光供电系统的受电装置以及供电装置和光供电系统的制作方法

1.本公开涉及光供电。


背景技术：

2.近年来，正在研究将电力转换为光(被称为供电光)并传输，将该供电光转换为电能而作为电力来利用的光供电系统。
3.在专利文献1中记载了一种光通信装置，其具备：光发送机，其用于发送以电信号调制的信号光、以及供给电力的供电光；光纤，其具有传输上述信号光的纤芯、形成于上述纤芯的周围且折射率比上述纤芯小的传输上述供电光的第一包覆层、以及形成于上述第一包覆层的周围且折射率比上述第一包覆层小的第二包覆层；以及光接收机，其利用转换了由上述光纤的第一包覆层传输的上述供电光的电力进行动作，将由上述光纤的纤芯传输的上述信号光转换为上述电信号。
4.在先技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2010
‑
135989号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.理想的是，在光供电中，从供电侧发送的电力在受电侧被全部消耗。但是，由于负载不是固定而是变动，因此会发送超过负载的消耗电力的电力。在该情况下，在受电侧电力剩余，并非有效。
9.用于解决课题的手段
10.本公开的一个方式是如下光供电系统，具备：供电装置，包括通过电力进行激光振荡而输出供电光的半导体激光器；以及受电装置，包括将所述供电装置的供电光转换为电力的光电转换元件，
11.受电装置具备：
12.反馈用分支光学装置，将输入至所述光电转换元件的来自所述供电装置的供电光的一部分作为反馈供电光而输出至供电侧；以及
13.控制装置，监视由所述光电转换元件转换后的电力对负载的供电量，根据该供电量对基于所述反馈用分支光学装置的反馈量进行控制，
14.供电装置具备反馈用光电转换元件，该反馈用光电转换元件包括通过电力进行激光振荡而向受电装置输出供电光的半导体激光器，将来自所述受电装置的供电光转换为电力，作为所述半导体激光器的驱动电力输出。
15.本公开的一个方式是如下光供电系统，具备：供电装置，包括通过电力进行激光振荡而输出供电光的半导体激光器；以及受电装置，包括将所述供电装置的供电光转换为电力的光电转换元件，
16.受电装置具备：反馈用分支光学装置，包括将来自供电装置的供电光转换为电力的光电转换元件，将输入至所述光电转换元件的来自所述供电装置的供电光的一部分作为反馈供电光而输出至供电侧；以及控制装置，监视由所述光电转换元件转换后的电力对负载的供电量，根据该供电量对基于所述反馈用分支光学装置的反馈量进行控制，
17.供电装置具备：反馈用汇聚光学装置，包括通过电力进行激光振荡并向受电装置输出供电光的半导体激光器，将来自受电装置的反馈供电光与所述半导体激光器输出的供电光汇聚而输出；以及控制装置，对所述半导体激光器的输出进行控制，使得所述反馈用汇聚光学装置输出的能量固定。
18.发明效果
19.根据本公开的一个方式的光供电系统，即使存在负载的变动，也能够进行抑制了受电侧的剩余电力的高效的光供电的运用。
附图说明
20.图1是本公开的第一实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图。
21.图2是本公开的第二实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图。
22.图3是本公开的第二实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图，图示了光连接器等。
23.图4是本公开的另一实施方式所涉及的光纤供电系统的结构图。
24.图5是具备反馈供电的功能的光纤供电系统的结构图。
25.图6是表示比较例的电力供求的时间变化的图表。
26.图7是表示图5的光纤供电系统中的电力供求的时间变化的图表。
27.图8是具备反馈供电光的功能的光纤供电系统的结构图。
28.图9是表示图7的光纤供电系统中的电力供求的时间变化的图表。
具体实施方式
29.以下，参照附图对本公开的一个实施方式进行说明。
30.(1)系统概要
31.〔第一实施方式〕
32.如图1所示，本实施方式的光纤供电(pof：power over fiber)系统1a具备供电装置(pse：power sourcing equipment)110、光纤线缆200a以及受电装置(pd：powered device)310。
33.另外，本公开中的供电装置是将电力转换为光能而供给的装置，受电装置是接受光能的供给并将该光能转换为电力的装置。
34.供电装置110包括供电用半导体激光器111。
35.光纤线缆200a包括形成供电光的传输路径的光纤250a。
36.受电装置310包括光电转换元件311。
37.供电装置110与电源连接，供电用半导体激光器111等被电驱动。
38.供电用半导体激光器111通过来自上述电源的电力进行激光振荡而输出供电光112。
39.光纤线缆200a的一端201a能够与供电装置110连接，另一端202a能够与受电装置310连接，传输供电光112。
40.来自供电装置110的供电光112被输入到光纤线缆200a的一端201a，供电光112在光纤250a中传播，从另一端202a输出到受电装置310。
41.光电转换元件311将通过光纤线缆200a传输来的供电光112转换为电力。由光电转换元件311转换后的电力被设定为受电装置310内所需的驱动电力。进而，受电装置310能够将由光电转换元件311转换后的电力输出到外部设备用。
42.构成起到供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的光
‑
电间的转换效果的半导体区域的半导体材料为具有500nm以下的短波长的激光波长的半导体。
43.具有短波长的激光波长的半导体的带隙大且光电转换效率高，因此提高光供电的发电侧以及受电侧的光电转换效率，提高光供电效率。
44.因此，作为该半导体材料，例如也可以使用金刚石、氧化镓、氮化铝、gan等激光波长(基波)为200～500nm的激光介质的半导体材料。
45.此外，作为该半导体材料，应用具有2.4ev以上的带隙的半导体。
46.例如，也可以使用金刚石、氧化镓、氮化铝、gan等带隙2.4～6.2ev的激光介质的半导体材料。
47.另外，激光越是长波长，传输效率越好，越是短波长，光电转换效率越好。因此，在长距离传输的情况下，电可以使用激光波长(基波)大于500nm的激光介质的半导体材料。此外，在优先光电转换效率的情况下，也可以使用激光波长(基波)小于200nm的激光介质的半导体材料。
48.这些半导体材料也可以应用于供电用半导体激光器111以及光电转换元件311中的任一者。提高供电侧或者受电侧的光电转换效率，提高光供电效率。
49.〔第二实施方式〕
50.图2所示本实施方式的光纤供电(pof：power over fiber)系统1包括经由光纤的光供电系统和光通信系统，具备包括供电装置(pse：power sourcing equipment)110的第一数据通信装置100、光纤线缆200以及包括受电装置(pd：powered device)310的第二数据通信装置300。
51.另外，在以下的说明中，原则上对已经说明的结构标注相同的符号，在没有特别提及的情况下，设为与已经说明的结构相同的结构。
52.供电装置110包括供电用半导体激光器111。第一数据通信装置100除了包括供电装置110之外，还包括进行数据通信的发送部120和接收部130。第一数据通信装置100相当于数据终端装置(dte(data terminal equipment))、中继器(repeater)等。发送部120包括信号用半导体激光器121和调制器122。接收部130包括信号用光电二极管131。
53.光纤线缆200包括光纤250，其具有形成信号光的传输路径的纤芯210和配置在纤芯210的外周且形成供电光的传输路径的包覆层220。
54.受电装置310包括光电转换元件311。第二数据通信装置300除了受电装置310以外，还包括发发送部320、接收部330以及数据处理单元340。第二数据通信装置300相当于电力终端站(power end station)等。发送部320包括信号用半导体激光器321和调制器322。接收部330包括信号用光电二极管331。数据处理单元340是对接收到的信号进行处理的单
元。此外，第二数据通信装置300是通信网络中的节点。或者，第二数据通信装置300也可以是与其他节点进行通信的节点。
55.第一数据通信装置100与电源连接，供电用半导体激光器111、信号用半导体激光器121、调制器122、信号用光电二极管131等被电驱动。此外，第一数据通信装置100是通信网络中的节点。或者，第一数据通信装置100也可以是与其他节点进行通信的节点。
56.供电用半导体激光器111通过来自上述电源的电力进行激光振荡而输出供电光112。
57.光电转换元件311将通过光纤线缆200传输来的供电光112转换为电力。由光电转换元件311转换的电力被设置为发送部320、接收部330以及数据处理单元340的驱动电力以及在其他第二数据通信装置300内需要的驱动电力。进而，第二数据通信装置300可以将由光电转换元件311转换的电力输出到外部设备用。
58.另一方面，发送部120的调制器122基于发送数据124对来自信号用半导体激光器121的激光123进行调制，并作为信号光125输出。
59.接收部330的信号用光电二极管331将通过光纤线缆200传输来的信号光125解调为电信号，并输出到数据处理单元340。数据处理单元340将该电信号的数据发送至节点，另一方面，从该节点接收数据，并作为发送数据324输出到调制器322。
60.发送部320的调制器322基于发送数据324对来自信号用半导体激光器321的激光323进行调制而作为信号光325输出。
61.接收部130的信号用光电二极管131通过光纤线缆200传输来的信号光325解调为电信号并输出。将该电信号的数据发送到节点，另一方面，将来自该节点的数据作为发送数据124。
62.来自第一数据通信装置100的供电光112以及信号光125被输入到光纤线缆200的一端201，供电光112在包覆层220中传播，信号光125在纤芯210中传播，从另一端202输出到第二数据通信装置300。
63.来自第二数据通信装置300的信号光325被输入到光纤线缆200的另一端202，在纤芯210中传播，从一端201输出到第一数据通信装置100。
64.另外，如图3所示，在第一数据通信装置100设置有光输入输出部140和附设于其的光连接器141。此外，在第二数据通信装置300设置有光输入输出部350和附设于其的光连接器351。设置于光纤线缆200的一端201的光连接器230与光连接器141连接。设置于光纤线缆200的另一端202的光连接器240与光连接器351连接。光输入输出部140将供电光112引导至包覆层220，将信号光125引导至纤芯210，并将信号光325引导至接收部130。光输入输出部350将供电光112引导至受电装置310，将信号光125引导至接收部330，将信号光325引导至纤芯210。
65.如上所述，光纤线缆200的一端201能够与第一数据通信装置100连接，另一端202能够与第二数据通信装置300连接，传输供电光112。进而，在本实施方式中，光纤线缆200双向传输信号光125、325。
66.作为构成起到供电用半导体激光器111以及光电转换元件311的光
‑
电间的转换效果的半导体区域的半导体材料，应用与上述第一实施方式相同的材料，实现高的光供电效率。
67.另外，如图4所示的光纤供电系统1b的光纤线缆200b，也可以分别设置传输信号光的光纤260和传输供电光的光纤270。光纤线缆200b也可以由多根构成。
68.(2)关于反馈供电的控制
69.接下来，除了参照图1至图4以外，还参照图5、图6以及图7对反馈供电的控制进行说明。
70.图5表示具备反馈供电的功能的光纤供电系统1a1的结构。
71.本光纤供电系统1a1相对于作为上述第一实施方式说明的光纤供电系统1a(图1所示的结构)，在受电装置310以及供电装置110内还具有以下的结构。
72.受电装置310具备反馈用半导体激光器311f和控制装置312。反馈用半导体激光器311f使用由光电转换元件311转换的电力的一部分进行激光振荡而将反馈供电光112f向供电侧输出。控制装置312监视由光电转换元件311转换的电力(q)向负载20的供电量(q1)，根据该供电量(q1)控制反馈用半导体激光器的电
‑
光间的转换量、即反馈供电量(q2)。
73.供电装置110具备反馈用光电转换元件111f。反馈用光电转换元件111f将来自受电装置310的反馈供电光112f转换为电力，作为半导体激光器111的驱动电力的一部分而输出。
74.半导体激光器111以固定的能量值输出供电光112。这在受电装置310中被光电转换元件311转换为电力q。因此，电力q也为固定值。若将电力q等的时间变化示于图表，则如图6或图7所示。
75.另一方面，向负载20的供电量q1根据其工作状况例如如图6所示那样变动。
76.图6表示将负载20的最大值设为100％而准备了110％的电力q的情况。由此，负载20在最大值以下变动，因此不会成为电力不足，能够防止系统停机。
77.但是，剩余电力r1浪费，并非有效。
78.控制装置312对基于反馈用半导体激光器311f的电
‑
光间的转换量、即反馈供电量q2进行控制，使得从由光电转换元件311转换的电力q减去转换量q2而得到的值(q
‑
q2)以给定的比例收敛于超过负载20的目标值。
79.由此，剩余电力r1的一部分作为反馈供电量q2被发送到供电侧。
80.反馈供电量q2成为反馈供电光112f而被输入至反馈用光电转换元件111f，通过反馈用光电转换元件111f转换为电力而成为半导体激光器111的驱动电力。
81.半导体激光器111的驱动电力由将这样的反馈供电量q2作为源的电力和来自电源10的新的电力供应。
82.给定的比例是将下限设为0％，将上限设为电力q超过负载20的最大值的比例。在本例的情况下，电力q超过负载20的最大值的比例为10％，因此设定为0～10％的范围。例如，将目标值设为比负载20的10％高的值。在该情况下，如图7所示。
83.在向负载20的供电量q1为最大值100％的情况下，反馈供电量q2为零，不进行反馈。另一方面，向负载20的供电量q1越低于最大值，则越增加反馈供电量q2而将剩余电力r2抑制得越小。
84.尽管半导体激光器111以固定的能量值输出供电光112，在受电装置310中被光电转换元件311转换为固定的电力q，但由于从不被负载20消耗的部分反馈电力q2，因此从电源10供应的新的电力相当于q
‑
q2，即使存在负载20的变动，也能够进行抑制了受电侧的剩
余电力r2的高效的光供电的运用。
85.另外，在以上的说明中，忽略因转换效率、传输效率等不为100％而导致的损失。
86.另外，负载20除了受电装置310内需要的驱动电力之外，还是外部的负载(向外部设备用输出的电力)。但是，不包括反馈供电量q2。
87.作为图5所示的光纤供电系统1a1，以上述第一实施方式为基础进行了说明，但也可以以作为上述第二实施方式说明的光纤供电系统1、1b(图2
‑
4所示的结构)为基础，同样地追加设置用于实现反馈供电的功能的结构(111f、311f、312)，从而以包括光通信系统的结构实施。
88.在这种情况下，由设置在受电装置310中的光电转换元件311转换后的电力q也被设为设置于第二数据通信装置300中的发送部320以及接收部330的驱动电力。
89.(3)关于反馈供电光的控制
90.接下来，除了参照图1至图4以外，还参照图6、图8以及图9对反馈供电光的控制进行说明。
91.图8表示具备反馈供电光的功能的光纤供电系统1a2的结构。
92.本光纤供电系统1a2相对于作为上述第一实施方式说明的光纤供电系统1a(图1所示的结构)，在受电装置310以及供电装置110内还具有以下的结构。
93.受电装置310具备作为反馈用分支光学装置的调光镜311e和控制装置312e。
94.调光镜311e将输入到光电转换元件311的来自供电装置110的供电光112的一部分作为反馈供电光112f输出到供电侧。调光镜311e是电气地切换镜状态和透明状态的电子器件。反馈供电光112f的光量的调整除了对反射率与透射率的比率进行可变控制以外，也可以周期性地执行反射的期间和透射的期间，对其占空比进行可变控制。也可以代替调光镜311e而应用机械性地切换反射和透射的机构来实施。
95.控制装置312e对由光电转换元件311转换的电力(q)向负载20的供电量(q1)进行监视，并根据该供电量(q1)对基于调光镜311e的反馈量、即反馈供电光112f的光量(p1)进行控制。
96.供电装置110具备合成器111e和控制装置114，以作为反馈用汇聚光学装置。合成器111e具备来自供电用半导体激光器111的供电光112g入射的开口、反馈供电光112f入射的开口、以及使这些合流而供供电光112出射的开口。即，将来自受电装置310的反馈供电光112f与半导体激光器111输出的供电光112g汇聚而输出。
97.控制装置114控制半导体激光器111的输出，使得合成器111e输出的能量固定(p)。因此，检测半导体激光器111的输出(p)。
98.在此，将供电光112的电力当量设为p，将反馈供电光112f的电力当量设为p1，将由光电转换元件311转换后的电力设为q，将向负载20的供电量设为q1。供电光112的电力当量p固定，若将p、q等的时间变化示于图表则如图6或者图9所示。
99.另一方面，向负载20的供电量q1根据其工作状况例如如图6所示那样变动。
100.图6表示将负载20的最大值设为100％而准备了110％的电力q的情况。由此，负载20在最大值以下变动，因此不会成为电力不足，能够防止系统停机。
101.但是，剩余电力r1浪费，并非有效。
102.控制装置312e控制基于调光镜311e的反馈量、即反馈供电光112f的电力当量p1，
使得由光电转换元件311转换的电力q以给定的比例收敛于超过负载20的目标值。
103.由此，剩余电力r1的一部分在电力转换前作为反馈供电光112f被发送到供电侧。
104.反馈供电光112f被输入合成器111e，成为供电光112的一部分。
105.供电光112相当于反馈供电光112f、半导体激光器111输出的供电光112g的合计。
106.给定的比例是将下限设为0％，将上限设为电力q超过负载20的最大值的比例。在本例的情况下，电力q超过负载20的最大值的比例为10％，因此设定为0～10％的范围。例如，将目标值设为比负载20的10％高的值。在该情况下，如图9所示。
107.在向负载20的供电量q1为最大值100％的情况下，反馈供电光112f(p1)为零，不反馈。另一方面，向负载20的供电量q1越低于最大值，则越增加反馈供电光112f(p1)而将剩余电力r2抑制得越小。
108.虽然供电装置110所输出的供电光112的电力当量p是固定的，但在负载20中未消耗完的部分在电力转换前作为反馈供电光112f而被反馈，因此从电源10供应的新的电力相当于p
‑
p1，即使存在负荷20的变动，也能够进行抑制了受电侧的剩余电力r2的高效的光供电的运用。
109.另外，在以上的说明中，忽略因传输效率等不为100％而导致的损失。由于在电力转换前进行反馈，因此能够无光电转换导致的损失地进行反馈，是有效的。
110.另外，负载20除了受电装置310内需要的驱动电力之外，还是外部的负载(向外部设备用输出的电力)。
111.作为图8所示的光纤供电系统1a2，以上述第一实施方式为基础进行了说明，但也可以以作为上述第二实施方式说明的光纤供电系统1、1b(图2
‑
4所示的结构)为基础，同样地追加设置用于实现反馈供电的功能的结构(111e、311e、312e)，从而以包括光通信系统的结构来实施。
112.在这种情况下，由设置在受电装置310中的光电转换元件311转换后的电力q被设为设置于第二数据通信装置300中的发送部320以及接收部330的驱动电力。
113.以上，对本公开的实施方式进行了说明，但该实施方式是作为例子而示出的，能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行结构要素的省略、置换、变更。
114.‑
产业上的可利用性
‑
115.本发明能够利用于光供电。
116.‑
符号说明
‑
117.1a1 光纤供电系统(光供电系统)
118.1a2 光纤供电系统(光供电系统)
119.1a 光纤供电系统(光供电系统)
120.1 光纤供电系统(光供电系统)
121.1b 光纤供电系统(光供电系统)
122.100 第一数据通信装置
123.110 供电装置
124.111 供电用半导体激光器
125.111f 反馈用光电转换元件
126.111e 合成器(反馈用汇聚光学装置)
127.112 供电光
128.112f 反馈供电光
129.120 发送部
130.125 信号光
131.130 接收部
132.140 光输入输出部
133.141 光连接器
134.200a 光纤线缆
135.200 光纤线缆
136.200b 光纤线缆
137.210 纤芯
138.220 包覆层
139.250a 光纤
140.250 光纤
141.260 光纤
142.270 光纤
143.300 第二数据通信装置
144.310 受电装置
145.311 光电转换元件
146.311f 反馈用半导体激光器
147.311e 调光镜
148.312 控制装置
149.312e 控制装置
150.320 发送部
151.325 信号光
152.330 接收部
153.350 光输入输出部
154.351 光连接器。