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JP7387112B2 - Optical power supply system and optical power supply method - Google Patents

Optical power supply system and optical power supply method Download PDF

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JP7387112B2
JP7387112B2 JP2022050602A JP2022050602A JP7387112B2 JP 7387112 B2 JP7387112 B2 JP 7387112B2 JP 2022050602 A JP2022050602 A JP 2022050602A JP 2022050602 A JP2022050602 A JP 2022050602A JP 7387112 B2 JP7387112 B2 JP 7387112B2
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徹 脇田
篤 倉本
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ファインガラステクノロジーズ株式会社
インテグテック株式会社
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Description

本発明は、光給電システム及び光給電方法に関する。 The present invention relates to an optical power supply system and an optical power supply method.

現代社会において用いる様々な機械装置は、外部からの電気の供給を受けることによって、電気エネルギーをモーター等の力学的エネルギーに変換し、動作することが可能である。 Various mechanical devices used in modern society can operate by converting electrical energy into mechanical energy such as a motor by receiving electricity from the outside.

電気は一般に、導電性を備えた導体(電線)を機械装置の動力装置に接続することで、供給可能となる。しかしながら、電線は常時電源と駆動する機械本体と接続されていなければならず、機械本体が自在に動く場合、その動きに対する大きな制限となる場合がある。 Electricity can generally be supplied by connecting a conductor (wire) with electrical conductivity to the power device of a mechanical device. However, the electric wire must always be connected to a power source and the driving machine body, and if the machine body is free to move, this may pose a significant restriction on its movement.

ところで近年、光エネルギーを電気エネルギーに変換しようとする技術が検討されており、例えば下記特許文献1には、フォトニック結晶を用いてハイパワー光伝送を行おうとする技術が開示されている。 Incidentally, in recent years, techniques for converting optical energy into electrical energy have been studied, and for example, Patent Document 1 listed below discloses a technique for performing high-power optical transmission using a photonic crystal.

特許第6578017公報Patent No. 6578017 Publication

しかしながら、上記特許文献1に記載の技術では、石英コアを用いるものであり、より高出力が期待される1000nm未満の短波長のレーザ光には石英のレーリー散乱ロスの問題で適していないといった課題がある。 However, the technology described in Patent Document 1 uses a quartz core, and has the problem that it is not suitable for laser light with a short wavelength of less than 1000 nm, which is expected to have higher output, due to the Rayleigh scattering loss of quartz. There is.

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、より高出力なレーザ光にも適用可能な光給電システム及び光給電方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide an optical power supply system and an optical power supply method that can be applied to higher output laser light.

上記課題について、本発明者らが鋭意検討を行ったところ、ホローコアファイバを用い、これに適用した工夫を経ることで、上記課題を解決することを発見し、本発明を完成させるに至った。 The inventors of the present invention have conducted extensive studies regarding the above-mentioned problems, and have discovered that the above-mentioned problems can be solved by using a hollow core fiber and applying innovations thereto, leading to the completion of the present invention. .

すなわち、上記課題を解決する本発明の一観点に係る光給電システムは、420nm以上980nm以下の波長範囲のレーザ光を発するレーザー装置と、レーザ光を伝搬させるホローコアファイバと、レーザ光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子と、を備えるものである。 That is, an optical power feeding system according to one aspect of the present invention that solves the above problems includes a laser device that emits a laser beam in a wavelength range of 420 nm or more and 980 nm or less, a hollow core fiber that propagates the laser beam, and a light energy source of the laser beam. and a photovoltaic element that converts energy into electrical energy.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザ光のビームパラメータ積(BPP)は、8mm・mrad以下であることが好ましい。 Further, from this point of view, although not limited to this, it is preferable that the beam parameter product (BPP) of the laser light is 8 mm·mrad or less.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザ光の出力は、100W以上であることが好ましい。 Further, from this point of view, although not limited to this, it is preferable that the output of the laser beam is 100 W or more.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、ホローコアファイバの実効コア断面積は、300μm以上であることが好ましい。 Further, from this point of view, although not limited to this, it is preferable that the effective core cross-sectional area of the hollow core fiber is 300 μm 2 or more.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザー装置は、マルチモード発振を行うことが好ましい。 Further, from this point of view, although not limited to this, it is preferable that the laser device performs multi-mode oscillation.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザー装置及びホローコアファイバはエネルギー供給側装置に設けられており、
光起電力素子は、エネルギー供給側装置とは分離して設けられるエネルギー受給側装置に設けられていることが好ましい。
In addition, in this aspect, although not limited to, the laser device and the hollow core fiber are provided in the energy supply side device,
The photovoltaic element is preferably provided in an energy receiving device that is provided separately from the energy supplying device.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザ光の光軸制御を行うビームステアリング装置と、を有することが好ましい。 Further, from this point of view, it is preferable to include, although not limited to, a beam steering device that controls the optical axis of the laser beam.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザ光の波長は420nm以上540nm以下の範囲にあることが好ましい。 Further, from this point of view, the wavelength of the laser light is preferably in the range of 420 nm or more and 540 nm or less, although it is not limited thereto.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、光起電力素子は、InGa(1-x-y)(xは0以上であり、x/yは0.2以下)を含む半導体素子を有することが好ましい。 In addition, from this point of view, although not limited to, the photovoltaic element is In x Ga y N (1-xy) (x is 0 or more, and x/y is 0.2 or less). It is preferable to have a semiconductor element including.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、レーザー装置と、ホローコアファイバの間に、光ロータリージョイントを備えることが好ましい。 Furthermore, from this point of view, it is preferable, although not limited thereto, to provide an optical rotary joint between the laser device and the hollow core fiber.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、光ロータリージョイントは、石英製プリズムを含むことが好ましい。 Further, in this aspect, although not limited to this, it is preferable that the optical rotary joint includes a quartz prism.

また、本観点においては、限定されるわけでは無いが、光ロータリージョイントから出射される光ファイバの実効コア断面積が該光ロータリージョイントに入射されるレーザ光のビームの実効コア断面積の1.5倍以上であることが好ましい。 In addition, from this point of view, although not limited to this, the effective core cross-sectional area of the optical fiber emitted from the optical rotary joint is 1.5 times larger than the effective core cross-sectional area of the laser light beam incident on the optical rotary joint. It is preferable that it is 5 times or more.

また、本発明の他の一観点に係る光給電方法は、420nm以上980nm以下の波長範囲のレーザ光を発するステップ、レーザ光をホローコアファイバによって伝搬させるステップ、光起電力素子によってレーザ光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するステップ、を備えるものである。 Further, an optical power feeding method according to another aspect of the present invention includes a step of emitting laser light in a wavelength range of 420 nm or more and 980 nm or less, a step of propagating the laser light through a hollow core fiber, and a step of transmitting the laser light using a photovoltaic element. The method includes a step of converting energy into electrical energy.

以上、本発明によって、より高出力なレーザ光にも適用可能な光給電システム及び光給電方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical power supply system and an optical power supply method that are applicable to higher output laser light.

実施形態に係る光給電システムの概略を示す図である。1 is a diagram schematically showing an optical power feeding system according to an embodiment. 実施形態に係る光給電システムにおいて用いるホロー光ファイバの断面のイメージ図である。FIG. 2 is an image diagram of a cross section of a hollow optical fiber used in the optical power feeding system according to the embodiment. 実施形態に係る光給電システムの他の例の概略を示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing another example of the optical power supply system according to the embodiment. 実施形態に係る光給電システムの他の例の概略を示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing another example of the optical power supply system according to the embodiment.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態及び実施例に記載の具体的な例示にのみ限定されるわけでは無い。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail using the drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the specific examples described in the embodiments and examples below.

(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る光給電システム(以下「本システム」という。)Sの概略を示す図である。本図で示すように、本システムSは、レーザ光Lを発するレーザー装置1と、レーザ光を伝搬させるホローコアファイバ2と、レーザ光Lの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子3と、を備えるものである。本システムSの効果については後述の記載からも明らかとなるがレーザー装置1が発するレーザ光Lの光エネルギーを光起電力素子3によって電気エネルギーに変換することで、電気エネルギーをこの光起電力素子3が接続される機械装置の動力装置Mに対して供給することが可能となる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical power feeding system (hereinafter referred to as "this system") S according to the present embodiment. As shown in this figure, this system S includes a laser device 1 that emits a laser beam L, a hollow core fiber 2 that propagates the laser beam, and a photovoltaic element 3 that converts the optical energy of the laser beam L into electrical energy. It is equipped with the following. The effects of this system S will become clear from the description below, but by converting the optical energy of the laser beam L emitted by the laser device 1 into electrical energy by the photovoltaic element 3, the electrical energy can be converted into electric energy by the photovoltaic element 3. 3 can be supplied to the power unit M of the mechanical device to which it is connected.

また、本システムSは、陸上の大気中において用いてもよいが、水中において用いることがより好ましい。水中への給電は通常銅線による供給を行うが銅線は太く重いため供給用のケーブルが受ける潮流の応力の影響が大きく、そのため機械装置には大きい動力装置Mが必要になるが、本システムSを用いた場合光ファイバを介して給電を行うためケーブルを細径化でき電力消費量を大幅に削減できるといった利点がある。 Moreover, although this system S may be used in the atmosphere on land, it is more preferable to use it underwater. Power is normally supplied underwater using copper wires, but since copper wires are thick and heavy, the stress of tidal currents on the supply cables has a large effect, and therefore mechanical equipment requires a large power device M. However, this system When S is used, power is supplied via an optical fiber, which has the advantage that the diameter of the cable can be reduced and power consumption can be significantly reduced.

本システムSにおいて、レーザー装置1は、上記の通り、レーザ光Lを発することができるものであり、その波長範囲は、420nm以上980nm以下である。レーザ光Lの範囲として420nm以上とすることで水中における光伝搬が可能となり、980nm以下とすることで給電するエネルギーを大きくすることができるといった利点がある。 In this system S, the laser device 1 is capable of emitting laser light L, as described above, and the wavelength range thereof is 420 nm or more and 980 nm or less. When the range of the laser beam L is 420 nm or more, light propagation in water becomes possible, and when the range is 980 nm or less, the energy to be supplied can be increased.

また本システムSのレーザー装置1は、上記レーザ光Lを発することができる限りにおいて限定されるわけではなく、市販されているレーザー装置を用いることができる。発振媒体が固体である固体レーザー装置であっても、発振媒体が液体である液体レーザー装置であってもよくこれに限定されない。 Further, the laser device 1 of the present system S is not limited as long as it can emit the laser beam L, and a commercially available laser device can be used. The laser device may be a solid-state laser device in which the oscillation medium is solid, or a liquid laser device in which the oscillation medium is liquid, and is not limited thereto.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、レーザ光Lの出力は、100W以上であることが好ましい。水中での動力装置Mの例としてROV(遠隔操作型無人潜水艇)は小型のものでも常時数十Wの消費電力があり、中型から大型のものになると常時数百Wの消費電力となるため、100W以上とすることによって、上記ROV等に対しても適用が可能となる。 Further, in the present system S, the output of the laser beam L is preferably 100 W or more, although it is not limited thereto. As an example of an underwater power unit M, an ROV (Remotely Operated Unmanned Submersible Vehicle) has a constant power consumption of several tens of W even if it is small, and a constant power consumption of several hundred W if it is a medium to large size. , 100W or more, it becomes possible to apply it to the above-mentioned ROV, etc.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、レーザー装置1は、マルチモード発振を行うことが好ましい。マルチモード発振を行わせることで、シングルモード発振のレーザー装置に比べて電力から光への変換効率が高くなるためシステム全体の効率が大きくなるといった利点がある。 In addition, in the present system S, it is preferable that the laser device 1 performs multi-mode oscillation, although it is not limited thereto. Multi-mode oscillation has the advantage of increasing the efficiency of the entire system because the conversion efficiency from electric power to light is higher than that of single-mode oscillation laser devices.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、光起電力素子3が電力供給装置とは分離されている場合で水中を介して電力を供給する場合は、レーザ光Lの波長は水中での減衰が少ない波長範囲である420nm以上540nm以下の範囲にあることが好ましい。この範囲とすることで上記の通り、水中においてより効率的に電力供給が可能となる。 In addition, in this system S, although not limited to, when the photovoltaic element 3 is separated from the power supply device and power is supplied through water, the wavelength of the laser beam L is The wavelength range is preferably from 420 nm to 540 nm, which is a wavelength range with little attenuation in water. By setting it in this range, as mentioned above, it becomes possible to supply power more efficiently underwater.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、レーザ光Lのビームパラメータ積(BPP)は、8mm・mrad以下であることが好ましく、より好ましくは5mm・mrad以下である。8mm・mradとすることでレーザ光Lを効率よくホローコアファイバ2に入射しファイバ内を伝搬させ、ホローコアファイバ2への結合効率を大きくできるといった効果があり、5mm・mrad以下とすることでこの効果がより顕著となる。 Furthermore, in the present system S, although not limited to this, the beam parameter product (BPP) of the laser beam L is preferably 8 mm·mrad or less, more preferably 5 mm·mrad or less. Setting it to 8 mm/mrad has the effect of making the laser beam L efficiently enter the hollow core fiber 2 and propagate within the fiber, increasing the coupling efficiency to the hollow core fiber 2. By setting it to 5 mm/mrad or less, This effect becomes more pronounced.

また、本システムSは、上記の通り、レーザ光Lを伝搬させるホローコアファイバ2を備えている。ここで「光ファイバ」とは、光を伝搬させるための光導波路で光を伝搬するコアとその周囲のクラッドから成り立つものであり、このコアとクラッド間の屈折率の違いを利用することで光をコア内に閉じ込め光ファイバの先端まで光を導くことができるものである。 Further, as described above, the system S includes the hollow core fiber 2 through which the laser beam L propagates. Here, an "optical fiber" is an optical waveguide for propagating light, consisting of a core that propagates light and a cladding around it.By utilizing the difference in refractive index between this core and cladding, light It is possible to confine the light within the core and guide the light to the tip of the optical fiber.

また、本システムSでは、光ファイバとしてホローコアファイバ2を用いている。ここで「ホローコアファイバ」とは、光ファイバのコアが空孔となっており、ブラッグ反射によりコアに光を閉じ込めて伝搬させる光ファイバをいう。この断面のイメージについて図2に示しておく。本システムSでは、ホローコアファイバ2を用いている。ホローコアファイバ2は中空の気体内を伝搬するため980nm以下の波長であっても、石英コアや他の材料に比べて低損失な状態でレーザ光Lを伝送することができるため、短波長での光の伝搬、パワー伝送に適している。また、水中でのレーザ光Lの伝送を考えた場合、その吸収を考慮してその波長は420nm以上540nm以下の範囲であることが好ましい。特に、通常の石英コアを用いる光ファイバの場合、50dB/km以上の大きい損失があると考えられるが、この波長範囲においてホローコアファイバ2を用いると1dB/km以下とすることも可能である。 Further, in this system S, a hollow core fiber 2 is used as the optical fiber. Here, the term "hollow core fiber" refers to an optical fiber in which the core of the optical fiber is a hole, and light is confined in the core and propagated by Bragg reflection. An image of this cross section is shown in FIG. In this system S, a hollow core fiber 2 is used. Since the hollow core fiber 2 propagates in a hollow gas, it can transmit the laser beam L with a lower loss than a quartz core or other materials, even at a wavelength of 980 nm or less. Suitable for light propagation and power transmission. Furthermore, when considering the transmission of the laser beam L in water, the wavelength is preferably in the range of 420 nm or more and 540 nm or less in consideration of its absorption. In particular, in the case of an optical fiber using a normal quartz core, it is thought that there is a large loss of 50 dB/km or more, but if the hollow core fiber 2 is used in this wavelength range, it is possible to reduce the loss to 1 dB/km or less.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、ホローコアファイバ2の実効コア断面積は、300μm以上であることが好ましく、より好ましくは600μm以上である。300μm以上とすることでレーザーとホローコアファイバ2の結合効率を高くするといった利点があり、600μm以下とすることでレーザーと光ファイバの結合効率を高くするとともにレーザーとホローコアファイバ2の結合箇所における結合ロスが原因となる熱の発生を抑えるといった利点がある。 Further, in the present system S, although not limited to this, the effective core cross-sectional area of the hollow core fiber 2 is preferably 300 μm 2 or more, more preferably 600 μm 2 or more. Setting it to 300 μm 2 or more has the advantage of increasing the coupling efficiency between the laser and the hollow core fiber 2, while setting it to 600 μm 2 or less has the advantage of increasing the coupling efficiency between the laser and the optical fiber and increasing the coupling efficiency between the laser and the hollow core fiber 2. This has the advantage of suppressing the generation of heat caused by bond loss at certain points.

また、本システムSにおけるホローコアファイバ2の長さは適宜調整可能であるが、長距離となるほど他のファイバに比べて効果的であり、例えば100m以上、好ましくは200m以上であっても可能である。一方で長すぎることも好ましくないため、その長さとしては5000m以下であることが好ましく、より好ましくは2000m以下である。 In addition, the length of the hollow core fiber 2 in this system S can be adjusted as appropriate, but the longer the length, the more effective it is compared to other fibers. be. On the other hand, it is not preferable that the length is too long, so the length is preferably 5000 m or less, more preferably 2000 m or less.

また、本システムSにおいて、ホローコアファイバ2からの出力は、レンズ等の光学系4を経て光起電力素子3に照射することが好ましい。またこの場合、レーザー装置1とホローコアファイバ2の間に光学系4を設けておくことも好ましい。光学系4を設けることで光を適切に収束及び拡散させ、効率の良い光伝達を可能とする。 Moreover, in this system S, it is preferable that the output from the hollow core fiber 2 is irradiated onto the photovoltaic element 3 through an optical system 4 such as a lens. In this case, it is also preferable to provide an optical system 4 between the laser device 1 and the hollow core fiber 2. By providing the optical system 4, light can be appropriately converged and diffused to enable efficient light transmission.

また、本システムSでは、レーザ光Lの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子3を有する。ここで「光起電力素子」としては、受光したレーザ光Lを電気に変換する素子をいい、具体的には窒化インジウムガリウムからなる素子、ペロブスカイト構造をもつ素子等を例示することができるがこれに限定されない。 The system S also includes a photovoltaic element 3 that converts the optical energy of the laser beam L into electrical energy. Here, the term "photovoltaic element" refers to an element that converts received laser light L into electricity, and specific examples include an element made of indium gallium nitride, an element with a perovskite structure, etc. but not limited to.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、光起電力素子3は、バンドギャップエネルギーが1.65eV以上であることが好ましく、より好ましくは2.29eV以上である。バンドギャップエネルギーは波長に反比例し、小さいほうが高エネルギーとなり、1.65eV以上の光起電力素子3を用いることで、例えば980nm以下で光電変換効率が高くなるといった利点があり、さらに2.29eV以上のものを用いることで、たとえば540nm以下で光電変換効率が高いといった利点がある。 Further, in the present system S, although not limited to this, it is preferable that the band gap energy of the photovoltaic element 3 is 1.65 eV or more, more preferably 2.29 eV or more. The band gap energy is inversely proportional to the wavelength, and the smaller the energy, the higher the energy.Using a photovoltaic element 3 of 1.65 eV or more has the advantage of increasing photoelectric conversion efficiency at 980 nm or less, and furthermore, 2.29 eV or more. There is an advantage, for example, that the photoelectric conversion efficiency is high at 540 nm or less.

また、光起電力素子3の具体的な構造に関しては、限定されるわけでは無いが、例えば、上記バンドギャップエネルギーを得るためには、組成がガリウム及び窒素を含む半導体、好ましくはインジウム、ガリウム及び窒素を含む半導体、具体的には、InGa(1-x-y)(xは0以上である)の半導体であることが好ましく、また、この場合において、インジウム/ガリウムのモル比が0%以上20%以下である(x/yが0以上0.1以下)ことが好ましい。このような組成にすることで540nm以下で光電変換効率が高い光起電力素子3を実現できる。 Further, although the specific structure of the photovoltaic element 3 is not limited, for example, in order to obtain the above bandgap energy, a semiconductor whose composition contains gallium and nitrogen, preferably indium, gallium and A semiconductor containing nitrogen, specifically a semiconductor of In x Ga y N (1-x-y) (x is 0 or more) is preferable, and in this case, the molar ratio of indium/gallium is is preferably 0% or more and 20% or less (x/y is 0 or more and 0.1 or less). With such a composition, it is possible to realize a photovoltaic element 3 with high photoelectric conversion efficiency at 540 nm or less.

また、光起電力素子3の面積としては、広い有効面積を採用することでその受光効率を高めることができ、例えば100mm×100mmの有効面積を備える面状となっていることが好ましい。 Further, as for the area of the photovoltaic element 3, the light receiving efficiency can be increased by adopting a wide effective area, and it is preferable that the photovoltaic element 3 has a planar shape with an effective area of 100 mm x 100 mm, for example.

また、この光起電力素子3は、電池に接続され、必要な電力を蓄積しておくことが好ましい。 Further, it is preferable that this photovoltaic element 3 is connected to a battery and stores necessary power.

また、本システムSにおいては、省略も可能ではあるが、レーザ光Lの光軸制御を行うビームステアリング装置5と、を有することが好ましい。ビームステアリング装置5を用いることで、レーザ光Lの光軸制御を行い、光起電力素子3に確実にレーザ光Lを当て、高効率な給電を行うことが可能となる。ビームステアリング装置5を設けた場合の本システムSのイメージを図3に示しておく。 Moreover, in the present system S, it is preferable to include a beam steering device 5 that controls the optical axis of the laser beam L, although it can be omitted. By using the beam steering device 5, it is possible to perform optical axis control of the laser beam L, to reliably apply the laser beam L to the photovoltaic element 3, and to perform highly efficient power feeding. FIG. 3 shows an image of the system S when the beam steering device 5 is provided.

ここで「ビームステアリング装置」とは、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけでは無いが、送電側において光軸調整用光源51、受光側に位置検出用光電変換素子アレイ52を備え、受光側の位置検出情報の光信号を送電側に送信することによって位置決めするものとすることが好ましい。ここで光軸調整用光源51は、給電用光ファイバと同一のものにカップリングすることも可能であるが、給電用光ファイバとは異なる光ファイバを使用してもよい。受光側の位置検出情報の光信号は給電用光ファイバと同一のもの、または異なる光ファイバにて伝送してもよい。 Here, the "beam steering device" is not limited as long as it has the above functions, but it is equipped with a light source 51 for adjusting the optical axis on the power transmission side and a photoelectric conversion element array 52 for position detection on the light receiving side, Preferably, positioning is performed by transmitting an optical signal of position detection information from the side to the power transmission side. Here, the optical axis adjustment light source 51 can be coupled to the same optical fiber for power feeding, but it is also possible to use an optical fiber different from the optical fiber for power feeding. The optical signal of the position detection information on the light receiving side may be transmitted through the same optical fiber as the power feeding optical fiber, or through a different optical fiber.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、レーザー装置1及びホローコアファイバ2はエネルギー供給側装置Aに設けられており、光起電力素子3は、エネルギー供給側装置Aとは分離して設けられるエネルギー受給側装置Bに設けられていることが好ましい。このようにすることで、エネルギー供給側装置Aとエネルギー受給側装置Bを物理的に分離することが可能となり、エネルギー受給側装置Bは電線等による制限を受けることなく自在に動くことが可能となる。また、特に本システムSを水中で用いる場合、水中で伝送をすることにより、エネルギー供給側装置Aによる抵抗及び制限を受けることなくエネルギー受給側装置Bは移動することが可能となり、電力消費量の削減が効果的である。特に、光ファイバケーブルの場合、一般的な電力供給用のケーブルよりも細径に形成することが可能であり、エネルギー供給側装置Aとエネルギー受給側装置Bを分離することにより、さらに電力消費量を削減できる。 In addition, in this system S, the laser device 1 and the hollow core fiber 2 are provided in the energy supplying device A, and the photovoltaic element 3 is not limited to the energy supplying device A. It is preferable that the energy receiving side device B is provided separately. By doing this, it becomes possible to physically separate the energy supply side device A and the energy reception side device B, and the energy reception side device B can move freely without being restricted by electric wires etc. Become. In addition, especially when using this system S underwater, by transmitting data underwater, the energy receiving device B can move without being subjected to resistance and restrictions from the energy supplying device A, which reduces power consumption. Reduction is effective. In particular, optical fiber cables can be formed to have a smaller diameter than general power supply cables, and by separating energy supply side device A and energy reception side device B, power consumption can be further reduced. can be reduced.

ここで、上記の記載から本システムSの動作は明らかであるが、本システムSを用いることで、新たな光給電方法を提供することができる。具体的に、本実施形態に係る光給電方法(以下「本方法」という。)は、(1)420nm以上980nm以下の波長範囲のレーザ光を発するステップ、(2)レーザ光をホローコアファイバによって伝搬させるステップ、(3)光起電力素子によってレーザ光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するステップ、を備えるものである。 Here, although the operation of this system S is clear from the above description, by using this system S, a new optical power feeding method can be provided. Specifically, the optical power feeding method according to the present embodiment (hereinafter referred to as "this method") includes (1) emitting laser light in a wavelength range of 420 nm or more and 980 nm or less; (2) emitting laser light through a hollow core fiber. (3) converting the optical energy of the laser beam into electrical energy using a photovoltaic element.

すなわち本方法では、420nm以上980nm以下の範囲の波長範囲のレーザ光を供給することで効率の良いエネルギー供給、具体的には上記の通り水中でも用いることができるといった効果があり、特に540nm以下の光を採用すると水中においても減衰の少ない高効率な光給電が可能となる。また、本方法では、ホローコアファイバを用いることで、上記の範囲における光の損失を少なくすることができる。そして、光起電力素子によりこの光エネルギーを電気エネルギーに変換することで電力として返還させることが可能となる。 In other words, this method provides efficient energy supply by supplying laser light with a wavelength range of 420 nm or more and 980 nm or less. Specifically, as mentioned above, it can be used underwater. By using light, highly efficient optical power supply with little attenuation becomes possible even underwater. Further, in this method, by using a hollow core fiber, it is possible to reduce optical loss in the above range. Then, by converting this light energy into electrical energy using a photovoltaic element, it becomes possible to return it as electric power.

ところで、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、レーザー装置1と、ホローコアファイバ2の間に、光ロータリージョイントを備えることが好ましい。この場合のイメージ図を図4に示す。ここで「光ロータリージョイント」とは、固定された1個または複数の入射側の光導波路から回転可能な同数の出射側の光導波路にプリズムを介して接続する装置をいい、本システムSで光ロータリージョイントを備えることで固定されたレーザー装置1からドラムに巻いた光ファイバに光ファイバを繰り出しながら接続し続けることができるといった効果がある。 By the way, in the present system S, it is preferable that an optical rotary joint is provided between the laser device 1 and the hollow core fiber 2, although it is not limited thereto. An image diagram of this case is shown in FIG. Here, the "optical rotary joint" refers to a device that connects one or more fixed input-side optical waveguides to the same number of rotatable output-side optical waveguides via a prism. Providing the rotary joint has the effect that it is possible to continue connecting the optical fiber from the fixed laser device 1 to the optical fiber wound around the drum while feeding out the optical fiber.

また、本システムSにおいては、限定されるわけでは無いが、光ロータリージョイントを構成するプリズムは石英製であることが好ましい。プリズムを石英製にすることで100W以上の高出力レーザ光Lに耐えられるといった効果がある。 Furthermore, in the present system S, although not limited to this, it is preferable that the prism constituting the optical rotary joint is made of quartz. Making the prism made of quartz has the effect of being able to withstand high-power laser light L of 100 W or more.

また、本システムSにおいては、光ロータリージョイントから出射される光ファイバの実効コア断面積が、光ロータリージョイントに入射されるレーザ光Lのビームの実効コア断面積の1.5倍以上であることが好ましい。入射側のビームが出射側のビーム(ビームを受けるファイバのコア断面積)より小さいほうが高効率となる。このことにより、光ロータリージョイントが回転した際に生じる出射ファイバとの結合損失の変動を抑え結合効率を高く維持できる効果がある。 In addition, in this system S, the effective core cross-sectional area of the optical fiber emitted from the optical rotary joint is 1.5 times or more the effective core cross-sectional area of the beam of laser light L inputting into the optical rotary joint. is preferred. The efficiency is higher if the beam on the input side is smaller than the beam on the output side (core cross-sectional area of the fiber that receives the beam). This has the effect of suppressing fluctuations in coupling loss with the output fiber that occur when the optical rotary joint rotates and maintaining high coupling efficiency.

以上、本システムSによって、より高出力なレーザ光Lにも適用可能な光給電システム及び光給電方法を提供することができる。改めて、具体的に本システムSの効果について言及すると下記のとおりである。 As described above, with the present system S, it is possible to provide an optical power feeding system and an optical power feeding method that can be applied to a higher output laser beam L. Once again, the specific effects of this system S are as follows.

従前、100W以上のハイパワーなレーザ光Lを長い距離伝搬するためには光ファイバのコアとして主に石英が用いられており、例えば通信用途では850nm等における伝送が主に100m程度の短い距離の通信に用いられてきたこともあるが、それらは主に1000nm以上の発振波長のものであった。公知の技術として、フォトニック結晶ファイバを用いてコア径を拡大した設計のファイバ内を伝搬させることで、よりハイパワーの伝送を実現しようとしているが、コアが石英であることにより、980nm以下の波長を小さい損失で長距離伝送することは困難である。
Conventionally, quartz has been mainly used as the core of optical fibers to propagate high-power laser beams L of 100 W or more over long distances. Although they have been used for communications, they mainly had an oscillation wavelength of 1000 nm or more. As a known technology, attempts are being made to achieve higher power transmission by using a photonic crystal fiber to propagate through a fiber designed with an enlarged core diameter, but since the core is made of quartz, It is difficult to transmit wavelengths over long distances with low loss.

近年、980nm以下の波長で高出力のレーザーが開発されてきており、これらの波長の光をハイパワーで長距離伝送することが求められている。石英コアの場合、980nm以下の波長ではレーリー散乱による伝送損失が大きく、長距離のパワー伝送には向いていない。 In recent years, high-output lasers with wavelengths of 980 nm or less have been developed, and there is a demand for high-power, long-distance transmission of light at these wavelengths. In the case of a quartz core, transmission loss due to Rayleigh scattering is large at wavelengths of 980 nm or less, making it unsuitable for long-distance power transmission.

これに対し、本システムSによると、レーザ-装置1、ホローコアファイバ2、光起電力素子3を備えており、レーザ-装置1は980nm以下の発振波長で100W以上の出力を持つことで、上記の課題を解決し、より高出力なレーザ光Lにも適用可能な光給電システム及び光給電方法を提供することができる。 On the other hand, according to this system S, it is equipped with a laser device 1, a hollow core fiber 2, and a photovoltaic element 3, and the laser device 1 has an output of 100 W or more at an oscillation wavelength of 980 nm or less. It is possible to provide an optical power supply system and an optical power supply method that solve the above problems and are applicable to higher output laser light L.

本発明は光給電システム及び光給電方法として産業上の利用可能性がある。


The present invention has industrial applicability as an optical power supply system and optical power supply method.


Claims (6)

空孔コアを有するホローコアファイバ、及び、レーザ光を発するとともに前記レーザ光を前記ホローコアファイバの前記空孔コア内に伝搬させるレーザー装置が一体化したエネルギー供給側装置と、
前記レーザ光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子を備え、かつ、前記エネルギー供給側装置とは分離して設けられ自在に動くことが可能なエネルギー受給側装置と、を有する光給電システム。
an energy supply side device that integrates a hollow core fiber having a hole core and a laser device that emits laser light and propagates the laser light into the hole core of the hollow core fiber;
An optical power supply comprising: a photovoltaic element that converts the optical energy of the laser beam into electrical energy; and an energy receiving device that is provided separately from the energy supplying device and can move freely. system.
前記レーザ光の光軸制御を行うビームステアリング装置と、を有する請求項1記載の光給電システム。 The optical power feeding system according to claim 1 , further comprising a beam steering device that controls the optical axis of the laser beam. 前記レーザ光の波長は420nm以上540nm以下の範囲にある請求項1記載の光給電システム。 2. The optical power feeding system according to claim 1, wherein the wavelength of the laser beam is in a range of 420 nm or more and 540 nm or less. 前記光起電力素子は、InGa(1-x-y)(xは0以上であり、x/yは0.2以下)を含む半導体素子を有する請求項1記載の光給電システム。 The optical power feeding system according to claim 1 , wherein the photovoltaic element has a semiconductor element including In x Ga y N (1-x-y) (x is 0 or more and x/y is 0.2 or less). . 空孔コアを有するホローコアファイバと、
レーザ光を発するとともに、前記レーザ光を前記空孔コア内に伝搬させるレーザー装置と、を有し、レーザー装置と、前記ホローコアファイバの間に、光ロータリージョイントを備える光給電システムであって、
前記光ロータリージョイントから出射される側の光ファイバの実効コア断面積は、前記光ロータリージョイントに入射されるレーザ光のビームの実効断面積の1.5倍以上である光給電システム。
a hollow core fiber having a hole core;
An optical power supply system comprising a laser device that emits a laser beam and propagates the laser beam into the hollow core, and an optical rotary joint between the laser device and the hollow core fiber,
An optical power supply system, wherein an effective core cross-sectional area of the optical fiber on the side emitted from the optical rotary joint is 1.5 times or more as large as an effective cross-sectional area of a laser beam beam incident on the optical rotary joint.
前記光ロータリージョイントは、石英製プリズムを含む請求項5記載の光給電システム。 The optical power feeding system according to claim 5 , wherein the optical rotary joint includes a quartz prism.
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