WO2021024795A1 - 受電装置及び光伝送システム - Google Patents

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WO2021024795A1
WO2021024795A1 PCT/JP2020/028258 JP2020028258W WO2021024795A1 WO 2021024795 A1 WO2021024795 A1 WO 2021024795A1 JP 2020028258 W JP2020028258 W JP 2020028258W WO 2021024795 A1 WO2021024795 A1 WO 2021024795A1
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light
photoelectric conversion
optical fiber
feeding
power
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PCT/JP2020/028258
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修啓 手塚
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京セラ株式会社
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    • H02J50/30—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using light, e.g. lasers

Definitions

  • This disclosure relates to a power receiving device and an optical transmission system.
  • Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion device for monitoring the output of a semiconductor laser.
  • the photoelectric conversion device of Patent Document 1 has a spherical surface having a concave light receiving surface.
  • High-intensity light is transmitted via an optical fiber, and the transmitted light is converted into electric power by a photoelectric conversion element, so that optical power supply can be performed.
  • the output current is saturated and the loss increases. The loss causes heat generation of the photoelectric conversion element. If the amount of light received is not uniform for each position of the photoelectric conversion element and excessive light is input to a part of the light receiving surface, the amount of light received cannot be increased as a whole because part of the light generates heat. In this case, the amount of light received in other parts is reduced, and the utilization efficiency of the photoelectric conversion element is lowered as a whole.
  • the power receiving device of the present disclosure is Equipped with multiple photoelectric conversion elements
  • the plurality of photoelectric conversion elements are arranged so that the plurality of light receiving surfaces of the plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a concave shape.
  • the optical transmission system of the present disclosure is An optical transmission system that transmits feed light via an optical fiber. Equipped with the above power receiving device The power receiving device receives the feeding light.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a light receiving area of each photoelectric conversion element when viewed in the optical axis direction of the feeding light in the power receiving device according to the first embodiment. It is a figure which shows the example of receiving the feeding light of the power receiving device of the comparative example. It is explanatory drawing which shows the light-receiving area of each photoelectric conversion element when seen in the optical axis direction of the feeding light in the power receiving device of the comparative example.
  • FIG. 2 It is a figure which shows the power receiving apparatus which concerns on Embodiment 2 of this disclosure. It is a figure which shows the optical fiber feeding system of Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the optical fiber power supply system of Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a plan view showing a power receiving device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of receiving the feeding light of the power receiving device according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram showing a light receiving area of each photoelectric conversion element when viewed in the optical axis direction of the feeding light in the power receiving device according to the first embodiment.
  • the power receiving device (PD: Powered Device) 310 of the first embodiment is a device that receives power feeding light 112 and outputs electric power, and holds a plurality of photoelectric conversion elements 311 and a plurality of photoelectric conversion elements 311 in a predetermined arrangement. It is provided with a holding unit 316.
  • the photoelectric conversion element 311 is made of a semiconductor material described later, has a light receiving surface S311 (see FIG. 2) on one side, converts light input to the light receiving surface S311 into electric power, and converts power lines 313 (see FIG. 2). ) Is output.
  • Each light receiving surface S311 may be flat or may include a curved surface.
  • the holding unit 316 holds a plurality of photoelectric conversion elements 311 so that the plurality of light receiving surfaces S311 are arranged in a concave shape.
  • the concave shape means that when the first axis and the second axis orthogonal to the first axis are appropriately selected, the vertical cross section along the first axis becomes a gentle concave shape, and the vertical cross section along the second axis is flat. It may be a cylindrical concave surface having a shape, or may have a concave surface shape having a gentle concave shape in the vertical cross section in any direction. In the examples shown in FIGS. 1 and 2, the latter concave shape is adopted.
  • FIG. 3A extracts and shows a part of the photoelectric conversion elements 311 arranged in a concave shape.
  • the reference plane S1 is on the opposite side of the light receiving surface S311. It is assumed that the reference plane S1 is perpendicular to the central optical axis of the feeding light 112.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 311 are arranged so that the closer the arrangement is to the center, the smaller the distance from the reference plane S1, and the closer the arrangement is to the edges, the larger the distance from the reference plane S1.
  • each light receiving surface S311 of the plurality of photoelectric conversion elements 311 has a smaller inclination angle with respect to the reference plane S1 as the arrangement is closer to the center, and the inclination angle with respect to the reference plane S1 is larger as the arrangement is closer to the edge.
  • the direction of inclination of each light receiving surface S311 is such that the perpendicular line of each light receiving surface S311 approaches the perpendicular line of the central light receiving surface S311 as it advances toward the supply side of the feeding light 112.
  • the perpendicular line of each light receiving surface S311 of the plurality of photoelectric conversion elements 311 may intersect the output end of the feeding light 112 (the other end 202A of the optical fiber 250A).
  • each photoelectric conversion element 311 has a shape having linear sides and corners.
  • the corners are not limited to exact corners, and small roundness may be added.
  • At least one of the plurality of photoelectric conversion elements 311 has a polygonal shape such as a pentagonal shape or a hexagonal shape surrounded by a plurality of linear sides and a plurality of corner portions.
  • the polygonal photoelectric conversion element 311 may have all the sides adjacent to the linear sides of the other photoelectric conversion element 311.
  • all photoelectric conversion elements 311 have hexagonal or pentagonal light receiving surfaces, and when attention is paid to a pair of adjacent photoelectric conversion elements 311, one side and two corners of each other are aligned.
  • Adjacent with a small gap in between Adjacent with a small gap in between. Further, when paying attention to the central photoelectric conversion element 311 and the plurality of photoelectric conversion elements 311 around it, the linear photoelectric conversion element 311 adjacent to all sides and corners of the central photoelectric conversion element 311. The sides and corners are adjacent to each other with a small gap in between. Adjacent sides may be in contact with each other. Adjacent corners may be in contact with each other.
  • the feeding light 112 supplied from the outside has a spread and is input to the light receiving surface S311 of the plurality of photoelectric conversion elements 311.
  • the feeding light 112 is propagated substantially equidistantly regardless of the arrangement of the photoelectric conversion elements 311 and each light receiving surface of the plurality of photoelectric conversion elements 311. It is input to S311. Further, the feeding light 112 is input substantially perpendicularly to each light receiving surface S311 of the plurality of photoelectric conversion elements 311.
  • rectangular regions R1 to R5 having a unit area are set on the plurality of light receiving surfaces S311.
  • the area of the rectangular regions R1 to R5 seen in each optical axis direction of the feeding light 112 directed to each photoelectric conversion element 311 is approximately the same from the central photoelectric conversion element 311 to the end photoelectric conversion element 311. It will be the same area. Therefore, when comparing the intensities (light intensity densities) of the feeding light 112 input to any two photoelectric conversion elements 311, there is no big difference in the intensities per unit area of the feeding light 112.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of receiving the feeding light of the power receiving device of the comparative example.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram showing a light receiving area of each photoelectric conversion element when viewed in the optical axis direction of the feeding light in the power receiving device of the comparative example.
  • the comparative example of FIG. 4A is an example in which a plurality of photoelectric conversion elements 311 are arranged in a plane. In the comparative example of FIG. 4A, as shown in FIG. 4B, the areas of the rectangular regions R1 to R5 seen in the optical axis direction of the feeding light 112 input to each photoelectric conversion element 311 are not equal.
  • the one closer to the center is closer to the end than the one closer to the edge.
  • the strength per unit area is high.
  • FIG. 5 is a diagram showing a power receiving device according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the power receiving device 310 of the second embodiment includes a plurality of photoelectric conversion elements 311 and a diffusion lens 312 that spreads the feeding light 112.
  • the diffuser lens 312 may be a lens that has an effect of spreading parallel light, such as a plano-concave lens or a biconcave lens.
  • the diffuser lens 312 may be a lens that spreads light in a uniaxial direction such as a cylindrical lens, or a lens that spreads light in a biaxial direction such as a spherical lens.
  • FIG. 5 shows an example in which the power receiving device 310 receives the feeding light 112 output from the plurality of optical fibers 361.
  • the plurality of optical fibers 361 may be bundled so as to be evenly arranged in a cylindrical frame, or may be bundled so as to be arranged in a horizontally long frame.
  • FIG. 5 shows the directions of X, Y, and Z orthogonal to each other.
  • the diffuser lens 312 has a concave cross section in the XZ direction and a straight cross section in the YZ direction. Cylindrical lenses may be applied.
  • the power receiving device 310 of the second embodiment may also be configured to receive the feeding light 112 output from one optical fiber 250A, as in FIG.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 311 of the second embodiment are arranged so that the perpendicular line of each light receiving surface S311 overlaps with the diffusion lens 312.
  • Other elements of the arrangement form of the plurality of photoelectric conversion elements 311 are the same as those in the first embodiment.
  • the feeding light 112 supplied from the outside spreads by the diffusion lens 312 and is input to the light receiving surface S311 of the plurality of photoelectric conversion elements 311.
  • the feeding light 112 is propagated substantially equidistantly regardless of the arrangement of the photoelectric conversion elements 311 and receives light from each of the plurality of photoelectric conversion elements 311. It is input to the surface S311. Further, the feeding light 112 is input substantially perpendicular to each light receiving surface S311.
  • FIG. 6 is a diagram showing an optical fiber power supply system according to the first embodiment.
  • the optical fiber power supply (PoF: Power over Fiber) system 1A of the first embodiment is an optical transmission system that transmits the power supply light 112 via the optical fiber 250A.
  • the optical fiber power supply system 1A includes a power supply device (PSE: Power Sourcing Equipment) 110, an optical fiber cable 200A, and a power receiving device 310.
  • the power feeding device in the present disclosure is a device that converts electric power into light energy and supplies it, and 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 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.
  • the optical fiber cable 200A includes an optical fiber 250A that forms a transmission path for feeding light.
  • 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 power receiving device 310 has the configuration of the first embodiment or the second embodiment shown in FIGS. 1 to 3 and 5.
  • the power receiving device 310 may be arranged so that the input port of the feeding light 112 faces the other end (output end) 202A of the optical fiber 250A.
  • the input port corresponds to a portion where the light receiving surfaces S311 of the plurality of photoelectric conversion elements 311 face each other, and in the configuration of FIG. 5, the portion where the input surfaces of the diffusion lens 312 face each other.
  • the photoelectric conversion element 311 converts the feed 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.
  • the power receiving device 310 may be configured to be able to 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.
  • FIG. 7 is a diagram showing an optical fiber power supply system according to the second embodiment.
  • the optical fiber power feeding system 1B of the second embodiment is an optical transmission system that transmits signal light 125 and 325 and power feeding light 112 via optical fibers 260 and 270.
  • the transmission of the signal light 125 and 325 may be bidirectional transmission via one optical fiber 260.
  • the optical fiber power feeding system 1B includes a first data communication device 100 including a power feeding device 110, an optical fiber cable 200, and a second data communication device 300 including a power receiving device 310.
  • the first data communication device 100 corresponds to a data terminal device (DTE: Data Terminal Equipment), a repeater (Repeater), or the like.
  • 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 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 power feeding device 110 has a configuration similar to that shown in FIG.
  • the transmitter 120 includes a signal semiconductor laser 121 and a modulator 122.
  • the modulator 122 modulates the laser light 123 from the signal semiconductor laser 121 based on the transmission data 124 and outputs the signal light 125.
  • the receiving unit 130 includes a signal photodiode 131.
  • the signal photodiode 131 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 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 optical fiber cable 200 includes an optical fiber 260 that transmits signal light 125 and 325 and an optical fiber 270 that transmits power feeding light 112.
  • the optical fiber 260 may be a single mode optical fiber.
  • the optical fiber 270 may be a multimode optical fiber.
  • the second data communication device 300 corresponds to a power end station (Power End Station) or the like.
  • the second data communication device 300 is a node in the communication network.
  • the second data communication device 300 may be a node that communicates with another node.
  • 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 power receiving device 310 has a configuration similar to that shown in FIG.
  • the power receiving device 310 may be arranged so that the input port of the feeding light 112 faces the output end of the optical fiber 270.
  • the transmitter 320 includes a signal semiconductor laser 321 and a modulator 322.
  • the modulator 322 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 receiving unit 330 includes a signal photodiode 331.
  • the signal photodiode 331 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 data processing unit 340 is a unit that processes a received signal.
  • the electric power converted by the photoelectric conversion element 311 of the power receiving device 310 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. .. Further, 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 feeding light 112 and the signal light 125 output from the first data communication device 100 propagate through the optical fibers 260 and 270 of the optical fiber cable 200B, and the second data It is sent to the communication device 300.
  • the signal light 325 output from the second data communication device 300 propagates through the optical fiber 260 of the optical fiber cable 200B and is sent to the first data communication device 100.
  • FIG. 8 is a diagram showing an optical fiber power supply system according to the third embodiment.
  • the optical fiber feeding system 1 of the third embodiment is the same as the optical fiber feeding system 1B of the second embodiment except that a part is different.
  • the components different from the optical fiber power feeding system 1B of the second embodiment will be described in detail.
  • the optical fiber power supply system 1 includes an optical fiber cable 200 including an optical fiber 250 through which signal light 125, 325 and power supply light 112 propagate.
  • the optical fiber 250 includes a core 210 forming a transmission path for signal light 125 and 325, a clad (corresponding to the first clad) 220 arranged around the core 210 and forming a transmission path for the feeding light 112, and a clad 220. It has an outer clad 225 (corresponding to a second clad) arranged around it.
  • the second data communication device 300 further includes a demultiplexer 360 that demultiplexes the feeding light 112 and the signal light 125 output from the other end 202 of the optical fiber 250.
  • the demultiplexer 360 may have a configuration in which the feeding light 112 output from the clad 220 is taken into a plurality of demultiplexing optical fibers 361 (see FIG. 5) and sent to the power receiving device 310 via the plurality of optical fibers 361. ..
  • the power receiving device 310 may be arranged so that the input port of the feeding light 112 faces the output ends of the plurality of optical fibers 361.
  • the power supply light 112 output from the first data communication device 100 propagates through the clad 220 of the optical fiber 250 and is sent to the second data communication device 300.
  • the input feed light 112 is demultiplexed by the demultiplexer 360 from the signal light 125 and sent to the power receiving device 310.
  • FIG. 9 is a diagram showing an optical fiber power supply system according to the fourth embodiment.
  • the optical fiber power supply system 1C of the fourth embodiment is the same as the optical fiber power supply system 1 of the third embodiment except that a part is different.
  • the components different from the optical fiber power feeding system 1 of the third embodiment will be described in detail.
  • the power receiving device 310 of the second data communication device 300 is arranged so that the input port of the feeding light 112 faces the other end (output end) 202 of the optical fiber 250.
  • the signal lights 125 and 325 propagating through the core 210 of the optical fiber 250 are demultiplexed or combined and received between the other end (output end) 202 of the optical fiber 250 and the plurality of photoelectric conversion elements 311 of the power receiving device 310. It may be sent to the unit 330 or from the transmitting unit 320. Alternatively, among the plurality of photoelectric conversion elements 311 (see FIGS. 1 and 2) of the power receiving device 310, a path for transmitting the signal light 125 and 325 is provided in the center, and the signal light 125 and 325 are received via this path. It may be sent to the unit 330 or from the transmitting unit 320.
  • the feeding light 112 output from the first data communication device 100 propagates through the clad 220 of the optical fiber 250 and is sent to the second data communication device 300.
  • the feeding light 112 output from the clad 220 of the optical fiber 250 is directly sent to the power receiving device 310.
  • the power receiving light 112 can be received to generate electric power, while the plurality of light receiving surfaces S311 are arranged so as to be arranged in a concave shape. There is. Therefore, it is possible to make the intensity of the feeding light 112 sent to the plurality of photoelectric conversion elements 311 uniform per unit area, and it is possible to improve the utilization efficiency of the plurality of photoelectric conversion elements 311.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 311 include an element having a polygonal light receiving surface S311, and each side of the polygon is another photoelectric conversion element. It is adjacent to the side of the light receiving surface S311 of 311. Therefore, it becomes easy to reduce the gap between the plurality of light receiving surfaces S311 arranged in a concave shape. As a result, the ratio of the feeding light 112 that deviates from the photoelectric conversion element 311 can be reduced, and highly efficient power reception can be realized.
  • the diffusion lens 312 that spreads the feeding light 112 is provided, and the perpendicular lines of the plurality of photoelectric conversion elements 311 are arranged so as to overlap the diffusion lens 312. Therefore, even when the high-intensity feeding light 112 is sent, by expanding the feeding light 112 by the diffusion lens 312, the intensity of the feeding light 112 per unit area can be reduced and received by the plurality of photoelectric conversion elements 311. it can. Therefore, it is possible to increase the maximum energy that can be sent by the feeding light 112.
  • the feeding light 112 is spread by the diffusing lens 312, since the perpendicular lines of the plurality of light receiving surfaces S311 are arranged so as to overlap the diffusing lens 312, per unit area of the feeding light 112 sent to each photoelectric conversion element 311. It is possible to make the strength of the lens uniform. Therefore, the utilization efficiency of the plurality of photoelectric conversion elements 311 is improved.
  • the high utilization efficiency of the plurality of photoelectric conversion elements 311 can be obtained by providing the power receiving device 310 that exhibits the above effects. .. Therefore, it is possible to perform high-power optical power supply while suppressing soaring costs.
  • the optical fiber power supply system may be configured to have a plurality of optical fiber cables.
  • the power receiving device is applied to the optical fiber power feeding system, but the power receiving device of the present disclosure may be generally applied to the optical power supply that does not use the optical fiber.
  • the details shown in the embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the invention.
  • This disclosure can be used for power receiving devices and optical transmission systems.
  • Optical fiber power supply system (optical transmission system) 100 First data communication device 110 Power supply device 111 Power supply semiconductor laser 112 Power supply light 120 Transmitter 125 Signal light 130 Receiver 200, 200A, 200B Optical fiber cable 210 Core 220 clad (first clad) 225 outer clad (second clad) 270, 250, 250A Optical fiber 300 Second data communication device 310 Power receiving device 311 Photoelectric conversion element S311 Light receiving surface 312 Diffusing lens 313 Power line 316 Holding unit 320 Transmitting unit 325 Signal light 330 Receiving unit 331 Signal photodiode 360 Demultiplexer 361 Multiple optical fibers for demultiplexing

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Abstract

光電変換素子の利用効率を向上できる受電装置及び光伝送システムを提供する。受電装置は、複数の光電変換素子を備え、複数の光電変換素子の複数の受光面が凹面状に並ぶように複数の光電変換素子が配列されている。光伝送システムは、光ファイバーを介して給電光を伝送し、受電装置が給電光を受光する。

Description

受電装置及び光伝送システム
　本開示は、受電装置及び光伝送システムに関する。
　特許文献１には、半導体レーザーの出力をモニタするための光電変換装置が示されている。特許文献１の光電変換装置は、受光面が凹型状の球面を呈している。
特開昭６２－２４２３７４号公報
　光ファイバーを介して高強度の光を伝送し、伝送された光を光電変換素子が電力に変換することで、光給電を行うことができる。一方、光電変換素子に過大な光が入力されると、出力電流が飽和し、損失が増す。損失は光電変換素子の発熱を引き起こす。受光量が光電変換素子の位置ごとに均一でなく、受光面の一部に過大な光が入力された場合、一部が発熱するため、全体的な受光量を増やすことができない。この場合、他の部分の受光量は少なくなり、全体として光電変換素子の利用効率が低下する。
　本開示の受電装置は、
　複数の光電変換素子を備え、
　前記複数の光電変換素子の複数の受光面が凹面状に並ぶように前記複数の光電変換素子が配列されている。
　本開示の光伝送システムは、
　光ファイバーを介して給電光を伝送する光伝送システムであって、
　上記の受電装置を備え、
　前記受電装置が前記給電光を受光する。
本開示の実施形態１に係る受電装置を示す平面図である。 図１のＡ－Ａ線における断面図である。 実施形態１に係る受電装置の給電光の受光例を示す図である。 実施形態１に係る受電装置において給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図である。 比較例の受電装置の給電光の受光例を示す図である。 比較例の受電装置において給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図である。 本開示の実施形態２に係る受電装置を示す図である。 実施形態１の光ファイバー給電システムを示す図である。 実施形態２の光ファイバー給電システムを示す図である。 実施形態３の光ファイバー給電システムを示す図である。 実施形態４の光ファイバー給電システムを示す図である。
　以下、本開示の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　（実施形態１）
　図１は、本開示の実施形態１に係る受電装置を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線における断面図である。図３Ａは、実施形態１に係る受電装置の給電光の受光例を示す図である。図３Ｂは、実施形態１に係る受電装置において給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図である。
　実施形態１の受電装置（PD: Powered Device）３１０は、給電光１１２を受けて電力を出力する装置であり、複数の光電変換素子３１１と、複数の光電変換素子３１１を所定の配列で保持する保持部３１６とを備える。光電変換素子３１１は、後述する半導体材料から構成され、一方に受光面Ｓ３１１（図２を参照）を有し、受光面Ｓ３１１に入力された光を電力に変換し、電力線３１３（図２を参照）を介して出力する。各受光面Ｓ３１１は、平面状であっても、曲面が含まれていてもよい。
　保持部３１６は、図２に示すように、複数の受光面Ｓ３１１が凹面状に並ぶように、複数の光電変換素子３１１を保持する。凹面状とは、適宜に第１軸と第１軸に直交する第２軸と選んだときに、第１軸に沿った縦断面がなだらかな凹状となり、第２軸に沿った縦断面が平面状となる筒型の凹面状であってもよいし、いずれの方向の縦断面もなだらかな凹状となる凹面状であってもよい。図１及び図２に示す例は、後者の凹面状が採用されている。
　図３Ａは、凹面状に並んだ一部の光電変換素子３１１を抽出して示している。続いて、受光面Ｓ３１１の反対側に基準平面Ｓ１があるものと仮定して説明する。基準平面Ｓ１は、給電光１１２の中央の光軸に垂直であるとする。複数の光電変換素子３１１は、配置が中央に近いほど基準平面Ｓ１との距離が小さく、配置が端に近いほど基準平面Ｓ１との距離が大きくなるように配置される。さらに、複数の光電変換素子３１１の各受光面Ｓ３１１は、配置が中央に近いほど、基準平面Ｓ１に対する傾斜角が小さく、配置が端に近いほど、基準平面Ｓ１に対する傾斜角が大きくなる。各受光面Ｓ３１１の傾斜の向きは、各受光面Ｓ３１１の垂線が、給電光１１２の供給側に進むほど、中央の受光面Ｓ３１１の垂線に近づく向きである。複数の光電変換素子３１１の各受光面Ｓ３１１の垂線は、給電光１１２の出力端（光ファイバー２５０Ａの他端２０２Ａ）に交差してもよい。
　図１に示すように、各光電変換素子３１１の受光面は、直線状の辺と角部とを有する形状を有する。なお、角部は厳密な角に限られず、小さな丸みが付加されていてもよい。複数の光電変換素子３１１の少なくとも１つは、直線状の複数の辺と複数の角部とに囲まれた五角形状又は六角形状等の多角形形状を有する。多角形形状の光電変換素子３１１は、全ての辺に、他の光電変換素子３１１の直線状の辺が隣接していてもよい。図１の例では、全ての光電変換素子３１１が六角形又は五角形の受光面を有し、隣接する一対の光電変換素子３１１に注目したときに、互いの１つの辺と２つの角部とが小さな間隙を挟んで隣接している。また、中央の光電変換素子３１１とその周囲の複数の光電変換素子３１１とに注目したときに、中央の光電変換素子３１１の全ての辺と角部に、隣接する光電変換素子３１１の直線状の辺と角部とがそれぞれ小さな間隙を挟んで隣接している。隣接する辺同士は接触していてもよい。隣接する角部同士は接触していてもよい。
　次に、受電装置３１０の作用を説明する。図３Ａに示すように、外部から供給された給電光１１２は広がりを持ち、複数の光電変換素子３１１の受光面Ｓ３１１へ入力される。このとき、複数の光電変換素子３１１が凹面状に配列されていることで、光電変換素子３１１の配置によらず、給電光１１２はほぼ等距離伝搬されて複数の光電変換素子３１１の各受光面Ｓ３１１に入力される。さらに、給電光１１２は、複数の光電変換素子３１１の各受光面Ｓ３１１にほぼ垂直に入力される。ここで、仮に、複数の受光面Ｓ３１１に単位面積の矩形領域Ｒ１～Ｒ５が設定されたものとして説明する。図３Ｂに示すように、各光電変換素子３１１へ向かう給電光１１２の各光軸方向に見た矩形領域Ｒ１～Ｒ５の面積は、中央の光電変換素子３１１から端の光電変換素子３１１にかけて、ほぼ同一の面積となる。したがって、任意の２つの光電変換素子３１１に入力される給電光１１２の強度（光量密度）を比較したとき、給電光１１２の単位面積当たりの強度に大きな差が生じない。
　図４Ａは、比較例の受電装置の給電光の受光例を示す図である。図４Ｂは、比較例の受電装置において給電光の光軸方向に見たときの各光電変換素子の受光面積を示す説明図である。図４Ａの比較例は、複数の光電変換素子３１１を平面状に配列した例である。図４Ａの比較例では、図４Ｂに示すように、各光電変換素子３１１へ入力される給電光１１２の光軸方向に見た矩形領域Ｒ１～Ｒ５の面積が、等しくならない。したがって、中央に近い光電変換素子３１１と端に近い光電変換素子３１１とにそれぞれ入力される給電光１１２の強度を比較したとき、中央に近い方が、端に近い方よりも、給電光１１２の単位面積当たりの強度が高くなる。
　したがって、図４Ａ及び図４Ｂの比較例の配列では、仮に、高強度の給電光１１２が送られて、中央の光電変換素子３１１の出力が飽和に近づいたときでも、端に近い光電変換素子３１１では受光量が大きくならず、光電変換能力に余力が残る。すなわち、光電変換素子３１１の利用効率が低下する。一方、図３Ａ及び図３Ｂに示したように、実施形態１の受電装置３１０では、仮に、高強度の給電光１１２が送られて、中央の光電変換素子３１１の出力が飽和に近づいたとき、端に近い光電変換素子３１１の出力も飽和に近づくことになる。したがって、実施形態１の受電装置３１０によれば、比較例の配列と比較して、光電変換素子３１１の高い利用効率を得ることができる。
　（実施形態２）
　図５は、本開示の実施形態２に係る受電装置を示す図である。実施形態２の受電装置３１０は、複数の光電変換素子３１１と、給電光１１２を広げる拡散レンズ３１２とを備える。拡散レンズ３１２は、例えば平凹レンズ、両凹レンズなど、平行光を広げる作用を及ぼすレンズであればよい。拡散レンズ３１２は、シリンドリカルレンズなどの一軸方向に光を広げるレンズであってもよいし、球面レンズなどの二軸方向に光を広げるレンズであってもよい。
　図５では、受電装置３１０が複数の光ファイバー３６１から出力される給電光１１２を受光する例を示している。複数の光ファイバー３６１は、円筒状の枠内に均等に配置されるように束ねられてもよいし、横長の枠内に配置されるように束ねられてもよい。図５に、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの各方向を示す。複数の光ファイバー３６１が、Ｙ方向に短く、Ｘ方向に長い枠内に配置されるように束ねられる場合、拡散レンズ３１２は、Ｘ－Ｚ方向の断面が凹状で、Ｙ－Ｚ方向の断面が直線状のシリンドリカルレンズが適用されてもよい。なお、実施形態２の受電装置３１０においても、図３と同様に、１つの光ファイバー２５０Ａから出力される給電光１１２を受光する構成としてもよい。
　実施形態２の複数の光電変換素子３１１は、各受光面Ｓ３１１の垂線が拡散レンズ３１２と重なるように配列される。複数の光電変換素子３１１の配列形態の他の要素は、実施形態１と同様である。
　図５の構成においては、外部から供給された給電光１１２は、拡散レンズ３１２で広がり、複数の光電変換素子３１１の受光面Ｓ３１１へ入力される。このとき、複数の光電変換素子３１１が凹面状に配列されていることで、光電変換素子３１１の配置によらずに、給電光１１２はほぼ等距離伝搬されて複数の光電変換素子３１１の各受光面Ｓ３１１に入力される。さらに、給電光１１２は、各受光面Ｓ３１１にほぼ垂直に入力される。したがって、実施形態１と同様に、任意の２つの光電変換素子３１１に入力される給電光１１２の強度（光量密度）を比較したとき、給電光１１２の単位面積当たりの強度に大きな差が生じず、光電変換素子３１１の高い利用効率が得られる。
　（光ファイバー給電システムの実施形態１）
　図６は、実施形態１の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態１の光ファイバー給電（PoF: Power over Fiber）システム１Ａは、光ファイバー２５０Ａを介して給電光１１２を伝送する光伝送システムである。光ファイバー給電システム１Ａは、給電装置（PSE: Power Sourcing Equipment）１１０と、光ファイバーケーブル２００Ａと、受電装置３１０とを備える。なお、本開示における給電装置は電力を光エネルギーに変換して供給する装置であり、受電装置は光エネルギーの供給を受け当該光エネルギーを電力に変換する装置である。
　給電装置１１０は、給電用半導体レーザー１１１を含む。給電装置１１０は電源に接続され、給電用半導体レーザー１１１等が電気駆動される。給電用半導体レーザー１１１は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光１１２を出力する。
　光ファイバーケーブル２００Ａは、給電光の伝送路を形成する光ファイバー２５０Ａを含む。光ファイバーケーブル２００Ａは、一端２０１Ａが給電装置１１０に接続可能とされ、他端２０２Ａが受電装置３１０に接続可能とされ、給電光１１２を伝送する。給電装置１１０からの給電光１１２が、光ファイバーケーブル２００Ａの一端２０１Ａに入力され、給電光１１２は光ファイバー２５０Ａ中を伝搬し、他端２０２Ａから受電装置３１０に出力される。
　受電装置３１０は、図１～図３、図５に示した実施形態１又は実施形態２の構成を有する。受電装置３１０は、給電光１１２の入力口が光ファイバー２５０Ａの他端（出力端）２０２Ａに対向するように配置されてもよい。入力口とは、図１～図３の構成においては、複数の光電変換素子３１１の受光面Ｓ３１１が対向する部位に相当し、図５の構成においては、拡散レンズ３１２の入力面が対向する部位に相当する。光電変換素子３１１は、光ファイバーケーブル２００Ａを通して伝送されてきた給電光１１２を電力に変換する。光電変換素子３１１により変換された電力が、受電装置３１０内で必要な駆動電力とされる。受電装置３１０は、光電変換素子３１１により変換された電力を外部機器用に出力可能に構成されてもよい。
　給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１の光－電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料は、５００ｎｍ以下の短波長のレーザー波長をもった半導体とされる。短波長のレーザー波長をもった半導体は、バンドギャップが大きく光電変換効率が高いので、光給電の発電側及び受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。そのためには、同半導体材料として、例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、レーザー波長（基本波）が２００～５００ｎｍのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。また、同半導体材料として、２．４ｅＶ以上のバンドギャップを有した半導体が適用される。例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、ＧａＮ等、バンドギャップ２．４～６．２ｅＶのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。なお、レーザー光は長波長ほど伝送効率が良く、短波長ほど光電変換効率が良い傾向にある。したがって、長距離伝送の場合には、レーザー波長（基本波）が５００ｎｍより大きいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。また、光電変換効率を優先する場合には、レーザー波長（基本波）が２００ｎｍより小さいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。これらの半導体材料は、給電用半導体レーザー１１１及び光電変換素子３１１のいずれか一方に適用してもよい。給電側又は受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
　（光ファイバー給電システムの実施形態２）
　図７は、実施形態２の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態２の光ファイバー給電システム１Ｂは、光ファイバー２６０、２７０を介して信号光１２５、３２５の伝送と、給電光１１２の伝送とを行う光伝送システムである。信号光１２５、３２５の伝送は一本の光ファイバー２６０を介した両方向伝送であってもよい。光ファイバー給電システム１Ｂは、給電装置１１０を含む第１のデータ通信装置１００と、光ファイバーケーブル２００と、受電装置３１０を含む第２のデータ通信装置３００とを備える。
　第１のデータ通信装置１００は、データ端末装置（DTE: Data Terminal Equipment）、中継器（Repeater）等に相当する。また、第１のデータ通信装置１００は、通信ネットワークにおけるノードである。または、第１のデータ通信装置１００は、他のノードと通信するノードでもよい。
　第１のデータ通信装置１００は、給電装置１１０のほか、データ通信を行う発信部１２０と、受信部１３０とを含む。給電装置１１０は、図６に示したものと同様の構成を有すする。発信部１２０は、信号用半導体レーザー１２１と、モジュレーター１２２とを含む。モジュレーター１２２は、信号用半導体レーザー１２１からのレーザー光１２３を送信データ１２４に基づき変調して信号光１２５として出力する。受信部１３０は、信号用フォトダイオード１３１を含む。信号用フォトダイオード１３１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた信号光３２５を電気信号に復調し出力する。当該電気信号によるデータがノードに送信され、その一方で当該ノードからのデータが送信データ１２４とされる。第１のデータ通信装置１００は電源に接続され、給電用半導体レーザー１１１、信号用半導体レーザー１２１、モジュレーター１２２、信号用フォトダイオード１３１等が電気駆動される。
　光ファイバーケーブル２００は、信号光１２５、３２５を伝送する光ファイバー２６０と、給電光１１２を伝送する光ファイバー２７０とを含む。光ファイバー２６０は、シングルモード光ファイバーであってもよい。光ファイバー２７０はマルチモード光ファイバーであってもよい。
　第２のデータ通信装置３００は、パワーエンドステーション（Power End Station）等に相当する。また、第２のデータ通信装置３００は、通信ネットワークにおけるノードである。または、第２のデータ通信装置３００は、他のノードと通信するノードでもよい。
　第２のデータ通信装置３００は、受電装置３１０のほか、発信部３２０と、受信部３３０と、データ処理ユニット３４０とを含む。受電装置３１０は、図６に示したものと同様の構成を有する。受電装置３１０は、給電光１１２の入力口を光ファイバー２７０の出力端に対向するように配置されてもよい。発信部３２０は、信号用半導体レーザー３２１と、モジュレーター３２２とを含む。モジュレーター３２２は、信号用半導体レーザー３２１からのレーザー光３２３を送信データ３２４に基づき変調して信号光３２５として出力する。受信部３３０は、信号用フォトダイオード３３１を含む。信号用フォトダイオード３３１は、光ファイバーケーブル２００を通して伝送されてきた信号光１２５を電気信号に復調し、データ処理ユニット３４０に出力する。データ処理ユニット３４０は、当該電気信号によるデータをノードに送信し、その一方で当該ノードからデータを受信し、送信データ３２４としてモジュレーター３２２に出力する。データ処理ユニット３４０は、受信した信号を処理するユニットである。
　受電装置３１０の光電変換素子３１１により変換された電力は、発信部３２０、受信部３３０及びデータ処理ユニット３４０の駆動電力、その他の第２のデータ通信装置３００内で必要となる駆動電力とされる。さらに、第２のデータ通信装置３００は、光電変換素子３１１により変換された電力を外部機器用に出力可能とされていてもよい。
　上記のように構成された光ファイバー給電システム１Ｂにおいては、第１のデータ通信装置１００から出力された給電光１１２及び信号光１２５が、光ファイバーケーブル２００Ｂの光ファイバー２６０、２７０を伝搬し、第２のデータ通信装置３００に送られる。第２のデータ通信装置３００から出力された信号光３２５は、光ファイバーケーブル２００Ｂの光ファイバー２６０を伝搬し、第１のデータ通信装置１００へ送られる。
　（光ファイバー給電システムの実施形態３）
　図８は、実施形態３の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態３の光ファイバー給電システム１は、一部が異なるほかは、実施形態２の光ファイバー給電システム１Ｂと同様である。以下、実施形態２の光ファイバー給電システム１Ｂと異なる構成要素について詳細に説明する。
　光ファイバー給電システム１は、信号光１２５、３２５と給電光１１２とが伝搬する光ファイバー２５０を含んだ光ファイバーケーブル２００を備える。光ファイバー２５０は、信号光１２５、３２５の伝送路を形成するコア２１０と、コア２１０の周囲に配置され、給電光１１２の伝送路を形成するクラッド（第１クラッドに相当）２２０と、クラッド２２０の周囲に配置される外クラッド２２５（第２クラッドに相当）とを有する。
　第２のデータ通信装置３００は、光ファイバー２５０の他端２０２から出力される給電光１１２と信号光１２５とを分波する分波器３６０を更に備える。分波器３６０は、クラッド２２０から出力される給電光１１２を、複数の分波用の光ファイバー３６１（図５を参照）に取り込み、複数の光ファイバー３６１を介して受電装置３１０へ送る構成としてもよい。この場合、受電装置３１０は、給電光１１２の入力口が複数の光ファイバー３６１の出力端に対向するように配置されてもよい。
　実施形態３の光ファイバー給電システム１Ｂにおいては、第１のデータ通信装置１００から出力された給電光１１２が、光ファイバー２５０のクラッド２２０を介して伝搬し、第２のデータ通信装置３００へ送られる。第２のデータ通信装置３００では、入力された給電光１１２が、分波器３６０で信号光１２５と分波され、受電装置３１０へ送られる。
　（光ファイバー給電システムの実施形態４）
　図９は、実施形態４の光ファイバー給電システムを示す図である。実施形態４の光ファイバー給電システム１Ｃは、一部が異なるほかは、実施形態３の光ファイバー給電システム１と同様である。以下、実施形態３の光ファイバー給電システム１と異なる構成要素について詳細に説明する。
　第２のデータ通信装置３００の受電装置３１０は、給電光１１２の入力口が光ファイバー２５０の他端（出力端）２０２に対向するように配置されている。光ファイバー２５０のコア２１０を伝搬する信号光１２５、３２５は、光ファイバー２５０の他端（出力端）２０２と、受電装置３１０の複数の光電変換素子３１１との間で、分波又は合波され、受信部３３０へ又は発信部３２０から送られるようにしてもよい。あるいは、受電装置３１０の複数の光電変換素子３１１（図１及び図２を参照）のうち、中央に信号光１２５、３２５を透過させる経路を設け、この経路を介して信号光１２５、３２５が受信部３３０へ又は発信部３２０から送られるようにしてもよい。
　実施形態４の光ファイバー給電システム１Ｃにおいては、第１のデータ通信装置１００から出力された給電光１１２が、光ファイバー２５０のクラッド２２０を介して伝搬し、第２のデータ通信装置３００へ送られる。第２のデータ通信装置３００では、光ファイバー２５０のクラッド２２０から出力された給電光１１２が、直接に受電装置３１０へ送られる。
　以上のように、実施形態１又は実施形態２の受電装置３１０によれば、給電光１１２を受けて電力を生成することができる一方、複数の受光面Ｓ３１１が凹面状に並ぶように配列されている。したがって、複数の光電変換素子３１１へ送られる給電光１１２の単位面積当たりの強度の均一化を図ることができ、複数の光電変換素子３１１の利用効率を向上することができる。
　さらに、実施形態１又は実施形態２の受電装置３１０によれば、複数の光電変換素子３１１には、多角形状の受光面Ｓ３１１を有する素子が含まれ、多角形状の各辺が他の光電変換素子３１１の受光面Ｓ３１１の辺と隣接している。したがって、凹面状に並べられる複数の受光面Ｓ３１１の間の隙間を低減することが容易となる。これにより、光電変換素子３１１を外れる給電光１１２の割合を低減し、高効率な受電を実現できる。
　さらに、実施形態２の受電装置３１０によれば、給電光１１２を広げる拡散レンズ３１２を備え、複数の光電変換素子３１１の垂線が拡散レンズ３１２と重なるように配置されている。したがって、高強度の給電光１１２が送られた場合でも、拡散レンズ３１２により給電光１１２を広げることで、単位面積当たりの給電光１１２の強度を低減させて複数の光電変換素子３１１で受けることができる。したがって、給電光１１２によって送ることのできる最大エネルギーの増大化を図ることができる。さらに、拡散レンズ３１２によって給電光１１２が広がっても、複数の受光面Ｓ３１１の垂線が拡散レンズ３１２に重なるように配列されているので、各光電変換素子３１１へ送られる給電光１１２の単位面積当たりの強度の均一化を図ることができる。したがって、複数の光電変換素子３１１の利用効率が向上される。
　さらに、上述した実施形態１～実施形態４の光ファイバー給電システム１、１Ａ～１Ｃによれば、上記の効果を奏する受電装置３１０を備えることで、複数の光電変換素子３１１の高い利用効率が得られる。したがって、コストの高騰を抑制しつつ、大出力の光給電を行うことが可能となる。
　以上、本開示の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、光ファイバー給電システムは、複数の光ファイバーケーブルを有する構成としてもよい。また、実施形態では、受電装置を光ファイバー給電システムに適用した例を示したが、光ファイバーを使用しない光給電一般に本開示の受電装置を適用してもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　本開示は、受電装置及び光伝送システムに利用できる。
１　光ファイバー給電システム（光伝送システム）
１００　第１のデータ通信装置
１１０　給電装置
１１１　給電用半導体レーザー
１１２　給電光
１２０　発信部
１２５　信号光
１３０　受信部
２００、２００Ａ、２００Ｂ　光ファイバーケーブル
２１０　コア
２２０　クラッド（第１クラッド）
２２５　外クラッド（第２クラッド）
２７０、２５０、２５０Ａ　光ファイバー
３００　第２のデータ通信装置
３１０　受電装置
３１１　光電変換素子
Ｓ３１１　受光面
３１２　拡散レンズ
３１３　電力線
３１６　保持部
３２０　発信部
３２５　信号光
３３０　受信部
３３１　信号用フォトダイオード
３６０　分波器
３６１　分波用の複数の光ファイバー

Claims (6)

  1. 　給電光を受ける複数の光電変換素子を備え、
    　前記複数の光電変換素子の複数の受光面が凹面状に並ぶように前記複数の光電変換素子が配列されている、
    　受電装置。
  2. 　前記給電光を広げる拡散レンズを更に備え、
    　前記複数の光電変換素子の各受光面の垂線が前記拡散レンズと交差する、
    　請求項１記載の受電装置。
  3. 　前記複数の光電変換素子には多角形状の受光面を有する素子が含まれ、
    　前記多角形状の各辺が、他の前記光電変換素子の受光面の辺と隣接している、
    　請求項１又は請求項２記載の受電装置。
  4. 　光ファイバーを介して給電光を伝送する光伝送システムであって、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の受電装置を備え、
    　前記受電装置が前記給電光を受ける光伝送システム。
  5. 　前記光ファイバーは、信号光が伝搬するコアと、前記コアの周囲に配置され前記給電光を伝搬する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲の第２クラッドとを有し、
    　前記光ファイバーの出力端から前記受電装置の受光面へ前記給電光が送られる請求項４記載の光伝送システム。
  6. 　前記光ファイバーは、信号光が伝搬するコアと、前記コアの周囲に配置され前記給電光を伝搬する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲の第２クラッドとを有し、
    　前記光ファイバーから分波された前記給電光が通される複数の分波用光ファイバーを更に備え、
    　前記複数の分波用光ファイバーの出力端から前記受電装置の受光面へ前記給電光が送られる請求項４記載の光伝送システム。
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