JP2018064231A

JP2018064231A - 光通信システム及び給電方法

Info

Publication number: JP2018064231A
Application number: JP2016202575A
Authority: JP
Inventors: 一貴原; Kazutaka Hara; 日下部　貴之; Takayuki Kusakabe; 貴之日下部; 康隆木村; Yasutaka Kimura
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

【課題】本発明は、光源の数を低減し、スペースの効率化と低消費電力化を図る光通信システム及び給電方法を提供することを目的とする。【解決手段】親局が、光源からの出力光を送信し、子局が、親局から送信された光を光スプリッタで分岐し、分岐された一方の光を被変調光として用い、他方の光を給電に用いる。本発明は、親局において、給電用の光源と被変調光用の光源とを個別に設ける必要がなくなり、省スペース化や低消費電力化を図ることができる。【選択図】図１

Description

本開示は、光ファイバを介して親局から子局に電力を供給することで、子局側の電力供給源を不要とし、子局側で収集した情報を親局に伝送する光通信システム及び給電方法に関するものである。

近年、ＩＰデータ通信だけではなくＩｏＴ（ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ）／Ｍ２Ｍ（ＭａｃｈｉｎｅｔｏＭａｃｈｉｎｅ）、４Ｋ／８Ｋ高精細映像配信サービス、オンライン動画配信サービス、ＳＮＳによる動画アップロード等、多種多様なアプリケーションやサービスが急速に普及してきた。特にコンピュータなどの情報／通信機器だけでなく、世の中に存在する様々な「モノ」に通信機能を持たせ、インターネットに接続し、相互に通信を行うことにより、自動認識、自動制御、遠隔計測などを行うＩｏＴは社会的な要請によるニーズの側面と、デバイスの低廉化によるシーズの側面がマッチしたことにより飛躍的な市場拡大が予測される。

ＩｏＴの一例として、遠隔地で所定の物理量（電流、電圧、気圧、気温、水量、湿度、ｅｔｃ…．）を取得し、これらデータをセンタ側でビッグデータ解析することで、解析結果を新たなビジネスに活用するシーンが挙げられる。遠隔地での各種データ収集には主にセンサが利用されるが、センサを駆動させるためには電力源が必要であり、電力線が敷設されていない遠隔地や、電力線を使用できない場所に給電するための給電システムとして、光ファイバより構成される光伝送路を介した光給電システムが有効である。光給電システムは、給電側（親局）にハイパワーなレーザ光源を用いて光エネルギーを発生させ、被給電側（子局）ではＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）や太陽電池により電気エネルギーに光電変換する構成が挙げられ、３０％程度の高い変換効率が報告されている。また、近年では１Ｗ級の通信用レーザも製品化されており、これらを組みわせることにより数百ｍＷの電力を供給できる光給電システムが実現可能である。このように光給電システムは、光ファイバを介してセンサ等へ電力を供給することで、電源用電気配線の工事、現地での電気供給設備の敷設、雷害対策、電気ノイズ対策を不要とする多くのメリットが挙げられ実現に向けた様々な報告がなされている。

例えば、特許文献１では、ハイパワーの光エネルギー伝送によってファイバの接続部に損傷が生じてしまう事を懸念し、マルチコアファイバを用いた方法が開示されている。特許文献２では、波長分割多重：ＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式により、給電用と信号用とを同一ファイバ上で伝送させる方法が開示されている。

特開２０１４−０４２１６６号公報特許第４６４１７８７号

ＩｏＴのコンセプトは、様々な「モノ」がインターネットにつながり、情報のやり取りや収集を行うことで、「モノ」のデータ化やそれに基づく自動化等が進展し、新たな付加価値を生み出すというものである。従って、ＩｏＴに光給電システムを適用するためには子局側に配置されるセンサ等へ給電すると共にセンサ等からの収集した情報を光信号として親局へ送信する仕組みが必要となる。

特許文献１では、給電方式については明記されているがセンサデバイス等からの子局側のデータを親局側へ送信する方式については記載されていない。特許文献２は、子局側で収集したデータをセンタ側へ送信するために予め親局側に光源を設けることで、子局側の光源を不要とする方式が明記されている。しかしながら、特許文献２では親局側に給電用レーザ光源と子局側で収集したデータをセンタ側へ送信するためのレーザ光源とを設ける必要があり、レーザ光源を設置するスペースや省電力化の観点から非効率であるという課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、光源の数を低減し、スペースの効率化と低消費電力化を図る光通信システム及び給電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光通信システム及び給電方法は、親局から子局へ供給光を送信し、供給光の一部を上り信号の被変調光とし、他を給電光として受信することとした。

具体的には、本発明に係る光通信システムは、親局と子局とを光伝送路で接続した光通信システムであって、
前記親局は、前記子局から前記親局への上り信号のための被変調光を含む供給光を前記子局へ送信する送信手段を備え、
前記子局は、前記親局からの前記供給光を前記被変調光と給電光とにパワー分岐する光スプリッタと、前記光スプリッタで分岐された前記被変調光を変調して前記親局へ送信する光変調器と、前記光スプリッタで分岐された前記給電光を受光して電力に変換する光電変換器と、を備えることを特徴とする。

具体的には、本発明に係る給電方法は、親局と子局とを光伝送路で接続した光通信システムにおいて光を利用して前記子局へ電力を供給する給電方法であって、
前記子局から前記親局への上り信号のための被変調光を含む供給光を前記親局から前記子局へ送信する送信手順と、
前記親局からの前記供給光を前記被変調光と給電光とにパワー分岐する光分岐手順と、
前記光分岐手順で分岐された前記被変調光を変調して前記親局へ送信する光変調手順と、
前記光分岐手順で分岐された前記給電光を受光して電力に変換する光電変換手順と、
を行うことを特徴とする。

本発明は、親局が、光源からの出力光を送信し、子局が、親局から送信された光を光スプリッタで分岐し、分岐された一方の光を被変調光として用い、他方の光を給電に用いる。本発明は、親局において、給電用の光源と被変調光用の光源とを個別に設ける必要がなくなり、省スペース化や低消費電力化を図ることができる。

従って、本発明は、光源の数を低減し、スペースの効率化と低消費電力化を図る光通信システム及び給電方法を提供することができる。

本発明に係る光通信システムの前記子局は、前記光電変換器が光電変換した電力を蓄積する蓄電回路をさらに備える。子局に接続されるセンサの駆動電力範囲を光電変換器律速から蓄電回路の容量律速とすることができ、消費電力の大きいセンサや複数のセンサ群を動作させることが可能となる。

本発明に係る光通信システムの前記子局は、前記光電変換器が光電変換した電力をバイアス電圧へ変換して前記光変調器に印加するバイアス回路をさらに備える。変調器へ一定のバイアス電圧を印加することで光変調器の最適バイアス電圧の個体差を吸収することができる。

本発明に係る光通信システムの前記光伝送路は、前記供給光を前記送信手段から前記子局へ送信する経路と前記被変調光を変調した光を前記光変調器から前記親局へ送信する経路とが異なることを特徴とする。親局と子局とを単一の経路で接続した場合（例えば、1芯双方向伝送）、親局と子局の双方に光サーキュレータや方向性結合器が必要となる。親局から子局への下りの経路と子局から親局への上りの経路とを分けた場合（例えば、２芯構成）、光サーキュレータや方向性結合器が不要となり、子局からの変調信号に対するクロストークを低減できるとともに、光サーキュレータや方向性結合器分のコストを削減することができる。

本発明は、光源の数を低減し、スペースの効率化と低消費電力化を図る光通信システム及び給電方法を提供することができる。

本発明に係る光通信システムを説明する図である。本発明に係る光通信システムの動作を説明する図である。本発明に係る光通信システムを説明する図である。本発明に係る光通信システムを説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の光通信システム３０１を説明する構成図である。光通信システム３０１は、親局１０と子局２０とを光伝送路３０で接続した光通信システムであって、
親局１０は、子局２０から親局１０への上り信号のための被変調光を含む供給光を子局２０へ送信する送信手段（光源１１）を備え、
子局２０は、親局１０からの前記供給光を前記被変調光と給電光とにパワー分岐する光スプリッタ２１と、光スプリッタ２１で分岐された前記被変調光を変調して親局１０へ送信する光変調器２３と、光スプリッタ２１で分岐された前記給電光を受光して電力に変換する光電変換器２２と、を備える。

親局１０は、光電変換器２２へ給電するための給電光と子局２０から親局１０への被変調光を含む光を子局２０へ送信する送信手段（光源１１）を備える。子局２０は、親局１０から送信された光を給電光と被変調光に光強度を分配する光スプリッタ２１と、光スプリッタ２１で光強度分配された被変調光をループバックにより、変調して親局１０へ送信する光変調器２３と、光スプリッタ２１で光強度分配された前記給電光を受光して電力に変換する光電変換器２２と、を備える。また、子局２０は、情報を収集するセンサ４０が接続される。図中の破線は電気信号、実線は光信号の経路を示している。

本実施形態の場合、親局１０の送信手段は、前記給電光と前記被変調光を出力する光源１１である。光源１１は、光ファイバに結合可能な光源であれば限定されるべきものではなく、例えばコヒーレント光源であればＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）、インコヒーレント光であればＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源等が挙げられる。光源１１からの光は光サーキュレータ１２を介して光伝送路３０へ出力される。そして、センサ４０からのセンシングデータで変調された上り信号は光サーキュレータ１２を介して光受信器１３にて受信される。ここで、光源１１からの光と伝送路３０との結合、及び光伝送路３０からの上り信号と光受信器１３との結合には例として光サーキュレータ１２を挙げたが、これに限定されるべきものではなく方向性結合器（光カプラ）でも同様の効果が得られる。

一方、子局２０の光スプリッタ２１は、親局１０から送信された光を所定の分岐比で給電側に出力するポートと、被変調側に出力するポートとを備える。例えば、光スプリッタ２１の分岐比を９０：１０（給電側：被変調側）とした場合、送信された光強度の９０％を給電側へ、残り１０％を被変調側へ光強度を分配する。光電変換器２２は、光スプリッタ２１の前記給電側ポートからの光を受光して電力に変換し、子局２０の各デバイスやセンサ４０に供給する。光変調器２３は、光スプリッタ２１の被変調側ポートからの光を各センサ４０からのデータで光信号に変調する。光サーキュレータ２４は、光伝送路３０からの光を光スプリッタ２１に結合し、光変調器２３からの上り信号を光伝送路３０に結合する。ここで、伝送路３０からの光と光スプリッタ２１との結合、及び光変調器２３からの上り信号と光伝送路３０との結合には例として光サーキュレータ２４を挙げたが、これに限定されるべきものではなく方向性結合器（光カプラ）でも同様の効果が得られる。

上記構成において、親局１０内に設置される光源１１から送信された光は、親局側光サーキュレータ１２を介して光ファイバ伝送路３０へ送出される。子局２０へ到達した光信号は、子局側光サーキュレータ２４を介して光スプリッタ２１にて給電光と被変調光に所定の分岐比にて光強度が分配される。

光スプリッタ２１にて光強度が分配された被変調光は、光変調器２３にて各種センサ４０からの電気信号で光信号に変調され、子局側光サーキュレータ２４、光ファイバ伝送路３０、親局側光サーキュレータ１２を介して光受信器１３にて受信される。ここで光電変換器２２は、光信号を電流に変換する電流源として働き、例えば太陽電池やＰＤが挙げられる。また、光変調器２３はセンサ４０からの電気信号により入力された光の強度を変調して光信号に変換可能であれば限定されるべきものではなく、電気光学効果を利用したＬＮ（Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｎｉｏｂａｔｅ）やＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）等を利用した光ゲートが挙げられる。

図２は、図１における各ポイントＡ〜Ｆまでの周波数／時間領域でのスペクトル、及び波形を示したものである。なお、ここでは光源をＬＤ光源（波長λ１）、光スプリッタ２１の分岐比は９０：１０としている。図中の符号αは光サーキュレータ１２、２４での透過損失、及び光伝送路３０での伝送路損失の和を示している。

光通信システム３０１は、親局１０に設置するレーザ光源の数を低減し、親局１０のスペースの効率化、消費電力の低減に有効であると共に、子局２０への一切の電力供給源を不要とすることが可能である。

（実施形態２）
図３は、本実施形態の光通信システム３０２を説明する構成図である。光通信システム３０２と図１の光通信システム３０１との相違点は、親局１０から子局２０へ供給光を送信する経路３０ａと、子局２０から親局１０へ光変調器２３によって変調された信号光を送信する経路３０ｂとが異なることである。光通信システム３０２は、光サーキュレータや方向性結合器を持たず、センサ４０からのセンシングデータで変調された上り信号を伝送するための専用の経路３０ｂを備える。

光サーキュレータは、一般的に３ポートで構成され、ポート１に入射した光はポート２で、ポート２に入射した光はポート３で出射される。実施形態１において、親局１０側に設置されている光サーキュレータ１２は、ポート１が光源１１と接続され、ポート２は光伝送路３０と接続され、ポート３が受信器１３と接続されている。理想的には光サーキュレータはポート１からポート３へ光は出力されない（ダイレクティビティと呼ぶ）が、前記ダイレクティビティは有限の値を持っており親局１０から送信された一部の信号が光サーキュレータ１２を介して洩れ込み光として受信器１３に入力される。これは、センサ４０からのセンシングデータで変調された上り信号にとってはクロストークとなり、受信感度を劣化させる要因となる。方向性結合器においても、上記光サーキュレータと同様に有限のダイレクティビティの値を持つため、親局１０から送信された一部の信号が洩れ込み光として受信器１３に入力され、変調された上り信号にとってはクロストークとなる。

本実施形態は、上記課題を解決したものであって、光サーキュレータ１２及び２４を排除することで、より経済的な光通信システムを提供すると共に、前記受信感度を劣化させる要因となるクロストークを排除することが可能である。なお、動作原理については、光通信システム３０１と同様であるため説明を省略する。

光通信システム３０２は、親局１０に設置する光源の数を低減し、親局１０のスペースの効率化、消費電力の低減に有効であると共に、子局２０への一切の電力供給源を不要とし、光サーキュレータや方向性結合器を排除することでより経済的な光通信システムを提供すると共に、光サーキュレータや方向性結合器の洩れ込みによって発生するクロストークを排除することが可能である。

（実施形態３）
図４は、本実施形態の光通信システム３０３を説明する構成図である。光通信システム３０３と図１の光通信システム３０１との相違点は子局２０にバイアス回路２５及び蓄電回路２６（例えばコンデンサが挙げられる）が追加された点である。子局２０は、光電変換器２２が光電変換した電力を蓄積する蓄電回路２６、及び光電変換器２２が光電変換した電力をバイアス電圧へ変換して光変調器２３に印加するバイアス回路２５をさらに備える。

実施形態１で記載したように光変調器２３は主にＬＮ変調器が挙げられる。ＬＮ変調器の透過特性は、印加電圧（ＤＣバイアス電圧）の余弦の２乗に比例することが知られている。このため、ＬＮ変調器を使用するときは、ＤＣバイアス点を透過率５０％に設定することが一般的である。通常、ＬＮ変調器のＤＣバイアス電圧の最適電圧は個体差があり、ＬＮ変調器によっては印加電圧が０Ｖの時に変調光が出力されない（透過率０％）可能性がある。そのため、光通信システム３０３は、光電変換器２２で発生した電力の一部を利用して、ＤＣバイアス電圧をバイアス回路２５で生成して光変調器２３へ印加する。

また、各種センサ４０の駆動電力範囲は、光電変換器２２によって律速されていたが、蓄電回路２６を備えることで蓄電回路２６の容量に依存することになる。例えば、光電変換器２２を２０ｍＡの定電流源と仮定し、蓄電回路２６の容量値を１０^４μＦ、充電時間を１０ｓとすると２０Ｖの電圧が得られる。このように蓄電回路２６を備えることで、消費電力の大きいセンサや複数のセンサ群を動作させることが可能である。

光通信システム３０３は、親局１０に設置するレーザ光源の数を低減し、親局１０のスペースの効率化、消費電力の低減に有効であると共に、子局２０への一切の電力供給源を不要とし、蓄電回路２６を設けることで光電変換器２２の電力に無依存とすることが可能である。なお、本実施形態で説明した蓄電回路２６とバイアス回路２５は、実施形態２で説明した光通信システム３０２の構成にも適用できる。

（効果）
本発明は、子局側へ設置されたセンサへの電力供給源、及びデータ収集用光源を不要とするループバック型光給電システムにおいて親局側の給電用レーザ光源を不要とすることで、親局側を簡易な構成によりスペースの効率化、消費電力の低減を図ることができる。

１０：親局
１１：光源
１２：光サーキュレータ
１３：光受信器
２０：子局
２１：光スプリッタ
２２：光電変換器
２３：光変調器
２４：光サーキュレータ
２５：バイアス回路
２６：蓄電回路
３０、３０ａ、３０ｂ：光伝送路
４０：センサ
３０１〜３０３：光通信システム

Claims

親局と子局とを光伝送路で接続した光通信システムであって、
前記親局は、
前記子局から前記親局への上り信号のための被変調光を含む供給光を前記子局へ送信する送信手段を備え、
前記子局は、
前記親局からの前記供給光を前記被変調光と給電光とにパワー分岐する光スプリッタと、
前記光スプリッタで分岐された前記被変調光を変調して前記親局へ送信する光変調器と、
前記光スプリッタで分岐された前記給電光を受光して電力に変換する光電変換器と、
を備えることを特徴とする光通信システム。
前記子局は、
前記光電変換器が光電変換した電力を蓄積する蓄電回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光通信システム。
前記子局は、
前記光電変換器が光電変換した電力をバイアス電圧へ変換して前記光変調器に印加するバイアス回路をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信システム。
前記光伝送路は、
前記供給光を前記送信手段から前記子局へ送信する経路と前記被変調光を変調した光を前記光変調器から前記親局へ送信する経路とが異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光通信システム。
親局と子局とを光伝送路で接続した光通信システムにおいて光を利用して前記子局へ電力を供給する給電方法であって、
前記子局から前記親局への上り信号のための被変調光を含む供給光を前記親局から前記子局へ送信する送信手順と、
前記親局からの前記供給光を前記被変調光と給電光とにパワー分岐する光分岐手順と、
前記光分岐手順で分岐された前記被変調光を変調して前記親局へ送信する光変調手順と、
前記光分岐手順で分岐された前記給電光を受光して電力に変換する光電変換手順と、
を行うことを特徴とする給電方法。