JP6889227B2 - 光給電システムの受電装置及び給電装置並びに光給電システム - Google Patents

Description

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

光給電においては、給電側から送った電力は受電側で全て消費されることが理想である。しかし、負荷は一定ではなく変動するため、負荷の消費電力を超える電力を送ることになる。その場合受電側で電力が余り、効率的でない。

本開示の１つの態様は、電力によりレーザー発振して給電光を出力する半導体レーザーを含む給電装置と、前記給電装置による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た光ファイバー給電システムであって、
受電装置は、給電装置からの給電光を電力に変換する光電変換素子を含み、前記光電変換素子に入力される前記給電装置からの給電光の一部をフィードバック給電光として給電側に出力するフィードバック用分岐光学装置と、前記光電変換素子により変換した電力の負荷への給電量を監視し、当該給電量に応じて前記フィードバック用分岐光学装置によるフィードバック量を制御する制御装置と、を備え、
給電装置は、電力によりレーザー発振して給電光を受電装置へ出力する半導体レーザーを含み、受電装置からのフィードバック給電光を前記半導体レーザーが出力する給電光と会合して出力するフィードバック用会合光学装置と、前記フィードバック用会合光学装置が出力するエネルギー量が一定となるように、前記半導体レーザーの出力を制御する制御装置と、を備える。

本開示の１つの態様の光給電システムによれば、負荷の変動があっても受電側での余剰電力が抑えられた効率的な光給電の運用が可能となる。

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。 フィードバック給電光の機能を備える光ファイバー給電システムの構成図である。 電力需給の時間変化を示すグラフである。

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(Date 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）フィードバック給電光の制御について
次に、フィードバック給電光の制御につき図１から図４に加え図５及び図６を参照して説明する。

図５にフィードバック給電光の機能を備える光ファイバー給電システム１Ａ１の構成を示す。
本光ファイバー給電システム１Ａ１は、上記第１実施形態として説明した光ファイバー給電システム１Ａ（図１によって示される構成）に対して、受電装置３１０及び給電装置１１０内に、さらに以下の構成を有する。
受電装置３１０は、フィードバック用分岐光学装置として調光ミラー３１１Ｆと、制御装置３１２を備える。
調光ミラー３１１Ｆは、光電変換素子３１１に入力される給電装置１１０からの給電光１１２の一部をフィードバック給電光１１２Ｆとして給電側に出力する。調光ミラー３１１Ｆは、電気的に鏡状態と透明状態を切り替えられる電子デバイスである。フィードバック給電光１１２Ｆの光量の調整は、反射率と透過率の比率を可変制御するもののほか、反射する期間と透過する期間とを周期的に実行し、そのデューティー比を可変制御するものであってもよい。調光ミラー３１１Ｆに代え、機械的に反射と透過を切り替える機構を適用して実施してもよい。
制御装置３１２は、光電変換素子３１１により変換した電力（Ｑ）の負荷２０への給電量（Ｑ１）を監視し、当該給電量（Ｑ１）に応じて調光ミラー３１１Ｆによるフィードバック量、すなわち、フィードバック給電光１１２Ｆの光量（Ｐ１）を制御する。

給電装置１１０は、フィードバック用会合光学装置としてコンバイナ１１１Ｆと、制御装置１１４とを備える。コンバイナ１１１Ｆは、給電用半導体レーザー１１１からの給電光１１２Ｇが入射する開口と、フィードバック給電光１１２Ｆが入射する開口と、これらを合流させ給電光１１２が出射する開口とを備えるものである。すなわち、受電装置３１０からのフィードバック給電光１１２Ｆを半導体レーザー１１１が出力する給電光１１２Ｇと会合して出力する。
制御装置１１４は、コンバイナ１１１Ｆが出力するエネルギー量が一定（Ｐ）となるように、半導体レーザー１１１の出力を制御する。そのために半導体レーザー１１１の出力（Ｐ）を検出する。

ここで、給電光１１２の電力相当量をＰ、フィードバック給電光１１２Ｆの電力相当量をＰ１、光電変換素子３１１により変換した電力をＱ、負荷２０への給電量をＱ１とする。給電光１１２の電力相当量Ｐは、一定であり、Ｐ，Ｑ等の時間変化をグラフに示すと図６の通りである。
一方、負荷２０への給電量Ｑ１は、その稼働状況により例えば図６(a)に示すように変動する。
図６(a)は、負荷２０の最大値を１００％として、１１０％の電力Ｑを用意した場合を示す。これにより、負荷２０は最大値以下で変動するので、電力不足になることが無く、システムがダウンすることを防ぐことができる。
しかし、余剰電力Ｒ１が無駄になり、効率的でない。

制御装置３１２は、光電変換素子３１１により変換する電力Ｑが、所定の割合で負荷２０を超える目標値に収束するように、調光ミラー３１１Ｆによるフィードバック量、すなわち、フィードバック給電光１１２Ｆの電力相当量Ｐ１を制御する。
これにより、余剰電力Ｒ１の一部は、電力変換前にフィードバック給電光１１２Ｆとして給電側に送られる。
フィードバック給電光１１２Ｆは、コンバイナ１１１Ｆに入力され、給電光１１２の一部となる。
給電光１１２は、フィードバック給電光１１２Ｆと、半導体レーザー１１１が出力する給電光１１２Ｇとの合算に相当する。

所定の割合は、下限を０％、上限を電力Ｑが負荷２０の最大値を上回る割合とする。本例の場合、電力Ｑが負荷２０の最大値を上回る割合は１０％であるので、０〜１０％の範囲で設定する。例えば、目標値を負荷２０の１０％だけ高い値とする。この場合図６(b)に示すようになる。
負荷２０への給電量Ｑ１が最大値１００％である場合は、フィードバック給電光１１２Ｆ（Ｐ１）はゼロでありフィードバックしない。一方、負荷２０への給電量Ｑ１が最大値より低くなればなるほど、フィードバック給電光１１２Ｆ（Ｐ１）を増やして余剰電力Ｒ２を小さく抑える。
相変わらず給電装置１１０が出力する給電光１１２の電力相当量Ｐは一定であるが、負荷２０で消費しきれない分は、電力変換前にフィードバック給電光１１２Ｆとしてフィードバックされているので、電源１０から賄われる新たな電力は、Ｐ-Ｐ１相当で済み、負荷２０の変動があっても受電側での余剰電力Ｒ２が抑えられた効率的な光給電の運用が可能となる。
なお、以上の説明では、伝送効率等が１００％でないことによる損失を無視する。電力変換前にフィードバックするので、光電変換による損失なくフィードバックすることができ効率的である。

なお、負荷２０は、受電装置３１０内で必要な駆動電力のほか、外部の負荷（外部機器用に出力される電力）である。
図５に示した光ファイバー給電システム１Ａ１としては、上記第１実施形態を基礎として説明したが、上記第２実施形態として説明した光ファイバー給電システム１，１Ｂ（図２−４に示される構成）を基礎にして、同様にフィードバック給電の機能を実現するための構成（１１１Ｆ，３１１Ｆ，３１２）を追加して設けることで、光通信システムとを含む構成で実施してもよい。
この場合、受電装置３１０に備えられる光電変換素子３１１により変換された電力Ｑが、第２のデータ通信装置３００に設けられた発信部３２０及び受信部３３０の駆動電力ともされる。

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。

１Ａ１ 光ファイバー給電システム（光給電システム）
１Ａ 光ファイバー給電システム（光給電システム）
１ 光ファイバー給電システム（光給電システム）
１Ｂ 光ファイバー給電システム（光給電システム）
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
１１１Ｆ コンバイナ（フィードバック用会合光学装置）
１１２ 給電光
１１２Ｆ フィードバック給電光
１１４ 制御装置
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
３１１Ｆ 調光ミラー（フィードバック用分岐光学装置）
３１２ 制御装置
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 (9)

1. 給電装置からの給電光を電力に変換する光電変換素子を含む受電装置であって、
   前記光電変換素子に入力される前記給電装置からの給電光の一部をフィードバック給電光として給電側に出力するフィードバック用分岐光学装置と、
   前記光電変換素子により変換した電力の負荷への給電量を監視し、当該給電量に応じて前記フィードバック用分岐光学装置によるフィードバック量を制御する制御装置と、を備える光給電システムの受電装置。
2. 前記制御装置は、前記光電変換素子により変換する電力が、所定の割合で負荷を超える目標値に収束するように、前記フィードバック用分岐光学装置によるフィードバック量を制御する請求項１に記載の光給電システムの受電装置。
3. 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又は請求項２に記載の光給電システムの受電装置。
4. 電力によりレーザー発振して給電光を受電装置へ出力する半導体レーザーを含む給電装置であって、
   受電装置からのフィードバック給電光を前記半導体レーザーが出力する給電光と会合して出力するフィードバック用会合光学装置と、
   前記フィードバック用会合光学装置が出力するエネルギー量が一定となるように、前記半導体レーザーの出力を制御する制御装置と、を備える光給電システムの給電装置。
5. 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４に記載の光給電システムの給電装置。
6. 電力によりレーザー発振して給電光を出力する半導体レーザーを含む給電装置と、前記給電装置による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た光ファイバー給電システムであって、
   当該受電装置として請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の受電装置を、当該給電装置として請求項４又は請求項５に記載の給電装置を備える光給電システム。
7. 前記給電装置を含む第１のデータ通信装置と、前記第１のデータ通信装置と光通信し、前記受電装置を含む第２のデータ通信装置とを備え、
   前記光電変換素子により変換された電力が、前記第２のデータ通信装置に設けられた発信部及び受信部の駆動電力とされた請求項６に記載の光給電システム。
8. 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、前記給電光を伝送する光ファイバーケーブルを備えた請求項７に記載の光給電システム。
9. 一端が前記第１のデータ通信装置に接続可能とされ、他端が前記第２のデータ通信装置に接続可能とされ、前記給電光及び信号光を伝送する光ファイバーケーブルを備えた請求項７に記載の光給電システム。

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