WO2021186831A1 - 光ファイバー給電システムの給電装置及び光ファイバー給電システム - Google Patents

光ファイバー給電システムの給電装置及び光ファイバー給電システム Download PDF

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知丈 杉目
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京セラ株式会社
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    • 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
    • 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

Definitions

  • This disclosure relates to optical power supply.
  • 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.
  • the optical fiber (250A) When the optical fiber (250A) is used as the power feeding medium and the light (112) output from the laser (111) is used as the power supply source (see FIGS. 11 and 12), the light reaches the arrival time due to mode dispersion. There is a difference (see FIG. 12). Therefore, the light intensity distribution at the output end (202A) of the optical fiber varies, and the photoelectric conversion efficiency at the photoelectric conversion element (311) decreases.
  • the power feeding device of the optical fiber feeding system includes a first laser that oscillates with electric power and outputs feeding light, a second laser that oscillates with electric power and outputs feeding light, and the first laser.
  • a first feeding light output by a laser and an optical input unit for inputting a second feeding light output by the second laser into one transmission line of an optical fiber are provided, and the first feeding light on the output end surface of the transmission line is provided.
  • the light intensity distribution of the above is different from the light intensity distribution of the second feeding light on the output end face of the transmission line, and the first feeding light and the second feeding light are simultaneously input to the transmission line to output the output.
  • the non-uniformity of the light intensity distribution on the end face is alleviated.
  • the non-uniformity of the light intensity distribution on the power feeding light output end face of the optical fiber is alleviated, and the photoelectric conversion efficiency in the photoelectric conversion element is improved.
  • 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 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 a core 210 forming a signal light transmission path, a clad 220 arranged on the outer periphery of the core 210 and forming a feeding light transmission path, and an optical fiber 250 having the core 210.
  • 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 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 obtained by the electric 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. ..
  • 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 configured by a plurality of cables.
  • the first semiconductor laser 111a and the second semiconductor laser 111b are connected to one transmission line 2501.
  • An optical fiber power feeding system 1C is implemented in which the power feeding light is input at the same time.
  • the transmission line 2501 is the core and is surrounded by the clad 2502. It may be implemented in the optical power supply system in the optical fiber power supply systems 1 and 1B.
  • the transmission line can be implemented as the clad 220 in the case of FIG.
  • the power feeding device 110A shown in FIG. 5 has a first semiconductor laser 111a as a first laser that oscillates with a power and outputs a feeding light, and a second laser as a second laser that oscillates with a laser and outputs a feeding light. It is equipped with a semiconductor laser 111b. Further, the power feeding device 110 includes a combiner 140A as an optical input / output unit. The combiner 140A inputs the first feeding light 112a output by the first semiconductor laser 111a and the second feeding light 112b output by the second semiconductor laser 111b into the same transmission line 2501 of the optical fiber 250A.
  • the incident angle of the first feeding light 112a with respect to the input end surface P0 of the transmission line 2501 is ⁇ 1
  • the incident angle of the second feeding light 112b with respect to the input end surface P0 of the transmission line 2501 is ⁇ 2.
  • the feeding light 112c, 112d, 112e is distributed to the three photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c via the demultiplexer 350A, respectively.
  • the first feeding light 112a and the second feeding light 112b are locally concentrated, respectively, and the non-uniformity of the light intensity distribution is high.
  • the non-uniformity of the first feeding light 112a and the second feeding light 112b is alleviated by mode dispersion when traveling along the transmission line 2501. Compared with the case of using only the first feeding light 112a or the case of using only the second feeding light 112b, since there are many modes in which the light propagates, the mode dispersion becomes more intense.
  • the non-uniformity of the light intensity distribution is alleviated to some extent.
  • the cross section P1 is used as the output end face of the transmission line 2501
  • the light intensity distributions of the feeding lights 112c, 112d, 112e input to the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c also vary. Therefore, the photoelectric conversion efficiency of each of the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c is lowered.
  • the energies of the feeding light 112c, the feeding light 112d, and the feeding light 112e are different, and the powers to be converted and output by the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c are different from each other. Therefore, the efficiency is reduced as a whole.
  • the non-uniformity of the light intensity distribution is further alleviated.
  • the cross section P2 is used as the output end face of the transmission line 2501
  • the light intensity distributions of the feeding lights 112c, 112d, 112e input to the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c also become more uniform. Therefore, the photoelectric conversion efficiency in each of the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c is improved.
  • the difference in energy between the feeding light 112c, the feeding light 112d, and the feeding light 112e is alleviated, and the difference in power converted and output by each of the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c becomes small. Therefore, the efficiency is improved as a whole.
  • the light intensity distribution in the short-distance cross section P1 is considered, and if only the second feeding light 112b is input, the light intensity distribution in the short-distance cross section P1 is considered.
  • the former light intensity distribution and the latter light intensity distribution are different.
  • the low-intensity region in one light intensity distribution is supplemented by the high-intensity region in the other light intensity distribution.
  • the distributions may be rotationally symmetric with respect to each other. Therefore, when the first feeding light 112a and the second feeding light 112b are input to the transmission line 2501 at the same time, either the case where only the first feeding light 112a is input or the case where only the second feeding light 112b is input is used. However, the non-uniformity of the light intensity distribution in the short-distance cross section P1 is alleviated, that is, the uniformity is increased.
  • the light intensity distribution in the long-distance cross section P2 is considered, and if only the second feeding light 112b is input, the light intensity distribution in the long-distance cross section P2 is considered.
  • the former light intensity distribution and the latter light intensity distribution are different.
  • the low-intensity region in one light intensity distribution is supplemented by the high-intensity region in the other light intensity distribution.
  • the distributions may be rotationally symmetric with respect to each other. Therefore, when the first feeding light 112a and the second feeding light 112b are input to the transmission line 2501 at the same time, either the case where only the first feeding light 112a is input or the case where only the second feeding light 112b is input is used. However, the non-uniformity of the light intensity distribution in the long-distance cross section P2 is alleviated, that is, the uniformity is increased.
  • the optical fiber feeding system 1C shown in FIGS. 5 and 6 simultaneously inputs the first feeding light 112a and the second feeding light 112b to the transmission line 2501 to obtain the light intensity distribution on the output end face.
  • Non-uniformity is alleviated.
  • the non-uniformity of the light intensity distribution on the output end face of the optical fiber 250A is alleviated, and the photoelectric conversion efficiency in the photoelectric conversion elements 311a, 311b, 311c is improved.
  • the optical fiber power supply system 1D shown in FIGS. 8 and 9 has the same configuration as the system 1C except that ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2. In the figure, ⁇ 1 ⁇ 2. Also in this case, as shown in the upper part of FIG. 10, in the input end surface P0, the first feeding light 112a and the second feeding light 112b are locally concentrated, respectively, and the non-uniformity of the light intensity distribution is high. The non-uniformity of the first feeding light 112a and the second feeding light 112b is alleviated by mode dispersion when traveling along the transmission line 2501.
  • the mode dispersion becomes more intense.
  • the mode dispersion becomes even more intense.
  • the phase of the first feeding light 112a on the input end face P0 is ⁇ 1 (t)
  • the phase of the second feeding light 112b on the input end face P0 is ⁇ 2 (t).
  • ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 is set, but the same effect can be obtained by setting ⁇ 1 (t) ⁇ ⁇ 2 (t) instead of setting ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2.
  • ⁇ 1 (t) ⁇ ⁇ 2 (t) the first feed light 112a and the second feed light 112b are the same type of laser light source and have the same wavelength
  • the photoelectric conversion element 311 (311a, 311b, 311c) has the same wavelength.
  • the configuration is such that the conversion wavelength corresponds. According to this configuration, it is sufficient to use only one type of laser light source and photoelectric conversion element, so that it can be efficiently configured.
  • the photoelectric conversion elements 311a, 311b, and 311c the wavelengths of the fed light received are the same but the phases are different. Since it is only, the conversion efficiency does not change. Further, by setting ⁇ 1 ⁇ ⁇ 2 and ⁇ 1 (t) ⁇ ⁇ 2 (t), the same or higher effect can be obtained.
  • a GI mode optical fiber is used in order to minimize the influence of fluctuations in arrival time due to mode dispersion, but in the case of optical power transmission, GI is not intended for signal extraction. Transmission via fiber that is not in mode is also possible.
  • the incident angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are set so that total reflection is within the critical angle.
  • the photoelectric conversion element provided in the power receiving device 310A may be implemented as one. Even if one photoelectric conversion element is provided in the power receiving device 310A, the light intensity distribution on the light receiving surface of the photoelectric conversion element is made uniform, so that the same effect can be obtained. Further, the power feeding device 110A may be configured to input power feeding light from three or more lasers to the same transmission line. In that case, it is preferable to provide at least one laser having a different incident angle. Furthermore, it is preferable that the angles of incidence are all different.
  • the present invention can be used for optical power supply.
  • 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 100 First data communication device 110 Power supply device 111 Semiconductor laser for power supply 111a First semiconductor laser 111b Second semiconductor laser 112 Power supply light 120 Transmission Part 125 Signal light 130 Receiving part 140 Optical input / output part 141
  • Optical connector 200A Optical fiber cable 200
  • Optical fiber cable 200B Optical fiber cable 210 Core 220 Clad 250A Optical fiber 250 Optical fiber 260 Optical fiber 270 Optical fiber 300
  • Second data communication device 310 Power receiving device 311 Photoelectric conversion element 320 Transmitter 325 Signal light 330 Receiver 350 Optical input / output 351 Optical connector

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Abstract

光ファイバー給電システム１Ｃ，１Ｄの給電装置１１０Ａは、電力によりレーザー発振して給電光１１２ａを出力する第１レーザー１１１ａと、電力によりレーザー発振して給電光１１２ｂを出力する第２レーザー１１１ｂと、第１レーザーが出力する第１給電光及び第２レーザーが出力する第２給電光を光ファイバー２５０Ａの一の伝送路２５０１に入力する光入力部１４０Ａとを備える。伝送路の出力端面における第１給電光の光強度分布と、伝送路の出力端面における第２給電光の光強度分布とが異なり、第１給電光及び第２給電光を同時に伝送路に入力することで、出力端面における光強度分布の不均一性が緩和されている。さらに入射角α１，α２が互いに異なることで、出力端面における光強度分布の不均一性が緩和される。

Description

光ファイバー給電システムの給電装置及び光ファイバー給電システム
　本開示は、光給電に関する。
　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
　光ファイバー（２５０Ａ）を給電媒体として使用し、レーザー（１１１）より出力された光（１１２）を、電力供給源として使用する場合（図１１，図１２参照）において、光はモード分散により到達時間の差が発生する（図１２参照）。
　そのため、光ファイバーの出力端（２０２Ａ）における光強度分布がばらつき、光電変換素子（３１１）における光電変換効率が低下する。
　本開示の１つの態様の光ファイバー給電システムの給電装置は、電力によりレーザー発振して給電光を出力する第１レーザーと、電力によりレーザー発振して給電光を出力する第２レーザーと、前記第１レーザーが出力する第１給電光及び前記第２レーザーが出力する第２給電光を光ファイバーの一の伝送路に入力する光入力部と、を備え、前記伝送路の出力端面における前記第１給電光の光強度分布と、前記伝送路の出力端面における前記第２給電光の光強度分布とが異なり、前記第１給電光及び前記第２給電光を同時に前記伝送路に入力することで、前記出力端面における光強度分布の不均一性が緩和されている。
　本開示の１つの態様の光ファイバー給電システムの給電装置によれば、光ファイバーの給電光出力端面における光強度分布の不均一性が緩和され、光電変換素子における光電変換効率が向上する。
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。 ２つのレーザーを給電光源とする光ファイバー給電システムの構成図である。 図５の場合の給電光の光路を示す図である。 図６の伝送路の各断面を示す断面である。 ２つのレーザーを給電光源とする光ファイバー給電システムの構成図である。 図８の場合の給電光の光路を示す図である。 図９の伝送路の各断面を示す断面である。 １つのレーザーを給電光源とする光ファイバー給電システムの構成図である。 図１１の場合の給電光の光路と、各断面の到達時間の分散の様子を示す図である。
　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）光強度分布の不均一性の緩和について
　以上の光ファイバー給電システム１Ａに対して、図５及び図６に示すように第１半導体レーザー１１１ａ及び第２半導体レーザー１１１ｂから一の伝送路２５０１に給電光を同時に入力するようにした光ファイバー給電システム１Ｃを実施する。ここでは、伝送路２５０１はコアであり、クラッド２５０２に囲まれている。なお、光ファイバー給電システム１，１Ｂにおける光給電システムに実施してもよい。伝送路を図２の場合のクラッド２２０としても同様に実施することができる。
　図５に示す給電装置１１０Ａは、電力によりレーザー発振して給電光を出力する第１レーザーとしての第１半導体レーザー１１１ａと、電力によりレーザー発振して給電光を出力する第２レーザーとしての第２半導体レーザー１１１ｂとを備える。
　さらに給電装置１１０は、光入出力部としての合波器１４０Ａを備える。
　合波器１４０Ａは、第１半導体レーザー１１１ａが出力する第１給電光１１２ａ及び第２半導体レーザー１１１ｂが出力する第２給電光１１２ｂを光ファイバー２５０Ａの同一の伝送路２５０１に入力する。
　ここで、伝送路２５０１の入力端面Ｐ０に対する第１給電光１１２ａの入射角をα１とし、伝送路２５０１の入力端面Ｐ０に対する第２給電光１１２ｂの入射角をα２とする。図５及び図６に示す光ファイバー給電システム１Ｃは、α１＝α２の場合である。
　例えば受電装置３１０Ａにおいて、分波器３５０Ａを介して３つの光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃにそれぞれ給電光１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅを分配する。
　図７の上段に示すように入力端面Ｐ０においては、第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂは、それぞれ局所的に集中しており、光強度分布の不均一性は高い。
　第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂは、伝送路２５０１を進むとモード分散により不均一性が緩和する。第１給電光１１２ａのみの場合又は第２給電光１１２ｂのみの場合に比較して、光の伝搬するモードは多いから、モード分散は激しくなる。
　図７の中段に示すように短距離の断面Ｐ１においても、光強度分布の不均一性の緩和がある程度までは進む。仮に断面Ｐ１を伝送路２５０１の出力端面とした場合、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃに入力される給電光１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅの光強度分布もそれぞればらつく。そのため、各光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃにおける光電変換効率が低下する。また、給電光１１２ｃと給電光１１２ｄと給電光１１２ｅとでエネルギーが異なり、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃのそれぞれで変換出力する電力が互いに異なる。したがって、全体としても効率が低下する。
　図７の下段に示すように遠距離の断面Ｐ２においては、さらに光強度分布の不均一性の緩和が進む。仮に断面Ｐ２を伝送路２５０１の出力端面とした場合、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃに入力される給電光１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅの光強度分布もそれぞれ均一性が高まる。そのため、各光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃにおける光電変換効率が向上する。また、給電光１１２ｃと給電光１１２ｄと給電光１１２ｅとでエネルギーの差も緩和され、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃのそれぞれで変換出力する電力の差が小さくなる。したがって、全体としても効率が向上する。
　仮に、第１給電光１１２ａのみを入力した場合、短距離の断面Ｐ１における光強度分布と、第２給電光１１２ｂのみを入力した場合、短距離の断面Ｐ１における光強度分布を考える。
　前者の光強度分布と、後者の光強度分布とは異なる。一方の光強度分布における低強度領域を、他方の光強度分布の高強度領域で補う関係になる。互いに回転対称的に近似した分布であってもよい。
　したがって、第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂを同時に伝送路２５０１に入力する場合は、第１給電光１１２ａのみを入力した場合及び第２給電光１１２ｂのみを入力した場合のいずれに対しても、短距離の断面Ｐ１における光強度分布の不均一性が緩和される、すなわち、均一性が高くなる。
　仮に、第１給電光１１２ａのみを入力した場合、遠距離の断面Ｐ２における光強度分布と、第２給電光１１２ｂのみを入力した場合、遠距離の断面Ｐ２における光強度分布を考える。
　前者の光強度分布と、後者の光強度分布とは異なる。一方の光強度分布における低強度領域を、他方の光強度分布の高強度領域で補う関係になる。互いに回転対称的に近似した分布であってもよい。
　したがって、第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂを同時に伝送路２５０１に入力する場合は、第１給電光１１２ａのみを入力した場合及び第２給電光１１２ｂのみを入力した場合のいずれに対しても、遠距離の断面Ｐ２における光強度分布の不均一性が緩和される、すなわち、均一性が高くなる。
　したがって、伝送距離によらず図５及び図６に示した光ファイバー給電システム１Ｃによって、第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂを同時に伝送路２５０１に入力することで、出力端面における光強度分布の不均一性が緩和される。
　かかるシステム１Ｃにより、光ファイバー２５０Ａの出力端面における光強度分布の不均一性が緩和され、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃにおける光電変換効率が向上する。
　図８及び図９に示す光ファイバー給電システム１Ｄは、α１≠α２とした場合であり、その他はシステム１Ｃと同様の構成である。図では、α１＜α２となっている。
　この場合も図１０の上段に示すように入力端面Ｐ０においては、第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂは、それぞれ局所的に集中しており、光強度分布の不均一性は高い。
　第１給電光１１２ａ及び第２給電光１１２ｂは、伝送路２５０１を進むとモード分散により不均一性が緩和する。第１給電光１１２ａのみの場合又は第２給電光１１２ｂのみの場合に比較して、光の伝搬するモードは多いから、モード分散は激しくなる。α１≠α２としたことにより、さらにモード分散は激しくなる。
　図１０の下段に示すように短距離の断面Ｐ１においても、光強度分布の不均一性の緩和が進む。α１≠α２としたことによりモード分散は激しくなっているから、図７のα１＝α２のときの断面Ｐ１に比較して光強度分布の均一性が高い。そのため、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃに入力される給電光１１２ｃ，１１２ｄ，１１２ｅの光強度分布も均一性が上がっており、各光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃにおける光電変換効率が向上する。また、給電光１１２ｃと給電光１１２ｄと給電光１１２ｅとでエネルギーの差が小さくなっており、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃのそれぞれで変換出力する電力の値が近づくから、全体としても効率が向上する。
　したがって、α１≠α２とした光ファイバー給電システム１Ｄによれば、α１＝α２とした光ファイバー給電システム１Ｃに比較して、光電変換素子における光電変換効率がさらに向上する。
　ここで、入力端面Ｐ０における第１給電光１１２ａの位相をβ１（ｔ）とし、入力端面Ｐ０における第２給電光１１２ｂの位相をβ２（ｔ）とする。
　図８及び図９に示す光ファイバー給電システム１Ｄにあっては、α１≠α２としたが、α１≠α２とすることに代え、β１（ｔ）≠β２（ｔ）とすることでも、同様の効果を得ることができる。
　β１（ｔ）≠β２（ｔ）とするに際して、第１給電光１１２ａと第２給電光１１２ｂとは同種レーザー光源で同波長であり、当該波長に光電変換素子３１１（３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃ）の変換波長が対応する構成とする。かかる構成によれば、レーザー光源及び光電変換素子として１種を使用すればよいから効率的に構成でき、光電変換素子３１１ａ，３１１ｂ，３１１ｃにおいては、受光する給電光の波長は同じで位相が異なるだけなので、変換効率は変わらない。
　さらに、α１≠α２とするとともに、β１（ｔ）≠β２（ｔ）とすることで、同等以上の効果を得ることができる。
　なお、光による信号通信の場合は、モード分散による到達時間の揺らぎの影響を極力抑えるため、ＧＩモード光ファイバーを用いるが、光給電伝送の場合は、信号抽出を目的とはしていないため、ＧＩモードではないファイバーにての伝送も可能である。いずれにしても入射角α１、α２は、全反射可能は臨界角以内として実施する。
　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。
　受電装置３１０Ａに設ける光電変換素子を一つとして実施してもよい。受電装置３１０Ａに設ける光電変換素子を一つとしても、光電変換素子の受光面における光強度分布の均一化は進むから、同様の効果が得られる。
　また、給電装置１１０Ａにおいて、３以上のレーザーから同一の伝送路に給電光を入力する構成を実施してもよい。その場合、入射角が異なるレーザーを少なくとも一つ設けることがよい。さらに、入射角がすべて異なるようにすることがよい。
　本発明は、光給電に利用することができる。
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
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
１１１ａ      第１半導体レーザー
１１１ｂ      第２半導体レーザー
１１２ 給電光
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
２６０ 光ファイバー
２７０ 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
３２０ 発信部
３２５ 信号光
３３０ 受信部
３５０ 光入出力部
３５１ 光コネクタ

Claims (6)

  1. 　電力によりレーザー発振して給電光を出力する第１レーザーと、
    　電力によりレーザー発振して給電光を出力する第２レーザーと、
    　前記第１レーザーが出力する第１給電光及び前記第２レーザーが出力する第２給電光を光ファイバーの一の伝送路に入力する光入出力部と、を備え、
    　前記伝送路の出力端面における前記第１給電光の光強度分布と、前記伝送路の出力端面における前記第２給電光の光強度分布とが異なり、
    　前記第１給電光及び前記第２給電光を同時に前記伝送路に入力することで、前記出力端面における光強度分布の不均一性が緩和された光ファイバー給電システムの給電装置。
  2. 　さらに前記伝送路の入力端面に対する前記第１給電光の入射角と、前記伝送路の入力端面に対する前記第２給電光の入射角とが異なることで、前記出力端面における光強度分布の不均一性が緩和された請求項１に記載の光ファイバー給電システムの給電装置。
  3. 　さらに前記伝送路の入力端面における前記第１給電光の位相と、前記伝送路の入力端面における前記第２給電光の位相とが異なることで、前記出力端面における光強度分布の不均一性が緩和された請求項１又は請求項２に記載の光ファイバー給電システムの給電装置。
  4. 　前記第１レーザー及び前記第２レーザーが半導体レーザーとされ、
    　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から請求項３のうちいずれか一に記載の光ファイバー給電システムの給電装置。
  5. 　請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の給電装置と、前記第１給電光及び前記第２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、一端が前記給電装置に接続可能とされ他端が前記受電装置に接続可能とされ前記第１給電光及び前記第２給電光を伝送する光ファイバーケーブルとを備えた光ファイバー給電システム。
  6. 　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５に記載の光ファイバー給電システム。
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