122 of the transmitting unit 120 modulates the laser light 123 from the signal semiconductor laser 121 based on the transmission data 124 and outputs it as the signal light 125.
  • the signal photodiode 331 of the receiving unit 330 demodulates the signal light 125 transmitted through the optical fiber cable 200 into an electric signal and outputs it to the data processing unit 340.
  • the data processing unit 340 transmits the data by the electric signal to the node, while receiving the data from the node and outputting the data as the transmission data 324 to the modulator 322.
  • the modulator 322 of the transmitting unit 320 modulates the laser light 323 from the signal semiconductor laser 321 based on the transmission data 324 and outputs it as the signal light 325.
  • the signal photodiode 131 of the receiving unit 130 demodulates the signal light 325 transmitted through the optical fiber cable 200 into an electric signal and outputs it.
  • the data from the electrical signal is transmitted to the node, while the data from the node is referred to as transmission data 124.
  • the feed light 112 and the signal light 125 from the first data communication device 100 are input to one end 201 of the optical fiber cable 200, the feed light 112 propagates through the clad 220, the signal light 125 propagates through the core 210, and the other end. It is output from 202 to the second data communication device 300.
  • the signal light 325 from the second data communication device 300 is input to the other end 202 of the optical fiber cable 200, propagates through the core 210, and is output from one end 201 to the first data communication device 100.
  • the first data communication device 100 is provided with an optical input / output unit 140 and an optical connector 141 attached to the optical input / output unit 140.
  • the second data communication device 300 is provided with an optical input / output unit 350 and an optical connector 351 attached to the optical input / output unit 350.
  • An optical connector 230 provided at one end 201 of the optical fiber cable 200 connects to the optical connector 141.
  • An optical connector 240 provided at the other end 202 of the optical fiber cable 200 connects to the optical connector 351.
  • the optical input / output unit 140 guides the feeding light 112 to the clad 220, guides the signal light 125 to the core 210, and guides the signal light 325 to the receiving unit 130.
  • the optical input / output unit 350 guides the feeding light 112 to the power receiving device 310, guides the signal light 125 to the receiving unit 330, and guides the signal light 325 to the core 210.
  • the optical fiber cable 200 has one end 201 connectable to the first data communication device 100 and the other end 202 connectable to the second data communication device 300 to transmit the feeding light 112. Further, in the present embodiment, the optical fiber cable 200 transmits the signal lights 125 and 325 in both directions.
  • the semiconductor material constituting the semiconductor region that exhibits the light-electricity conversion effect of the power feeding semiconductor laser 111 and the photoelectric conversion element 311 As the semiconductor material constituting the semiconductor region that exhibits the light-electricity conversion effect of the power feeding semiconductor laser 111 and the photoelectric conversion element 311, the same materials as those in the first embodiment are applied, and high light power feeding efficiency is realized. ..
  • the optical fiber 260 for transmitting signal light and the optical fiber 270 for transmitting the feeding light may be provided separately.
  • the optical fiber cable 200B may also be composed of a plurality of cables.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing an optical fiber power feeding system according to a third embodiment to which the energy control means for feeding light is applied.
  • the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the optical fiber power feeding system 1C of the third embodiment includes a power feeding device 110C, a power receiving device 310C, an optical fiber 250A, and a metal wire 291 which is a signal path of the detection signal 319.
  • the power receiving device 310C detects the photoelectric conversion element 311 that converts the feed light into electric power, the power line 313 that transmits the converted electric power to the load 380, and the detection unit 315 that detects the magnitude of the electric power sent to the load 380.
  • a signal output unit 314 that outputs the detection signal of the unit 315 to the outside of the power receiving device 310C is provided.
  • the detection unit 315 includes, for example, a detection resistor 316 that detects a current flowing through the power line 313, and an amplifier 317 that amplifies the voltage between both ends of the detection resistor 316 to generate a detection signal 319.
  • FIG. 6 is a waveform diagram showing the load output and the detection signal.
  • the load 380 may be a module having a power amplifier whose output fluctuates, for example, a communication device that outputs a modulated wave 382 accompanied by amplitude modulation.
  • the communication device may be a radio device.
  • the detection unit 315 detects the current flowing through the load 380 via the power line 313 and generates a detection signal 319. In such a configuration, the power sent to the load 380 changes according to the amplitude of the modulated wave 382, and the detection signal 319 becomes an envelope of the modulated wave 382 output from the load 380 (FIG. 6). reference).
  • the detection unit 315 when the current flowing through the power line 313 includes a frequency component corresponding to the carrier wave of the load 380, the detection unit 315 includes a filter for removing this frequency component, or an amplifier having a frequency characteristic for removing this frequency component. 317 may be adopted.
  • the frequency component corresponding to the carrier wave may not appear in the input current of the load 380.
  • the detection unit 315 may be configured to detect the current flowing through the power line 313 with a flat frequency characteristic.
  • the power feeding device 110C includes a power feeding semiconductor laser 111 as a laser oscillation unit, a signal input unit 114 for inputting a detection signal 319 from the outside of the power feeding device 110C, and an output of the power feeding semiconductor laser 111 based on the input detection signal 319. It includes an output control unit 115 that controls power. Based on the detection signal 319, the output control unit 115 increases the output power of the power feeding semiconductor laser 111 when the power supplied to the load 380 is large, and when the power supplied to the load 380 is small. The output power of the power feeding semiconductor laser 111 is controlled to be small.
  • the detection signal 319 indicating the magnitude of the electric power is transmitted from the power receiving device 310C. It is sent to 110C. Then, the output control unit 115 controls the output of the power feeding semiconductor laser 111 according to the detection signal 319, and the intensity of the power feeding light 112 changes according to the increase or decrease of the power consumed by the load 380. Therefore, it is possible to suppress a situation in which the surplus energy of the feeding light 112 increases when the power consumption of the load 380 decreases, and further, when the power consumption of the load 380 increases, the energy shortage of the feeding light 112 becomes insufficient. It is possible to suppress the situation that occurs.
  • the detection signal 319 corresponds to the envelope of the modulated wave 382 output from the load 380. Therefore, when the load 380 is, for example, a high-output communication device that outputs a modulated wave 382 using a power amplifier, the input power and the output power of the power amplifier are balanced, and the power addition efficiency of the power amplifier is improved. To do. Therefore, it is possible to improve the power conversion efficiency in the load 380 and suppress heat generation.
  • a circuit for smoothing the input power is provided on the power line 313 while keeping the power of the power feeding light 112 constant, and the configuration is compared with a configuration corresponding to an increase or decrease in the power consumption of the load 380.
  • a relatively large increase or decrease in power in a short period of time such as when outputting a modulated wave 382 with amplitude modulation with a large power
  • a high-cost circuit element is required to handle the power smoothing circuit. You will need it.
  • the detection unit 315 can be configured at low cost, and the component cost of the system can be reduced.
  • the optical fiber 250A and the metal wire 291 are laid around the installation location of the load 380. It is effective for. In such a case, by applying the optical fiber power supply system 1C, it is not necessary to newly lay a power line capable of passing a large amount of power, and the laid optical fiber 250A and the metal wire 291 can be used to achieve high efficiency from the power supply to the load 380. It can supply power.
  • the energy control means of the feeding light shown in the third embodiment may be applied to the system configuration of FIGS. 1, 2, and 4. Specifically, the power feeding device 110 of FIGS. 1, 2 and 4 is replaced with the power feeding device 110C of the third embodiment, the power receiving device 310 is replaced with the power receiving device 310C of the third embodiment, and the detection signal 319 is further detected.
  • the above application can be realized by adding the metal wire 291 to be transmitted.
  • the feed light 112 is transmitted via the optical fiber 250, and when applied to the system configuration of FIG. 4, the feed light 112 is transmitted via the optical fiber 270.
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing an optical fiber power feeding system according to a fourth embodiment to which the energy control means for feeding light is applied.
  • the optical fiber power feeding system 1D of the fourth embodiment is configured to convert the detection signal 319 into the signal light 319D and transmit it from the power receiving device 310D to the power feeding device 110D via the optical fiber 291D.
  • the optical fiber 291D corresponds to the signal path of the detection signal 319.
  • the optical fiber power feeding system 1D of the fourth embodiment includes a power receiving device 310D, a power feeding device 110D, an optical fiber (corresponding to the first optical fiber) 250A through which the feeding light 112 is transmitted, and an optical fiber (second optical fiber) through which the signal light 319D is transmitted. 291D is provided.
  • the optical fibers 291D and 250A have separate configurations from each other.
  • the power receiving device 310D transmits the photoelectric conversion element 311, the power line 313 and the detection unit 315, the light emitting unit (for example, a signal semiconductor laser) 318 that converts the detection signal 319 into the signal light 319D, and the signal light 319D to the outside of the power receiving device 310D.
  • the light emitting unit for example, a signal semiconductor laser
  • a signal output unit 314D for outputting is provided.
  • the light emitting unit 318 may be replaced with a configuration in which a laser oscillator that outputs laser light as a carrier wave and a modulator that modulates the laser light are combined.
  • the power feeding device 110D includes a power feeding semiconductor laser 111 and an output control unit 115, a signal input unit 114D that inputs signal light 319D from the outside of the power feeding device 110D, and a photoelectric that converts signal light 319D into a detection signal 319 that is an electric signal. It includes a conversion unit (for example, a signal photodiode) 118.
  • the intensity of the power supply light 112 changes according to the power consumed by the load 380, and the effect based on this changes with the third embodiment. It is played in the same way.
  • an optical fiber 250A for optical power supply and an optical fiber 291D for signal light are arranged around the installation location of the load 380. It is effective when it is laid.
  • the optical fiber power supply system 1D it is not necessary to newly lay a power line and a metal wire that can carry a large amount of power, and the laid optical fibers 250A and 291D are used to transfer the power supply to the load 380. Power can be supplied with high efficiency.
  • the energy control means of the feeding light shown in the fourth embodiment may be applied to the system configuration of FIGS. 1, 2, and 4.
  • the power feeding device 110 of FIGS. 1, 2 and 4 is replaced with the power feeding device 110D of the fourth embodiment
  • the power receiving device 310 is replaced with the power receiving device 310D of the fourth embodiment
  • the signal light 319D further.
  • the above application can be realized by adding the optical fiber 291D to be transmitted.
  • the feed light 112 is transmitted via the optical fiber 250, and when applied to the system configuration of FIG. 4, the feed light 112 is transmitted via the optical fiber 270.
  • the signal light 319D may be transmitted via the optical fiber 260 together with the signal light 125 and 325. Further, the optical fiber 291D may be omitted.
  • the detection signal 319 may be converted into the signal light 319D by using the transmitting unit 320, and the signal light 319D may be converted into the detection signal 319 by using the receiving unit 130.
  • the signal light 325 may be configured to include the information of the detection signal 319.
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing an optical fiber power feeding system according to a fifth embodiment to which the energy control means for feeding light is applied.
  • the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the optical fiber power feeding system 1E of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment except that the transmission line of the feeding light 112 and the transmission line of the signal light 319D representing the detection signal 319 are included in one optical fiber 250E. is there.
  • the optical fiber 250E includes a core and a plurality of claddings, and any two of the core and the plurality of claddings are set as a first transmission line and a second transmission line, and the feeding light 112 is transmitted through the first transmission line.
  • the signal optical 319D is transmitted via the second transmission line.
  • the intensity of the feeding light 112 changes according to the power consumed by the load 380, and the effect based on this changes. It is played in the same manner as in the third embodiment and the fourth embodiment.
  • an optical fiber 250E capable of transmitting feed light and signal light is laid around the installation location of the load 380. It is effective when there is.
  • a power line capable of passing a large amount of power and a metal wire need not be newly laid, and the laid optical fiber 250E can be used from the power source. Power can be supplied to the load 380 with high efficiency.
  • the energy control means of the feeding light shown in the fifth embodiment may be applied to the system configuration of FIGS. 1, 2, and 4.
  • the power feeding device 110 of FIGS. 1, 2 and 4 is replaced with the power feeding device 110D of the fifth embodiment
  • the power receiving device 310 is replaced with the power receiving device 310D of the fifth embodiment.
  • the above application can be realized by replacing the optical fibers 250A and 270 that transmit the feeding light 112 with the optical fibers 250E of the fifth embodiment.
  • the feeding light 112 and the signal light 319D may be transmitted via the optical fiber 250.
  • the detection signal 319 may be converted into the signal light 319D by using the transmitting unit 320, or the signal light 319D may be converted into the detection signal 319 by using the receiving unit 130.
  • the information of the detection signal 319 may be included in the signal light 325.
  • the embodiments of the present disclosure have been described above, the embodiments are shown as examples, and can be implemented in various other embodiments, and components are omitted as long as the gist of the invention is not deviated. , Can be replaced or changed.
  • the load to which power is supplied from the power receiving device is not limited to the communication device or the radio device, and may be any device.
  • the configuration of the detection unit that detects the magnitude of electric power is not limited to the specific example shown in the embodiment, and various circuit configurations may be adopted.
  • the present disclosure can be used for a power receiving device, a power feeding device, and an optical fiber power feeding system.
  • Optical fiber power supply system 1A Optical fiber power supply system 1
  • Optical fiber power supply system 1B Optical fiber power supply system 1C
  • Optical fiber power supply system 1D Optical fiber power supply system 1E
  • Optical connector 200A Optical fiber cable 200
  • Optical fiber cable 200B Optical fiber cable 210 Core 220 Clad 250A Optical fiber 250 Optical fiber 250E
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Abstract

負荷の増減に起因して光給電のエネルギー損失が増えること、あるいは、エネルギーの供給不足が生じることを抑制できる受電装置、給電装置及び光ファイバー給電システムを提供する。受電装置は、給電光を電力に変換する光電変換素子と、光電変換素子から負荷へ送られる電力の大きさを検出する検出部と、検出部の検出信号を装置外部へ出力する信号出力部とを備える。給電装置は、電力を給電光に変換して受電装置へ送るレーザー発振部と、供給する電力の大きさを示す検出信号を装置外部から入力する信号入力部と、入力された前記検出信号に基づいてレーザー発振部の出力を制御する出力制御部とを備える。

Description

受電装置、給電装置及び光ファイバー給電システム
　本開示は、受電装置、給電装置及び光ファイバー給電システムに関する。
　近時、電力を光（給電光と呼ばれる）に変換して伝送し、当該給電光を電気エネルギーに変換して電力として利用する光給電システムが研究されている。特許文献１には、電気信号で変調された信号光、及び電力を供給するための給電光を発信する光発信機と、上記信号光を伝送するコア、上記コアの周囲に形成され上記コアより屈折率が小さく上記給電光を伝送する第１クラッド、及び上記第１クラッドの周囲に形成され上記第１クラッドより屈折率が小さい第２クラッド、を有する光ファイバーと、上記光ファイバーの第１クラッドで伝送された上記給電光を変換した電力で動作し、上記光ファイバーのコアで伝送された上記信号光を上記電気信号に変換する光受信機と、を備えた光通信装置が記載されている。
特開２０１０－１３５９８９号公報
　従来の光給電においては、給電先の負荷の大きさが短い期間に変化した場合でも、給電装置から受電装置へ送られる給電光のエネルギーはほぼ一定であった。このため、負荷が小さくなったときに給電光の余剰のエネルギーが損失となって光電変換素子が発熱するという課題があった。あるいは、負荷が大きくなったときに給電光のエネルギー不足が生じるという課題があった。
　本開示に係る受電装置は、
　給電光を電力に変換する光電変換素子と、
　前記光電変換素子から負荷へ送られる電力の大きさを検出する検出部と、
　前記検出部の検出信号を装置外部へ出力する信号出力部と、
　を備える。
　本開示に係る給電装置は、
　電力を給電光に変換して受電装置へ送るレーザー発振部と、
　供給する電力の大きさを示す検出信号を装置外部から入力する信号入力部と、
　入力された前記検出信号に基づいて前記レーザー発振部の出力を制御する出力制御部と、
　を備える。
　本開示に係る光ファイバー給電システムは、
　上記の受電装置と、
　上記の給電装置と、
　前記給電光が伝送される第１光ファイバーと、
　前記検出信号が伝送される信号路と、
　を備える。
本開示の第１実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。 本開示の第２実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。 本開示の第２実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図であって、光コネクタ等を図示したものである。 本開示の他の一実施形態に係る光ファイバー給電システムの構成図である。 給電光のエネルギー制御手段が適用された第４実施形態に係る光ファイバー給電システムを示す構成図である。 負荷の出力と検出信号との一例を示す波形図である。 給電光のエネルギー制御手段が適用された第５実施形態に係る光ファイバー給電システムを示す構成図である。 給電光のエネルギー制御手段が適用された第６実施形態に係る光ファイバー給電システムを示す構成図である。
　以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。
（１）システム概要
〔第１実施形態〕
　図１に示すように本実施形態の光ファイバー給電（PoF：Power over Fiber）システム１Ａは、給電装置（PSE：Power Sourcing Equipment）１１０と、光ファイバーケーブル２００Ａと、受電装置（PD：Powered Device）３１０を備える。
　なお、本開示における給電装置は電力を光エネルギーに変換して供給する装置であり、受電装置は光エネルギーの供給を受け当該光エネルギーを電力に変換する装置である。
　給電装置１１０は、給電用半導体レーザー１１１を含む。
　光ファイバーケーブル２００Ａは、給電光の伝送路を形成する光ファイバー２５０Ａを含む。
　受電装置３１０は、光電変換素子３１１を含む。
　給電装置１１０は電源に接続され、給電用半導体レーザー１１１等が電気駆動される。
　給電用半導体レーザー１１１は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光１１２を出力する。
　光ファイバーケーブル２００Ａは、一端２０１Ａが給電装置１１０に接続可能とされ、他端２０２Ａが受電装置３１０に接続可能とされ、給電光１１２を伝送する。
　給電装置１１０からの給電光１１２が、光ファイバーケーブル２００Ａの一端２０１Ａに入力され、給電光１１２は光ファイバー２５０Ａ中を伝搬し、他端２０２Ａから受電装置３１０に出力される。
　光電変換素子３１１は、光ファイバーケーブル２００Ａを通して伝送されてきた給電光１１２を電力に変換する。光電変換素子３１１により変換された電力が、受電装置３１０内で必要な駆動電力とされる。さらに受電装置３１０は光電変換素子３１１により変換された電力を外部機器用に出力可能とされる。
　給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が５００ｎｍ以下の短波長のレーザー波長をもった半導体とされる。
　短波長のレーザー波長をもった半導体は、バンドギャップが大きく光電変換効率が高いので、光給電の発電側及び受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
　そのためには、同半導体材料として、例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、レーザー波長（基本波）が２００～５００ｎｍのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
　また、同半導体材料として、２．４ｅＶ以上のバンドギャップを有した半導体が適用される。
　例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、バンドギャップ２．４～６．２ｅＶのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
　なお、レーザー光は長波長ほど伝送効率が良く、短波長ほど光電変換効率が良い傾向にある。したがって、長距離伝送の場合には、レーザー波長（基本波）が５００ｎｍより大きいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。また、光電変換効率を優先する場合には、レーザー波長（基本波）が２００ｎｍより小さいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
　これらの半導体材料は、給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１のいずれか一方に適用してもよい。給電側又は受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
〔第２実施形態〕
　図２に示すように本実施形態の光ファイバー給電（PoF：Power over Fiber）システム１は、光ファイバーを介した給電システムと光通信システムとを含むものであり、給電装置（PSE：Power Sourcing Equipment）１１０を含む第１のデータ通信装置１００と、光ファイバーケーブル２００と、受電装置（PD：Powered Device）３１０を含む第２のデータ通信装置３００とを備える。
　給電装置１１０は、給電用半導体レーザー１１１を含む。第１のデータ通信装置１００は、給電装置１１０のほか、データ通信を行う発信部１２０と、受信部１３０とを含む。第１のデータ通信装置１００は、データ端末装置（DTE：Data Terminal Equipment）、中継器（Repeater）等に相当する。発信部１２０は、信号用半導体レーザー１２１と、モジュレーター１２２とを含む。受信部１３０は、信号用フォトダイオード１３１を含む。
　光ファイバーケーブル２００は、信号光の伝送路を形成するコア２１０と、コア２１０の外周に配置され、給電光の伝送路を形成するクラッド２２０と有する光ファイバー２５０を含む。
　受電装置３１０は、光電変換素子３１１を含む。第２のデータ通信装置３００は、受電装置３１０のほか、発信部３２０と、受信部３３０と、データ処理ユニット３４０とを含む。第２のデータ通信装置３００は、パワーエンドステーション（Power End Station）等に相当する。発信部３２０は、信号用半導体レーザー３２１と、モジュレーター３２２とを含む。受信部３３０は、信号用フォトダイオード３３１を含む。データ処理ユニット３４０は、受信した信号を処理するユニットである。また、第２のデータ通信装置３００は、通信ネットワークにおけるノードである。または第２のデータ通信装置３００は、他のノードと通信するノードでもよい。
　第１のデータ通信装置１００は電源に接続され、給電用半導体レーザー１１１、信号用半導体レーザー１２１と、モジュレーター１２２、信号用フォトダイオード１３１等が電気駆動される。また、第１のデータ通信装置１００は、通信ネットワークにおけるノードである。または第１のデータ通信装置１００は、他のノードと通信するノードでもよい。
　給電用半導体レーザー１１１は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光１１２を出力する。
　光電変換素子３１１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた給電光１１２を電力に変換する。光電変換素子３１１により変換された電力は、発信部３２０、受信部３３０及びデータ処理ユニット３４０の駆動電力、その他の第２のデータ通信装置３００内で必要となる駆動電力とされる。さらに第２のデータ通信装置３００は、光電変換素子３１１により変換された電力を外部機器用に出力可能とされていてもよい。
　一方、発信部１２０のモジュレーター１２２は、信号用半導体レーザー１２１からのレーザー光１２３を送信データ１２４に基づき変調して信号光１２５として出力する。
　受信部３３０の信号用フォトダイオード３３１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた信号光１２５を電気信号に復調し、データ処理ユニット３４０に出力する。データ処理ユニット３４０は、当該電気信号によるデータをノードに送信し、その一方で当該ノードからデータを受信し、送信データ３２４としてモジュレーター３２２に出力する。
　発信部３２０のモジュレーター３２２は、信号用半導体レーザー３２１からのレーザー光３２３を送信データ３２４に基づき変調して信号光３２５として出力する。
　受信部１３０の信号用フォトダイオード１３１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた信号光３２５を電気信号に復調し出力する。当該電気信号によるデータがノードに送信され、その一方で当該ノードからのデータが送信データ１２４とされる。
　第１のデータ通信装置１００からの給電光１１２及び信号光１２５が、光ファイバーケーブル２００の一端２０１に入力され、給電光１１２はクラッド２２０を伝搬し、信号光１２５はコア２１０を伝搬し、他端２０２から第２のデータ通信装置３００に出力される。
　第２のデータ通信装置３００からの信号光３２５が、光ファイバーケーブル２００の他端２０２に入力され、コア２１０を伝搬し、一端２０１から第１のデータ通信装置１００に出力される。
　なお、図３に示すように第１のデータ通信装置１００に光入出力部１４０とこれに付設された光コネクタ１４１が設けられる。また、第２のデータ通信装置３００に光入出力部３５０とこれに付設された光コネクタ３５１が設けられる。光ファイバーケーブル２００の一端２０１に設けられた光コネクタ２３０が光コネクタ１４１に接続する。光ファイバーケーブル２００の他端２０２に設けられた光コネクタ２４０が光コネクタ３５１に接続する。光入出力部１４０は、給電光１１２をクラッド２２０に導光し、信号光１２５をコア２１０に導光し、信号光３２５を受信部１３０に導光する。光入出力部３５０は、給電光１１２を受電装置３１０に導光し、信号光１２５を受信部３３０に導光し、信号光３２５をコア２１０に導光する。
　以上のように、光ファイバーケーブル２００は、一端２０１が第１のデータ通信装置１００に接続可能とされ、他端２０２が第２のデータ通信装置３００に接続可能とされ、給電光１１２を伝送する。さらに本実施形態では、光ファイバーケーブル２００は、信号光１２５，３２５を双方向伝送する。
　給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料としては上記第１実施形態と同様のものが適用され、高い光給電効率が実現される。
　なお、図４に示す光ファイバー給電システム１Ｂの光ファイバーケーブル２００Ｂように、信号光を伝送する光ファイバー２６０と、給電光を伝送する光ファイバー２７０とを別々に設けてもよい。光ファイバーケーブル２００Ｂも複数本で構成してもよい。
（２）給電光のエネルギー制御手段
　次に、給電光のエネルギー制御手段が適用された光ファイバー給電システムについて説明する。
〔第３実施形態〕
　図５は、給電光のエネルギー制御手段が適用された第３実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。図５中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
　第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃは、給電装置１１０Ｃと受電装置３１０Ｃと光ファイバー２５０Ａと、検出信号３１９の信号路であるメタル線２９１とを備える。
　受電装置３１０Ｃは、給電光を電力に変換する光電変換素子３１１と、変換された電力を負荷３８０へ伝送する電力線３１３と、負荷３８０へ送られる電力の大きさを検出する検出部３１５と、検出部３１５の検出信号を受電装置３１０Ｃの外部へ出力する信号出力部３１４とを備える。検出部３１５は、例えば電力線３１３に流れる電流を検出する検出抵抗３１６と、検出抵抗３１６の両端間電圧を増幅して検出信号３１９を生成するアンプ３１７とを含む。
　図６は、負荷の出力と検出信号とを示す波形図である。負荷３８０は、出力が変動するパワーアンプを有するモジュール、例えば、振幅変調を伴った被変調波３８２を出力する通信機などであってもよい。通信機は無線機であってもよい。検出部３１５は、電力線３１３を介して負荷３８０に流れる電流を検出し、検出信号３１９を生成する。このような構成の場合、負荷３８０に送られる電力は被変調波３８２の振幅に応じて変化し、検出信号３１９は、負荷３８０から出力される被変調波３８２の包絡線となる（図６を参照）。
　ここで、電力線３１３を流れる電流に負荷３８０の搬送波に対応する周波数成分が含まれる場合、検出部３１５は、この周波数成分を除去するフィルターを含むか、この周波数成分を除去する周波数特性を有するアンプ３１７が採用されてもよい。負荷３８０の入力電流に搬送波に対応する周波数成分が現れない構成であってもよく、この場合、検出部３１５は、平坦な周波数特性で電力線３１３に流れる電流を検出する構成としてもよい。
　給電装置１１０Ｃは、レーザー発振部としての給電用半導体レーザー１１１と、給電装置１１０Ｃの外部から検出信号３１９を入力する信号入力部１１４と、入力された検出信号３１９に基づき給電用半導体レーザー１１１の出力パワーを制御する出力制御部１１５とを備える。出力制御部１１５は、検出信号３１９に基づき、負荷３８０に供給される電力が大きいときに給電用半導体レーザー１１１の出力パワーが大きくなるように、かつ、負荷３８０に供給される電力が小さいときに給電用半導体レーザー１１１の出力パワーが小さくなるように制御する。
　第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃによれば、負荷３８０で消費される電力の大きさが短時間のうちに変化する場合でも、電力の大きさを示す検出信号３１９が受電装置３１０Ｃから給電装置１１０Ｃに送られる。そして、検出信号３１９に応じて出力制御部１１５が給電用半導体レーザー１１１の出力を制御し、負荷３８０で消費される電力の増減に応じて給電光１１２の強度が変化する。したがって、負荷３８０の消費電力が小さくなったときに、給電光１１２の余剰エネルギーが増加するといった事態を抑制でき、さらに、負荷３８０の消費電力が大きくなったときに、給電光１１２のエネルギー不足が生じるといった事態を抑制できる。
　さらに、第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃによれば、検出信号３１９は、負荷３８０から出力される被変調波３８２の包絡線に相当する。したがって、負荷３８０が例えばパワーアンプを用いて被変調波３８２を出力する大出力の通信機等である場合に、パワーアンプの入力電力と出力電力とが均衡し、パワーアンプの電力付加効率が向上する。よって、負荷３８０内の電力変換効率の向上、並びに、発熱の抑制を図ることができる。
　ここで、給電光１１２のパワーを一定としつつ、電力線３１３に入力電力を平滑する回路を設けて、負荷３８０の消費電力の増減に対応する構成と比較する。振幅変調を伴う被変調波３８２を大きなパワーで出力するときのように、短い期間に比較的に大きな電力の増減がある場合、電力を平滑する回路で対応するには、高コストな回路素子が必要となる。一方、第３実施形態の構成では、検出部３１５を安価に構成でき、システムの部品コストを低減できる。
　第３実施形態の光ファイバー給電システム１Ｃは、例えば大きな電力変動を伴う負荷３８０を所定箇所に設置する際、負荷３８０の設置箇所の周辺に光ファイバー２５０Ａとメタル線２９１とが敷設されているような場合に有効である。このような場合、光ファイバー給電システム１Ｃを適用することで、大きな電力を流せる電力線を新たに敷設する必要なく、敷設済みの光ファイバー２５０Ａ及びメタル線２９１を利用して、電源から負荷３８０へ高効率に電力を供給することができる。
　第３実施形態で示した給電光のエネルギー制御手段は、図１、図２、図４のシステム構成に適用されてもよい。具体的には、図１、図２、図４の給電装置１１０を第３実施形態の給電装置１１０Ｃに置き換え、受電装置３１０を第３実施形態の受電装置３１０Ｃに置き換え、さらに、検出信号３１９が伝送されるメタル線２９１を追加することで、上記の適用を実現できる。図２のシステム構成に適用した場合、給電光１１２は光ファイバー２５０を介して伝送され、図４のシステム構成に適用した場合、給電光１１２は光ファイバー２７０を介して伝送される。
〔第４実施形態〕
　図７は、給電光のエネルギー制御手段が適用された第４実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。図７中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。第４実施形態の光ファイバー給電システム１Ｄは、検出信号３１９を、信号光３１９Ｄに変換し、光ファイバー２９１Ｄを介して、受電装置３１０Ｄから給電装置１１０Ｄへ伝送するように構成される。光ファイバー２９１Ｄは、検出信号３１９の信号路に相当する。
　第４実施形態の光ファイバー給電システム１Ｄは、受電装置３１０Ｄ、給電装置１１０Ｄ、給電光１１２が伝送される光ファイバー（第１光ファイバーに相当）２５０Ａ、及び、信号光３１９Ｄが伝送される光ファイバー（第２光ファイバーに相当）２９１Ｄを備える。光ファイバー２９１Ｄ、２５０Ａは互いに別個の構成である。
　受電装置３１０Ｄは、光電変換素子３１１、電力線３１３及び検出部３１５と、検出信号３１９を信号光３１９Ｄに変換する発光部（例えば信号用半導体レーザー）３１８と、信号光３１９Ｄを受電装置３１０Ｄの外部へ出力する信号出力部３１４Ｄとを備える。発光部３１８は、搬送波としてレーザー光を出力するレーザー発振器と、レーザー光を変調するモジュレーターとを組み合わせた構成に置き換えられてもよい。
　給電装置１１０Ｄは、給電用半導体レーザー１１１及び出力制御部１１５と、信号光３１９Ｄを給電装置１１０Ｄの外部から入力する信号入力部１１４Ｄと、信号光３１９Ｄを電気信号である検出信号３１９に変換する光電変換部（例えば信号用フォトダイオード）１１８とを備える。
　第４実施形態の光ファイバー給電システム１Ｄによれば、第３実施形態と同様に、負荷３８０が消費する電力に応じて給電光１１２の強度が変化し、これに基づく効果が、第３実施形態と同様に奏される。
　第４実施形態の光ファイバー給電システム１Ｄは、例えば大きな電力変動を伴う負荷３８０を所定箇所に設置する際、負荷３８０の設置箇所の周辺に光給電用の光ファイバー２５０Ａと信号光用の光ファイバー２９１Ｄとが敷設されているような場合に有効である。このような場合、光ファイバー給電システム１Ｄを適用することで、大きな電力を流せる電力線、並びに、メタル線を新たに敷設する必要なく、敷設済みの光ファイバー２５０Ａ、２９１Ｄを利用して、電源から負荷３８０へ高効率に電力を供給することができる。
　第４実施形態で示した給電光のエネルギー制御手段は、図１、図２、図４のシステム構成に適用されてもよい。具体的には、図１、図２、図４の給電装置１１０を第４実施形態の給電装置１１０Ｄに置き換え、受電装置３１０を第４実施形態の受電装置３１０Ｄに置き換え、さらに、信号光３１９Ｄが伝送される光ファイバー２９１Ｄを追加することで、上記の適用を実現できる。図２のシステム構成に適用した場合、給電光１１２は光ファイバー２５０を介して伝送され、図４のシステム構成に適用した場合、給電光１１２は光ファイバー２７０を介して伝送される。
　図４のシステム構成に適用する場合、信号光３１９Ｄは、信号光１２５、３２５とともに光ファイバー２６０を介して伝送されてもよい。さらに、光ファイバー２９１Ｄは省略されてもよい。加えて、検出信号３１９は発信部３２０を用いて信号光３１９Ｄに変換されてもよいし、信号光３１９Ｄは受信部１３０を用いて検出信号３１９に変換されてもよい。さらに、信号光３２５が検出信号３１９の情報を含む構成としてもよい。
〔第５実施形態〕
　図８は、給電光のエネルギー制御手段が適用された第５実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。図８中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
　第５実施形態の光ファイバー給電システム１Ｅは、給電光１１２の伝送路と検出信号３１９を表わす信号光３１９Ｄの伝送路とが、１本の光ファイバー２５０Ｅに含まれるほかは、第４実施形態と同様である。光ファイバー２５０Ｅは、コアと複数のクラッドを備え、コアと複数のクラッドのうちいずれか２つが第１伝送路及び第２伝送路として設定され、第１伝送路を介して給電光１１２が伝送され、第２伝送路を介して信号光３１９Ｄが伝送される。
　第５実施形態の光ファイバー給電システム１Ｅによれば、第３実施形態及び第４実施形態と同様に、負荷３８０が消費する電力に応じて給電光１１２の強度が変化し、これに基づく効果が、第３実施形態及び第４実施形態と同様に奏される。
　第５実施形態の光ファイバー給電システム１Ｅは、例えば大きな電力変動を伴う負荷３８０を所定箇所に設置する際、負荷３８０の設置箇所の周辺に給電光と信号光とを伝送できる光ファイバー２５０Ｅが敷設されているような場合に有効である。このような場合、第５実施形態の光ファイバー給電システム１Ｅを適用することで、大きな電力を流せる電力線、並びに、メタル線を新たに敷設する必要なく、敷設済みの光ファイバー２５０Ｅを利用して、電源から負荷３８０へ高効率に電力を供給することができる。
　第５実施形態で示した給電光のエネルギー制御手段は、図１、図２、図４のシステム構成に適用されてもよい。具体的には、図１、図２、図４の給電装置１１０を第５実施形態の給電装置１１０Ｄに置き換え、受電装置３１０を第５実施形態の受電装置３１０Ｄに置き換える。さらに、図１、図４のシステム構成に適用する場合、給電光１１２を伝送する光ファイバー２５０Ａ、２７０を第５実施形態の光ファイバー２５０Ｅに置き換えることで、上記の適用を実現できる。図２のシステム構成に適用する場合には、給電光１１２と信号光３１９Ｄとを光ファイバー２５０を介して伝送してもよい。図２のシステム構成の場合、検出信号３１９は発信部３２０を用いて信号光３１９Ｄに変換されてもよいし、信号光３１９Ｄは受信部１３０を用いて検出信号３１９に変換されてもよいし、検出信号３１９の情報が信号光３２５に含まれる構成としてもよい。
　以上本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、この他の様々な形態で実施が可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、受電装置から電力が供給される負荷は、通信機又は無線機に限られず、どのような機器であってもよい。電力の大きさを検出する検出部の構成は、実施形態で示した具体例に限られず、様々な回路構成が採用されてもよい。
　本開示は、受電装置、給電装置及び光ファイバー給電システムに利用できる。
１Ａ　光ファイバー給電システム
１　光ファイバー給電システム
１Ｂ　光ファイバー給電システム
１Ｃ　光ファイバー給電システム
１Ｄ　光ファイバー給電システム
１Ｅ　光ファイバー給電システム
１００　第１のデータ通信装置
１１０　給電装置
１１０Ｃ　給電装置
１１０Ｄ　給電装置
１１１　給電用半導体レーザー（レーザー発振部）
１１２　給電光
１１４　信号入力部
１１４Ｄ　信号入力部
１１５　出力制御部
１１８　光電変換部
１２０　発信部
１２５　信号光
１３０　受信部
１４０　光入出力部
１４１　光コネクタ
２００Ａ　光ファイバーケーブル
２００　光ファイバーケーブル
２００Ｂ　光ファイバーケーブル
２１０　コア
２２０　クラッド
２５０Ａ　光ファイバー
２５０　光ファイバー
２５０Ｅ　光ファイバー
２６０　光ファイバー
２７０　光ファイバー
２９１　メタル線
２９１Ｄ　光ファイバー
３００　第２のデータ通信装置
３１０　受電装置
３１０Ｃ　受電装置
３１０Ｄ　受電装置
３１１　光電変換素子
３１３　電力線
３１４　信号出力部
３１４Ｄ　信号出力部
３１５　検出部
３１６　検出抵抗
３１７　アンプ
３１８　発光部
３１９　検出信号
３１９Ｄ　信号光（検出信号）
３２０　発信部
３２５　信号光
３３０　受信部
３５０　光入出力部
３５１　光コネクタ
３８０　負荷
３８２　被変調波

Claims (7)

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