WO2021079703A1 - 光給電システム - Google Patents

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WO2021079703A1
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power supply
light
feeding
clock signal
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Inventor
巣山　武彦
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京セラ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/806—Arrangements for feeding power
    • H04B10/807—Optical power feeding, i.e. transmitting power using an optical signal
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/30—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using light, e.g. lasers

Definitions

  • This disclosure relates to an optical power supply 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 feeding 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.
  • optical power supply further improvement in optical power supply efficiency is required. As one of the purposes, it is required to improve the photoelectric conversion efficiency on the power feeding side and the power receiving side. Further, when data is transmitted together with power transmission, it is necessary to transmit signal light separately from the feed light.
  • the optical power supply system of one aspect of the present disclosure is A power supply device that includes a semiconductor laser that oscillates with electric power and outputs power supply light in pulses.
  • a power receiving device including a photoelectric conversion element that converts the feed light into electric power is provided.
  • the power feeding device has a clock signal generation unit that converts the pulse output of the feeding light into a clock signal.
  • the power receiving device has a clock signal extraction unit that extracts a clock signal from the feeding light.
  • the optical fiber power supply (PoF: Power over Fiber) system 1A as the optical power supply system 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 is provided.
  • 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 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 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 power 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 as the optical power supply system of the present embodiment includes an optical power supply system via an optical fiber and an optical communication system, and includes a power supply device (PSE). It includes a first data communication device 100 including: Power Sourcing Equipment) 110, an optical fiber cable 200, and a second data communication device 300 including a power receiving device (PD) 310.
  • PSE Power over Fiber
  • 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 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 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 obtained 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 exerts 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 exerts 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. ..
  • optical fiber cable 200B of the optical fiber power supply system 1B as the optical power supply system shown in FIG. 4, the optical fiber 260 for transmitting signal light and the optical fiber 270 for transmitting the power supply 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 of a configuration example (1) in which a configuration in which a power feeding semiconductor laser 111 outputs a pulse is added to the above-mentioned optical fiber power feeding system 1A.
  • the same reference numerals will be given to the configurations already described, and unless otherwise specified, the same configurations as those already described will be used.
  • a control for switching between ON (lighting state) and OFF (lighting state) of the excitation source of the power feeding semiconductor laser 111 for example, a control for switching between ON (lighting state) and OFF (lighting state) of the excitation source of the power feeding semiconductor laser 111.
  • the device 150 is provided.
  • the control device 150 continuously alternately repeats ON and OFF at a fixed cycle, and performs PWM (Pulse Width Modulation) control for adjusting the output by increasing or decreasing the ratio (duty ratio) of the ON period.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the width of the ON period of the pulse output is medium, and the power required on the power receiving device 310 side is larger.
  • the width of the ON period of the pulse output is made larger than that in the case of FIG. 6A.
  • control device 150 performs a process of converting the pulse output of the feeding light 112 into a clock signal. That is, in order to achieve clock synchronization between the power feeding device 110 and the power receiving device 310, the control device 150 maintains a predetermined cycle (clock cycle) and outputs the feeding light 112 in a pulsed manner. Control the laser 111. The cycle for clock synchronization by the control device 150 can be changed. As a result, the control device 150 functions as a clock signal generation unit that converts the pulse output of the feeding light 112 into a clock signal.
  • the control device 150 may be composed of a microcomputer, or may be composed of a sequencer using an analog circuit or a digital circuit.
  • the output of the feeding light 112 can be arbitrarily adjusted by adjusting the duty ratio in the PWM control. It is possible to supply power with a target output while transmitting a clock signal to the power receiving device 310 side.
  • the photoelectric conversion element 311 of the power receiving device 310 receives the pulsed power feeding light 112 and outputs electric power in a pulsed manner. Then, as shown in FIG. 5, the photoelectric conversion element 311 is provided with a power smoothing device 361 that smoothes the power output in a pulsed manner.
  • the power smoothing device 361 includes a smoothing circuit, smoothes the power that periodically turns on and off, converts it into smoothing power that periodically repeats a gradual increase and decrease, and serves as a power supply destination. Input to a load (not shown) such as an external device.
  • the power smoothing device 361 may have a smoothing circuit capable of outputting substantially constant power that does not increase or decrease.
  • the power receiving device 310 includes a clock signal extraction unit 362 that extracts a clock signal from the pulsed power output by the photoelectric conversion element 311.
  • the clock signal extraction unit 362 generates and outputs a clock signal equal to the cycle in which ON and OFF are repeated from the pulsed power output by the photoelectric conversion element 311.
  • the clock signal extraction unit 362 outputs the generated clock signal to the control device 363.
  • the control device 363 of the power receiving device 310 is clock-synchronized with the control device 150 of the power feeding device 110, and the control device 150 and the control device 363 are synchronized with each other to perform predetermined control defined for each. Or execute the process.
  • the semiconductor laser 111 since the semiconductor laser 111 outputs the feeding light in pulses, it is possible to easily control the power supply amount while maintaining the laser wavelength constant. ..
  • the power supply amount can be increased or decreased proportionally, and the power supply amount can be controlled more appropriately.
  • the amount of power supply can be increased or decreased, it is possible to appropriately deal with the case where the amount of power supply based on the power supply light output from the power supply device 110 becomes excessive and suppress the excessive power supply. Become.
  • a clock signal is generated by the pulse of the feeding light 112 and the power is received from the feeding device 110. It is possible to send a clock signal to the device 310. Therefore, it is possible to synchronize the clocks between the devices as the power supply amount is optimized by the pulse output of the feeding light 112. Further, a clock signal can be easily transmitted between the power feeding device 110 and the power receiving device 310, and clock synchronization between the power feeding device 110 and the power receiving device 310 can be achieved without providing an independent signal transmission path. is there.
  • the power supply device 110 is mounted on one of the devices that require high-precision clock synchronization, such as clock synchronization between information processing devices and clock synchronization of a base station for wireless communication, and the power receiving device 310 is mounted on the other.
  • clock synchronization between information processing devices and clock synchronization of a base station for wireless communication
  • the power receiving device 310 is mounted on the other.
  • the configuration example (1) even if the devices do not have a clock signal communication means, it is possible to realize clock synchronization by transmitting the clock signal through the optical fiber cable 200A that supplies power. .. For example, it is also effective for applications such as controlling the blinking cycle of lighting in order to perform appropriate imaging between the frame rate of an in-vehicle camera and an in-vehicle lighting device such as an LED. Further, according to the configuration example (1), even if the devices have clock signal communication means, the clocks are clocked on the power feeding device 110 side and the power receiving device 310 side before the system startup is completed. It is possible to synchronize.
  • the application described here is only an example, and the configuration example (1) can be applied to any application in which clock synchronization between the power feeding device 110 and the power receiving device 310 is required.
  • the power smoothing device 361 that smoothes the power converted by the power receiving device 310 is provided on the power receiving device 310 side, it is possible to perform stable power supply with little fluctuation.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a configuration example (2) in which a configuration in which a power feeding semiconductor laser 111 outputs a pulse is added to the above-mentioned optical fiber power feeding system 1.
  • the same control device 150 as in the configuration example (1) is provided on the first data communication device 100 side having the power feeding device 110, and the feeding light 112 is pulse-output at a predetermined cycle. The process of converting the pulse output of the feeding light 112 into a clock signal is performed.
  • the same power smoothing device 361, clock signal extraction unit 362, and control device 363 as in the configuration example (1) are provided.
  • the power smoothing device 361 supplies the smoothing power to each configuration of the second data communication device 300.
  • the clock signal extraction unit 362 outputs the generated clock signal to the data processing unit 340 including the control device 363 and the arithmetic unit.
  • the optical fiber feeding system 1 of the configuration example (2) has the same effect as the optical fiber feeding system 1A of the configuration example (1). Further, since the optical fiber power supply system 1 of the configuration example (2) can perform communication by the signal light 125,325 between the first data communication device 100 and the second data communication device 300. The clock signal can also be transmitted by the signal light 125. However, in the configuration example (2), by transmitting the clock signal by the feeding light 112, it is possible to suppress the congestion of data communication in the signal light 125 and to increase the communication amount. Further, before the first data communication device 100 and the second data communication device 300 complete the system startup, it is possible to quickly synchronize the clocks from the start of transmission / reception of the feeding light 112. Further, the optical fiber power supply system 1 of the configuration example 2 can also be applied to all applications that require clock synchronization between devices.
  • configuration example 2 shows an example in which a power feeding semiconductor laser outputs a pulse to the optical fiber power feeding system 1, but a configuration in which the power feeding semiconductor laser outputs a pulse and a configuration in which a clock signal is transmitted / received are configured. It can also be applied to the optical fiber power supply system 1B.
  • the optical power supply system according to the present invention has industrial applicability for an optical power supply system that supplies power by changing the laser wavelength.
  • Optical fiber power supply system 100 First data communication device 110 Power supply device 111 Power supply semiconductor laser 112 Power supply light 150 Control device (clock signal generator) 200, 200A, 200B Optical fiber cable 300 Second data communication device 310 Power receiving device 311 Photoelectric conversion element 340 Data processing unit 361 Power smoothing device 362 Clock signal extraction unit 363 Control device

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Abstract

光給電効率の向上を図るために、電力によりレーザー発振して給電光１１２をパルス出力する半導体レーザー１１１を含む給電装置１１０と、給電光１１２を電力に変換する光電変換素子３１１を含む受電装置３１０とを備え、給電装置１１０は、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部１５０を有し、受電装置３１０は、給電光１１２からクロック信号を取り出すクロック信号抽出部３６２を有する。　これにより、電力供給量をより適正に制御し、別途、クロック信号を送信する必要がなく、光給電効率の向上が図られる。

Description

光給電システム
　本開示は、光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
　光給電においては、より一層の光給電効率の向上が求められている。そのための一つとして、給電側及び受電側における光電変換効率の向上が求められている。
　また、電力伝送と併せてデータ送信する場合に、給電光とは別に信号光を伝送する必要があった。
　本開示の１つの態様の光給電システムは、
　電力によりレーザー発振して給電光をパルス出力する半導体レーザーを含む給電装置と、
　前記給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置とを備え、
　前記給電装置は、前記給電光のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部を有し、
　前記受電装置は、前記給電光からクロック信号を取り出すクロック信号抽出部を有する。
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。 光ファイバー給電システムに給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成を付加した構成例(1)の構成図である。 ＰＷＭ制御で出力される給電光の強度変化を示す線図であって、給電量が中程度の場合を示す。 ＰＷＭ制御で出力される給電光の強度変化を示す線図であって、給電量がより大きな場合を示す。 光ファイバー給電システムに給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成を付加した構成例(2)の構成図である。
　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給電システムとして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給電システムとしての光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber）システム１は、光ファイバーを介した光給電システムと光通信システムとを含むものであり、給電装置（PSE:Power Sourcing Equipment）１１０を含む第１のデータ通信装置１００と、光ファイバーケーブル２００と、受電装置（PD:Powered Device）３１０を含む第２のデータ通信装置３００とを備える。
　なお、以下の説明では、原則として、既に説明された構成については同一の符号を付して、特に言及がない場合には既に説明された構成と同一の構成とする。
　給電装置１１０は、給電用半導体レーザー１１１を含む。第１のデータ通信装置１００は、給電装置１１０のほか、データ通信を行う発信部１２０と、受信部１３０とを含む。第１のデータ通信装置１００は、データ端末装置(DTE(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とを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に示す光給電システムとしての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のように、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）給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成について
［給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(1)］
　次に、給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(1)について図５を参照して説明する。図５は前述した光ファイバー給電システム１Ａに給電用半導体レーザー１１１がパルス出力を行う構成を付加した構成例(1)の構成図である。
　なお、以下の説明では、原則として、既に説明された構成については同一の符号を付して、特に言及がない場合には既に説明された構成と同一の構成とする。
　構成例(1)では、給電装置１１０の給電用半導体レーザー１１１がパルス出力を行うために、例えば、給電用半導体レーザー１１１の励起源のＯＮ（点灯状態）とＯＦＦ（消灯状態）とを切り替える制御装置１５０が設けられている。
　この制御装置１５０は、一定周期で連続的にＯＮとＯＦＦと交互に繰り返すと共に、ＯＮ期間の比率（デューティー比）を増減させて出力を調節するＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御を実施する。例えば、受電装置３１０側で要求される電力が中程度の場合には、図６Ａに示すように、パルス出力のＯＮ期間の幅を中程度とし、受電装置３１０側で要求される電力がより大きい場合には、図６Ｂに示すように、パルス出力のＯＮ期間の幅を図６Ａの場合よりも大きくする。
　また、上記制御装置１５０は、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化する処理を行う。即ち、制御装置１５０は、給電装置１１０と受電装置３１０との間でクロック同期を図るために、予め定められた周期（クロック周期）を維持して給電光１１２をパルス出力するように給電用半導体レーザー１１１を制御する。なお、制御装置１５０によるクロック同期を図るための周期は、変更することが可能である。
　これにより、制御装置１５０は、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部として機能する。
　なお、制御装置１５０は、マイクロコンピュータから構成されてもよいし、アナログ回路又はデジタル回路を利用したシーケンサから構成されてもよい。
　このように、クロック同期を図るために予め定められた周期で給電光１１２をパルス出力する場合でも、給電光１１２の出力は、ＰＷＭ制御におけるデューティー比を調整することにより任意に調整可能であるため、受電装置３１０側にクロック信号を送信しつつも目標とする出力で給電を行うことが可能である。
　一方、受電装置３１０の光電変換素子３１１は、パルス出力された給電光１１２を受光してパルス的に電力を出力する。
　そして、図５に示すように、光電変換素子３１１には、パルス的に出力される電力を平滑化する電力平滑化デバイス３６１が併設されている。この電力平滑化デバイス３６１は、平滑化回路を含み、周期的にＯＮとＯＦＦを繰り返す電力を平滑化し、周期的に緩やかな増加と減少を繰り返す平滑化電力に変換して、電力供給先となる外部機器等の図示しない負荷に入力する。なお、電力平滑化デバイス３６１は、増減しないほぼ一定の電力を出力可能な平滑化回路を有する構成としてもよい。
　また、受電装置３１０は、光電変換素子３１１が出力するパルス的な電力からクロック信号を抽出するクロック信号抽出部３６２を備えている。このクロック信号抽出部３６２は、光電変換素子３１１が出力するパルス的な電力からＯＮとＯＦＦとが繰り返される周期に等しいクロック信号を生成し、出力する。
　クロック信号抽出部３６２は、生成したクロック信号を制御装置３６３に出力する。
　これにより、受電装置３１０の制御装置３６３は、給電装置１１０の制御装置１５０とクロック同期が図られ、制御装置１５０と制御装置３６３とが同期的に連携を行って各々に定められた所定の制御又は処理を実行する。
　このように、構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａは、半導体レーザー１１１が給電光をパルス出力するので、レーザー波長を一定に維持したまま電力供給量の制御を容易に行うことが可能となる。例えば、半導体レーザー１１１の給電光のパルス出力のデューティー比を変更することで比例的に電力供給量を増減させることができ、電力供給量をより適正に制御することが可能となる。
　また、電力供給量を増減させることができるため、給電装置１１０から出力される給電光に基づく電力供給量が過剰となる場合に、適正に対応し、過剰な電力供給を抑制することが可能となる。
　そして、構成例(1)では、給電光１１２のパルス出力について、電力供給量の制御という用途に加えて、新たな用途として、給電光１１２のパルスによってクロック信号を生成し、給電装置１１０から受電装置３１０にクロック信号を送ることを可能としている。このため、給電光１１２のパルス出力による電力供給量の適正化に伴い、装置間のクロック同期を図ることが可能である。
　さらに、給電装置１１０と受電装置３１０の間において、簡便にクロック信号を送ることができ、独立した信号送信経路を設けることなく、給電装置１１０と受電装置３１０とのクロック同期を図ることが可能である。
　これにより、例えば、情報処理装置同士のクロック同期、無線通信の基地局のクロック同期等、高い精度でのクロック同期の要求がある装置間の一方に給電装置１１０を搭載し、他方に受電装置３１０を搭載することで、給電を行いつつ良好なクロック同期を実現することが可能となる。
　また、構成例(1)によれば、装置間でクロック信号の通信手段を有していない場合でも、給電を行う光ファイバーケーブル２００Ａを通じてクロック信号を送信してクロック同期を実現することが可能となる。例えば、車載カメラのフレームレートとＬＥＤ等の車載照明装置等の間で適正な撮像を行うために照明の点滅周期を制御する場合等の用途にも有効である。
　さらに、構成例(1)によれば、装置間でクロック信号の通信手段を有する場合であっても、給電装置１１０側と受電装置３１０側とで、システムの立ち上げが完了する前段階でクロック同期を図ることが可能である。
　なお、ここで述べた用途は、一例に過ぎず、給電装置１１０と受電装置３１０との間でクロック同期を図る必要があるあらゆる用途に構成例(1)を適用することが可能である。
　また、受電装置３１０側には、受電装置３１０が変換した電力を平滑化する電力平滑化デバイス３６１が設けられているので、変動の少ない安定的な電力供給を行うことが可能となる。
［給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(2)］
　次に、給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成例(2)について図７を参照して説明する。図７は前述した光ファイバー給電システム１に給電用半導体レーザー１１１がパルス出力を行う構成を付加した構成例(2)の構成図である。
　構成例(2)では、給電装置１１０を有する第１のデータ通信装置１００側には、構成例(1)と同じ制御装置１５０が設けられ、規定の周期で給電光１１２をパルス出力して、給電光１１２のパルス出力をクロック信号化する処理が行われる。
　また、第２のデータ通信装置３００側には、構成例(1)と同じ電力平滑化デバイス３６１、クロック信号抽出部３６２及び制御装置３６３が設けられている。
　電力平滑化デバイス３６１は、平滑化電力を第２のデータ通信装置３００の各構成に供給する。
　クロック信号抽出部３６２は、生成したクロック信号を制御装置３６３や演算装置を備えるデータ処理ユニット３４０にクロック信号を出力する。
　構成例(2)の光ファイバー給電システム１は、構成例(1)の光ファイバー給電システム１Ａと同一の効果を有する。
　また、この構成例(2)の光ファイバー給電システム１は、第１のデータ通信装置１００と第２のデータ通信装置３００との間で信号光１２５，３２５による通信を行うことが可能であるため、クロック信号は信号光１２５によって送信することも可能である。
　しかしながら、構成例(2)は、給電光１１２によってクロック信号を送信することにより、信号光１２５でのデータ通信の渋滞を抑制し、通信量の拡大を図ることが可能となる。
　また、第１のデータ通信装置１００と第２のデータ通信装置３００とがシステムの立ち上げを完了する前に、給電光１１２の送受信の開始時からいち早くクロック同期を図ることが可能となる。
　また、この構成例２の光ファイバー給電システム１も、装置間でクロック同期を図る必要があるあらゆる用途に適用することが可能である。
［その他］
　以上、本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、一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、構成例２では光ファイバー給電システム１に給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成を適用した例を示しているが、給電用半導体レーザーがパルス出力を行う構成やクロック信号の送受信を行う構成を光ファイバー給電システム１Ｂにも適用することが可能である。
　本発明に係る光給電システムは、レーザー波長を変えて給電を行う光給電システムについて産業上の利用可能性がある。
１，１Ａ，１Ｂ　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
１１１　給電用半導体レーザー
１１２　給電光
１５０　制御装置（クロック信号生成部）
２００，２００Ａ，２００Ｂ　光ファイバーケーブル
３００　第２のデータ通信装置
３１０　受電装置
３１１　光電変換素子
３４０　データ処理ユニット
３６１　電力平滑化デバイス
３６２　クロック信号抽出部
３６３　制御装置

Claims (5)

  1. 　電力によりレーザー発振して給電光をパルス出力する半導体レーザーを含む給電装置と、
    　前記給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置とを備え、
    　前記給電装置は、前記給電光のパルス出力をクロック信号化するクロック信号生成部を有し、
    　前記受電装置は、前記給電光からクロック信号を取り出すクロック信号抽出部を有する光給電システム。
  2. 　前記給電装置は、前記半導体レーザーからの給電量を前記給電光のパルス幅によって調節する制御装置を備える請求項１に記載の光給電システム。
  3. 　前記受電装置は、変換した電力を平滑化する平滑化回路を備える請求項１又は２に記載の光給電システム。
  4. 　前記半導体レーザーの光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、レーザー波長５００ｎｍ以下のレーザー媒体とされた請求項１から３のいずれか一項に記載の光給電システム。
  5. 　前記光電変換素子の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が、レーザー波長５００ｎｍ以下のレーザー媒体とされた請求項１から４のいずれか一項に記載の光給電システム。
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