WO2023281564A1 - 光給電装置及び光給電方法 - Google Patents

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宏明 桂井
智暁 吉田
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Definitions

  • the present invention relates to an optical power supply device and an optical power supply method.
  • optical power supply that converts light passing through an optical fiber into electricity with a photodiode and supplies power.
  • optical power feeding there is a method of using, for example, a double-clad fiber in order to maximize the optical power feeding capacity per fiber (see Non-Patent Document 1).
  • Non-Patent Document 1 uses a plurality of transmitters, receivers, and optical feeding circuits, which makes the system complicated and expensive.
  • the present invention provides an optical power supply device that can be realized at a lower cost.
  • One aspect of the present invention includes a photodiode array having the same number of photodiodes as the number of cores that a multicore fiber has, the light receiving surface of each of the photodiodes facing a corresponding core of the multicore fiber, and the at least The two photodiodes are optical feeders connected in series with the feed target.
  • the present invention provides an optical power supply device that can be realized at a lower cost.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical power supply system 1;
  • FIG. It is an example of a multi-core fiber 12 according to the first embodiment.
  • 4 is a flowchart showing the operation of the optical power supply system 1;
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical power supply system 1.
  • the optical power supply system 1 includes a power supply optical transmitter 11 , a multicore fiber 12 and an optical power supply device 13 .
  • the feeding light transmitting unit 11 transmits feeding light to the optical feeding device 13 through the multi-core fiber 12 .
  • the multicore fiber 12 is a fiber having multiple cores 120 .
  • the optical power supply device 13 converts the power supply light transmitted from the power supply light transmitter 11 through the multi-core fiber 12 into electrical energy.
  • the electrical energy converted by the optical power supply device 13 is supplied to a power supply target via, for example, a DC/DC converter.
  • the power supply device is, for example, a charging/discharging circuit.
  • the optical power supply device 13 has a photodiode array 14 , and the photodiode array 14 has a plurality of photodiodes 140 .
  • the number of photodiodes 140 included in the photodiode array 14 is the same as the number of cores 120 included in the multicore fiber 12 .
  • Each light receiving surface of the photodiode 140 is arranged to face the corresponding core 120 of the multicore fiber 12 .
  • the number of cores 120 and the number of photodiodes 140 are N ⁇ M (N is an integer of 2 or more and M is an integer of 1 or more), and N photodiodes 140 are arranged in series. M series circuits are connected, and the M series circuits are connected in parallel to the power supply object.
  • the multicore fiber 12 shown in FIG. 2 has four cores 120-1-4.
  • the photodiode array 14 shown in FIGS. 3A and 3B has four photodiodes 140-1-4.
  • the four photodiodes 140-1-4 correspond to the four cores 120-1-4 of the multi-core fiber 12, respectively. For example, light transmitted through core 120-1 is converted into electrical energy by photodiode 140-1.
  • photodiode array 14 shown in FIG. 3A four photodiodes 140-1 to 4 are connected in series.
  • two photodiodes 140-1 and 140-2 are connected in series and two photodiodes 140-3 and 140-4 are connected in series to form two series circuits.
  • the two series circuits are connected in parallel with each other with respect to the power supply object.
  • the multicore fiber 12 shown in FIG. 4 has six cores 120-1-6.
  • the photodiode array 14 shown in FIG. 5 has six photodiodes 140-1 to 140-6.
  • the six photodiodes 140-1-6 correspond to the six cores 120-1-6 of the multicore fiber 12, respectively.
  • three photodiodes 140-1 to 3 are connected in series and three photodiodes 140-4 to 6 are connected in series to form two series circuits.
  • the two series circuits are connected in parallel with each other with respect to the power supply object.
  • the centers of the plurality of cores 120 and the plurality of photodiodes 140 may be arranged at the vertices of regular polygons.
  • the centers of the four cores 120-1 to 4 and the photodiodes 140-1 to 4 are vertices of regular squares, respectively.
  • the centers of the six cores 120-1 to 6 and the photodiodes 140-1 to 6 are arranged at the vertices of a regular hexagon.
  • the photodiode array 14 since the photodiode array 14 includes a plurality of photodiodes 140 and the photodiodes 140 are connected in series, one transmitter and one receiver can be used for optical feeding. As a result, an optical power supply device can be realized at low cost. Further, the centers of the multiple cores 120 and the multiple photodiodes 140 are arranged at the vertices of the regular polygon. As a result, the core 120 and the photodiode 140 are arranged point-symmetrically, thereby facilitating alignment while reducing the distance between the photodiodes 140 and reducing the loss due to the resistance between the photodiodes.
  • the core 120 and the photodiode 140 in the second embodiment constitute M series circuits connected in series with each N in the same manner as in the first embodiment. connected in parallel with each other. At this time, each of the N ⁇ M photodiodes 140 is arranged at the vertices of a regular polygon.
  • the number of cores 120 and photodiodes 140 in the second embodiment is N ⁇ M (N is an integer of 3 or more, and M is an integer of 3 or more) and arranged as follows. First, the centers of 120N cores and 140N photodiodes are arranged to be different vertices of a regular N-polygon. Secondly, it is arranged so that the center of the regular N-gon becomes the vertex of the regular M-gon.
  • FIG. 6 is an example of the multicore fiber 12 according to the second embodiment.
  • the centers of the three cores 120-1 to 120-3 are arranged so as to form vertices of an equilateral triangle, and the cores 120-4 to 120-6 and cores 120-7 to 120-9 are arranged similarly.
  • an equilateral triangle whose apex is the center of the cores 120-1 to 3 is an equilateral triangle T1
  • an equilateral triangle whose apex is the center of the cores 120-4 to 6 is an equilateral triangle T2
  • the centers of the cores 120-7 to 9 are an equilateral triangle T1.
  • An equilateral triangle having a vertex is assumed to be an equilateral triangle T3. Further, the core 120 is arranged such that the center of the equilateral triangle T1, the center of the equilateral triangle T2, and the center of the equilateral triangle T3 are the vertices of the equilateral triangle.
  • FIG. 7 is an example of the photodiode array 14 according to the second embodiment.
  • the photodiodes 140 in the photodiode array 14 shown in FIG. 7 are arranged similarly to the core 120 shown in FIG.
  • Photodiodes 140-1 to 140-3 are connected in series, and photodiodes 140-4 to 140-6 and photodiodes 140-7 to 9 are also connected in series. Also, three series circuits connected in series are connected in parallel.
  • a lens or lens array is provided between the multi-core fiber 12 and the photodiode array 14 to determine the core diameter of the core 120, the aperture size of the photodiode 140, or the position irradiated by the light transmitted through the core 120. may be adjusted. Further, at this time, the position where the core 120 is arranged in the multi-core fiber 12 and the position where the photodiode 140 is arranged in the photodiode array 14 are in a similar relationship. It is conceivable that the light is conditioned by a lens or array of lenses.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the optical power supply system 1.
  • the feeding light transmitter 11 transmits feeding light (step S1).
  • the optical power supply device 13 converts the power supply light transmitted from the power supply light transmitter 11 through the multi-core fiber 12 into electrical energy (step S2).
  • 1 optical feeding system 11 feeding optical transmitter, 12 multi-core fiber, 120 cores, 13 optical feeding device, 14 photodiode array, 140 photodiode

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Abstract

光給電装置は、マルチコアファイバが有するコアの数と同じ数のフォトダイオードを有するフォトダイオードアレイを備え、前記フォトダイオードのそれぞれの受光面は、前記マルチコアファイバの対応するコアに向き、前記少なくとも２つのフォトダイオードは、給電対象に対して直列に接続される。

Description

光給電装置及び光給電方法
　本発明は、光給電装置及び光給電方法に関する。
　光ファイバを通る光をフォトダイオードにより電気に変換し給電を行う光給電という技術がある。光給電において、ファイバ１本あたりの光給電能力を最大化するために例えばダブルクラッドファイバを用いる手法がある（非特許文献１参照）。
150-W Power-Over-Fiber Using Double-Clad Fibers,　M. Matsuura, Journal of Lightwave Technology (Volume: 38, Issue: 2, Jan.15, 15 2020)
　しかしながら、非特許文献１に記載の発明において送信器、受信器及び光給電回路が複数使用されており、システムが複雑、高コスト化する。
　本発明はより低コストに実現できる光給電装置を提供する。
　本発明の一態様は、マルチコアファイバが有するコアの数と同じ数のフォトダイオードを有するフォトダイオードアレイを備え、前記フォトダイオードのそれぞれの受光面は、前記マルチコアファイバの対応するコアに向き、前記少なくとも２つのフォトダイオードは、給電対象に対して直列に接続される、光給電装置である。
　本発明はより低コストに実現できる光給電装置を提供する。
光給電システム１の構成を示す図である。 第１の実施形態に係るマルチコアファイバ１２の一例である。 第１の実施形態に係るフォトダイオードアレイ１４の一例である。 第１の実施形態に係るフォトダイオードアレイ１４の一例である。 第１の実施形態に係るマルチコアファイバ１２の別の一例である。 第１の実施形態に係るフォトダイオードアレイ１４の別の一例である。 第２の実施形態に係るマルチコアファイバ１２の一例である。 第２の実施形態に係るフォトダイオードアレイ１４の一例である。 光給電システム１の動作を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
　図１は、光給電システム１の構成を示す図である。光給電システム１は、給電光送信部１１、マルチコアファイバ１２及び光給電装置１３を備える。
　給電光送信部１１は、マルチコアファイバ１２を通して給電光を光給電装置１３に送信する。マルチコアファイバ１２は、コア１２０を複数有するファイバである。
　光給電装置１３は、給電光送信部１１からマルチコアファイバ１２を通り送信される給電光を電気エネルギーに変換する。光給電装置１３により変換された電気エネルギーは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを介して給電対象に供給される。給電装置は例えば充放電回路である。光給電装置１３は、フォトダイオードアレイ１４を有し、当該フォトダイオードアレイ１４は、複数のフォトダイオード１４０を有する。当該フォトダイオードアレイ１４が有するフォトダイオード１４０の数は、マルチコアファイバ１２が有するコア１２０の数と同じである。フォトダイオード１４０のそれぞれの受光面は、マルチコアファイバ１２の対応するコア１２０に向くように配置される。
　第１の実施形態において、コア１２０の数及びフォトダイオード１４０の数は、Ｎ×Ｍ（Ｎは２以上の整数、Ｍは１以上の整数）であり、フォトダイオード１４０は、Ｎ個ずつ直列に接続されたＭ個の直列回路を構成し、Ｍ個の直列回路が給電対象に対して互いに並列に接続される。
　図２は第１の実施形態においてＮ×Ｍ＝４である場合のマルチコアファイバ１２の一例である。図２に示すマルチコアファイバ１２は、４つのコア１２０－１～４を有する。
　図３Ａは第１の実施形態においてＮ＝４、Ｍ＝１である場合のフォトダイオードアレイ１４の一例である。図３Ｂは第１の実施形態においてＮ＝Ｍ＝２である場合のフォトダイオードアレイ１４の一例である。図３Ａ及び図３Ｂに示すフォトダイオードアレイ１４は、４つのフォトダイオード１４０－１～４を有する。４つのフォトダイオード１４０－１～４は、それぞれマルチコアファイバ１２の４つのコア１２０－１～４に対応する。例えばコア１２０－１を介して送信される光はフォトダイオード１４０－１により電気エネルギーに変換される。
　図３Ａに示すフォトダイオードアレイ１４において、４つのフォトダイオード１４０－１～４が直列に接続される。図３Ｂに示すフォトダイオードアレイ１４においては、２つのフォトダイオード１４０－１～２が直列に接続され、２つのフォトダイオード１４０－３～４が直列に接続され、２つの直列回路が構成される。２つの直列回路は給電対象に対して互いに並列に接続される。
　図４は第１の実施形態においてＮ×Ｍ＝６である場合のマルチコアファイバ１２の一例である。図４に示すマルチコアファイバ１２は、６つのコア１２０－１～６を有する。図５は第１の実施形態においてＮ＝３、Ｍ＝２である場合のフォトダイオードアレイ１４の一例である。
　図５に示すフォトダイオードアレイ１４は、６つのフォトダイオード１４０－１～６を有する。６つのフォトダイオード１４０－１～６は、それぞれマルチコアファイバ１２の６つのコア１２０－１～６に対応する。図５に示すフォトダイオードアレイ１４において、３つのフォトダイオード１４０－１～３が直列に接続され、３つのフォトダイオード１４０－４～６が直列に接続され、２つの直列回路が構成される。２つの直列回路は給電対象に対して互いに並列に接続される。
　複数のコア１２０及び複数のフォトダイオード１４０の中心は、それぞれ正多角形の頂点になるように配置されてもよい。例えば図２に示すマルチコアファイバ１２及び図３Ａ及び図３Ｂに示すフォトダイオードアレイ１４においては、４つのコア１２０－１～４及びフォトダイオード１４０－１～４の中心は、それぞれ正四角形の頂点になるように配置されてもよい。例えば図５に示すマルチコアファイバ１２及び図６に示すフォトダイオードアレイ１４においては、６つのコア１２０－１～６及びフォトダイオード１４０－１～６の中心は、それぞれ正六角形の頂点になるように配置されてもよい。
　第１の実施形態において、フォトダイオードアレイ１４が複数のフォトダイオード１４０を備え、フォトダイオード１４０が直列に接続されるため、光給電用の送信器及び受信器を１つにすることができる。これにより、低コストで光給電装置を実現することができる。さらに、複数のコア１２０及び複数のフォトダイオード１４０の中心がそれぞれ正多角形の頂点になるように配置される。これにより、フォトダイオード１４０間の距離を小さくしフォトダイオード間の抵抗による損失を少なくしつつ、コア１２０及びフォトダイオード１４０が点対称で配置されることから位置合わせを容易にすることができる。
＜第２の実施形態＞
　第２の実施形態におけるコア１２０及びフォトダイオード１４０は、第１の実施形態と同様にＮ個ずつ直列に接続されたＭ個の直列回路を構成し、Ｍ個の直列回路が給電対象に対して互いに並列に接続される。このとき、各Ｎ×Ｍ個のフォトダイオード１４０は、正多角形の頂点になるように配置される。これに対し、第２の実施形態におけるコア１２０及びフォトダイオード１４０の数はＮ×Ｍ（Ｎは３以上の整数、Ｍは３以上の整数）であり、次のように配置される。第１にコア１２０Ｎ個及びフォトダイオード１４０Ｎ個の中心がそれぞれ正Ｎ角形の異なる頂点になるように配置される。第２に当該正Ｎ角形の中心が正Ｍ角形の頂点になるように配置される。
　図６は、第２の実施形態に係るマルチコアファイバ１２の一例である。図６に示すマルチコアファイバ１２は、Ｎ＝３、Ｍ＝３の場合のマルチコアファイバ１２である。３個のコア１２０－１～３の中心は、正三角形の頂点になるように配置され、コア１２０－４～６及びコア１２０－７～９も同様に配置される。ここで、コア１２０－１～３の中心を頂点とする正三角形を正三角形Ｔ１、コア１２０－４～６の中心を頂点とする正三角形を正三角形Ｔ２、コア１２０－７～９の中心を頂点とする正三角形を正三角形Ｔ３とする。また、コア１２０は、正三角形Ｔ１の中心、正三角形Ｔ２の中心及び正三角形Ｔ３の中心が正三角形の頂点になるように配置される。
　図７は、第２の実施形態に係るフォトダイオードアレイ１４の一例である。図７に示すフォトダイオードアレイ１４におけるフォトダイオード１４０は、図６に示すコア１２０と同様に配置される。フォトダイオード１４０－１～３が直列に接続され、フォトダイオード１４０－４～６及びフォトダイオード１４０－７～９も同様に直列に接続される。また、直列に接続された３つの直列回路が並列に接続される。
〈変形例〉
　マルチコアファイバ１２とフォトダイオードアレイ１４との間にレンズ又はレンズアレイが設けられ、コア１２０のコア径、フォトダイオード１４０の開口の大きさ、又はコア１２０を介して送信される光が照射する位置を調整してもよい。また、このときマルチコアファイバ１２においてコア１２０が配置される位置と、フォトダイオードアレイ１４においてフォトダイオード１４０が配置される位置とが相似関係であり、マルチコアファイバ１２とフォトダイオードアレイ１４との間に設けられたレンズ又はレンズアレイにより光が調整されることが考えられる。
〈まとめ〉
　図８は、光給電システム１の動作を示すフローチャートである。給電光送信部１１は給電光を送信する（ステップＳ１）。光給電装置１３は、給電光送信部１１からマルチコアファイバ１２を通り送信される給電光を電気エネルギーに変換する（ステップＳ２）。
　以上、この発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
１　光給電システム、１１　給電光送信部、１２　マルチコアファイバ、１２０　コア、１３　光給電装置、１４　フォトダイオードアレイ、１４０　フォトダイオード

Claims (5)

  1. 　マルチコアファイバが有するコアの数と同じ数のフォトダイオードを有するフォトダイオードアレイを備え、
    　前記フォトダイオードのそれぞれの受光面は、前記マルチコアファイバの対応するコアに向き、
    　前記少なくとも２つのフォトダイオードは、給電対象に対して直列に接続される、
    　光給電装置。
  2. 　前記コアの数及び前記フォトダイオードの数は、Ｎ×Ｍ（Ｎは２以上の整数、Ｍは１以上の整数）であり、
    　前記フォトダイオードは、Ｎ個ずつ直列に接続されたＭ個の直列回路を構成し、前記Ｍ個の直列回路が給電対象に対して互いに並列に接続される、
    　請求項１に記載の光給電装置。
  3. 　前記コア及び前記フォトダイオードの中心が、それぞれ正多角形の異なる頂点になるように配置される、
    　請求項１又は２に記載の光給電装置。
  4. 　前記コアＮ（Ｎは３以上の整数）個及び前記フォトダイオードＮ個の中心がそれぞれ正Ｎ角形の異なる頂点になるように配置され、Ｍ（Ｍは３以上の整数）個の前記正Ｎ角形の中心が正Ｍ角形の頂点になるように配置される、
    　請求項２に記載の光給電装置。
  5. 　マルチコアファイバとフォトダイオードアレイとを使用し、前記マルチコアファイバを通る光を前記フォトダイオードアレイにより電気エネルギーに変換する光給電方法であって、
    　前記マルチコアファイバが有する複数のコアの数と前記フォトダイオードアレイが有する複数のフォトダイオードの数は同じであり、前記少なくとも２つのフォトダイオードは直列に接続される、
    　光給電方法。
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