(57)【要約】【課題】本開示は、高効率な光伝送が可能な光学素子及び光給電システムを提供する。【解決手段】コア（２１０）と、コアの周囲に位置する第１クラッド（２２０）と、第１クラッドの周囲に位置する第２クラッド（２２５）とを有する光ファイバー（２５０）の一端に対向して配置される光学素子（３６０）である。そして、コアに対応する位置に配置された第１集光レンズ（３６２）と、第１集光レンズの周囲でかつ第１クラッドに対応する位置に配置された複数の第２集光レンズ（３６３）とを備える。光給電システムは、光ファイバー２５０の出力端に対向する光学素子（３６０）を備える。【選択図】図３
2020201329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、前記コアの周囲に位置する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に位置する第２クラッドとを有する光ファイバーの一端に対向して配置される光学素子であって、
前記コアに対応する位置に配置される第１集光レンズと、
前記第１集光レンズの周囲でかつ前記第１クラッドに対応する位置に配置される複数の第２集光レンズと、
を備える光学素子。
【請求項２】
前記複数の第２集光レンズの各々は、前記第１集光レンズの径よりも小さい径を有する、
請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記複数の第２集光レンズが密に並んでいる、
請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
光を透過する平板状の基体を備え、
前記第１集光レンズと前記複数の第２集光レンズは、片方に凸面を有する平凸レンズであり、
前記第１集光レンズと前記複数の第２集光レンズとが前記基体に結合されている、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１集光レンズ及び複数の第２集光レンズを含むレンズ集合体の前記光ファイバーに近い方に配置される屈折率調整部、反射防止部、又はこれら両方を、更に備える、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
コアと、前記コアの周囲に位置する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に位置する第２クラッドとを有する光ファイバーを介して、信号光と給電光とを伝送する光伝送システムであって、
前記光ファイバーの出力端に対向する請求項１から請求項５のいずれか一項の光学素子を備える光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学素子及び光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光ファイバーを介して伝送される複数の波長の光を分波する光合分波部品が開示されている。特許文献１の光合分波部品においては、光路の途中で光学フィルタが第１波長と第２波長の光を透過し、第３波長の光を反射して、複数の波長の光を複数のコアへ送る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２５０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバーを介して光を伝送する場合、光を効率的に伝送できることが望ましい。
【０００５】
本開示は、高効率な光伝送が可能な光学部品及び光給電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の光学素子は、コアと、前記コアの周囲に位置する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に位置する第２クラッドとを有する光ファイバーの一端に対向して配置される光学素子であって、
前記コアに対応する位置に配置された第１集光レンズと、
前記第１集光レンズの周囲でかつ前記第１クラッドに対応する位置に配置された複数の第２集光レンズと、を備える。
【０００７】
本開示の光伝送システムは、コアと、前記コアの周囲に位置する第１クラッドと、前記第１クラッドの周囲に位置する第２クラッドとを有する光ファイバーを介して、信号光と給電光とを伝送する光伝送システムであって、
前記光ファイバーの出力端に対向する上記の光学素子を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、高効率な光伝送が可能な光学素子及び光給電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。
【図２】図１の光学素子を示す正面図である。
【図３】図１の光学素子及びその周辺を示す図である。
【図４】光学素子の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、実施形態の光ファイバー給電システムを示す構成図である。
【００１１】
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１は、光ファイバー２５０を介した給電と光通信とを行う光伝送システムである。光ファイバー給電システム１は、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。さらに、光ファイバー給電システム１は、光学素子３６０を備える。光学素子３６０は、第２のデータ通信装置３００に含まれてもよい。
【００１２】
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（DTEP: 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。
【００１３】
光ファイバーケーブル２００は、光ファイバー２５０を含む。光ファイバー２５０は、信号光の伝送路を形成するコア２１０と、コア２１０の周囲に配置され、給電光の伝送路を形成するクラッド（第１クラッドに相当）２２０と、クラッド２２０の周囲に配置される外クラッド２２５（第２クラッドに相当）とを有する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
＜光学素子＞
図２は、図１の光学素子を示す正面図である。図３は、図１の光学素子及びその周辺を示す図である。光学素子３６０は、光ファイバー２５０の出力端面に対向し、光ファイバー２５０から出力される信号光１２５と給電光１１２とに分ける。光学素子３６０は、光を透過する平板状の基体３６１と、第１集光レンズ３６２と、複数の第２集光レンズ３６３とを含んだレンズ集合体３６５を備える。
【００２９】
第１集光レンズ３６２及び複数の第２集光レンズ３６３の各々は、片方に凸面を有する平凸レンズであり、平らな方が基体３６１に結合されていてもよい。第２集光レンズ３６３の径Ｌ２は、第１集光レンズ３６２の径Ｌ１よりも小さい。複数の第２集光レンズ３６３は、互いに同一の径Ｌ２を有してもよいし、幾つかが異なる径を有してもよい。
【００３０】
第１集光レンズ３６２は、光ファイバー２５０のコア２１０に対応する位置に配置される。複数の第２集光レンズ３６３は、クラッド２２０に対応する位置に配置される。コア２１０に対応する位置とは、コア２１０から出力されたレーザー光が伝搬する位置に相当する。クラッド２２０に対応する位置とは、クラッド２２０から出力されたレーザー光が伝搬する位置に相当する。
【００３１】
複数の第２集光レンズ３６３は、密に並んでいる。例えば、複数の第２集光レンズ３６３はハニカム配列されている。複数の第２集光レンズ３６３の各々は、第１集光レンズ３６２のレンズ軸の方向から見て円形であってもよい。円のハニカム配列とは、複数の正六角形を仮想した場合に、円が複数の正六角形の各内接円となる配列を意味する。このような配置により、第１集光レンズ３６２を中心とする径方向及び周方向に複数の第２集光レンズ３６３が密に並んだ構成が実現される。
【００３２】
図３に示すように、信号用フォトダイオード３３１は、第１集光レンズ３６２の軸方向で、信号光１２５が集光される位置に配置される。受電装置３１０の光電変換素子３１１は、複数の第２集光レンズ３６３が給電光１１２を集光する位置に配置される。光電変換素子３１１は、複数に分割され、信号用フォトダイオード３３１の周囲に分散配置されてもよい。複数の第２集光レンズ３６３それぞれのレンズ軸の方向は、分散配置された複数の光電変換素子３１１に給電光１１２を集めるよう、各第２集光レンズ３６３の周方向及び径方向の配置に応じて異なる方向であってもよい。
【００３３】
なお、光学素子３６０が分けた信号光１２５を、光ファイバー２５０とは異なる第２の光ファイバーを介して信号用フォトダイオード３３１まで導く構成が採用されてもよい。この場合、図３の信号用フォトダイオード３３１の位置に第２の光ファイバーの入力面が配置されてもよい。同様に、光学素子３６０が分けた給電光１１２を、光ファイバー２５０とは異なる第３の光ファイバーを介して光電変換素子３１１まで導く構成が採用されてもよい。この場合、図３の光電変換素子３１１の位置に第３の光ファイバーの入力面が配置されてもよい。
【００３４】
第１集光レンズ３６２及び複数の第２集光レンズ３６３は、例えばナノインプリント技術を用いて形成することができる。ナノインプリント技術とは、対象形状が凹凸反転して形成されたモールドを、被成形材料である樹脂に押し付け、対象形状を転写する技術である。光学素子３６０の第１集光レンズ３６２及び複数の第２集光レンズ３６３は、その他、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工技術、あるいは、金型成形など、様々な技術を用いて形成してもよい。
【００３５】
＜光学素子の作用＞
第１のデータ通信装置１００から入力された給電光１１２及び信号光１２５は、互いの波長が異なり、それぞれ光ファイバー２５０のコア２１０とクラッド２２０とを伝搬する。他端２０２において、光ファイバー２５０のコア２１０から出力された信号光１２５は、光学素子３６０の第１集光レンズ３６２を通過し、信号用フォトダイオード３３１に集光される。クラッド２２０から出力された給電光１１２は、多くが複数の第２集光レンズ３６３のいずれかを通過し、光電変換素子３１１に集光される。複数の第２集光レンズ３６３の隙間を通過する給電光１１２の一部は、光電変換素子３１１に入力しない。しかし、クラッド２２０の端面の面積に対して複数の第２集光レンズ３６３の隙間の面積の割合は少ない。したがって、クラッド２２０から出力された給電光１１２のうち、光電変換素子３１１から外れる割合は少なく、高効率な光伝送及び高効率な光電変換が実現される。
【００３６】
第２のデータ通信装置３００から出力される信号光３２５は、第１集光レンズ３６２を通過して光ファイバー２５０のコア２１０へ送られる。
【００３７】
以上のように、本実施形態の光学素子３６０によれば、コア２１０に対応する位置に配置された第１集光レンズ３６２と、クラッド２２０に対応する位置に配置された複数の第２集光レンズ３６３とを有する。したがって、第１集光レンズ３６２と第２集光レンズ３６３とにより、少ない損失で給電光１１２と信号光１２５とを分けることができる。
【００３８】
さらに、本実施形態の光学素子３６０によれば、第２集光レンズ３６３の径が第１集光レンズ３６２の径よりも小さい。しだかって、第２集光レンズ３６３を密に配置することができ、給電光１１２の損失をより低減できる。
【００３９】
さらに、本実施形態の光学素子３６０によれば、複数の第２集光レンズ３６３が例えばハニカム配列等により密に配置されているので、給電光１１２の損失がより低減される。
【００４０】
さらに、本実施形態の光学素子３６０によれば、基体３６１と、基体３６１に結合された第１集光レンズ３６２及び複数の第２集光レンズ３６３とを有するレンズ集合体３６５を備える。したがって、光学素子３６０の取扱い容易性が向上する。
【００４１】
本実施形態の光ファイバー給電システム１によれば、上述の作用効果が得られる光学素子３６０が光ファイバー２５０の出力端面に対向しているので、信号光１２５及び給電光１１２の高効率な伝送を実現できる。
【００４２】
（変形例）
図４は、光学素子の変形例を示す図である。光学素子３６０は、レンズ集合体３６５と、レンズ集合体３６５の光ファイバー２５０に近い方に配置される光ファイバー側光学素子３６７とを備えていてもよい。
【００４３】
光ファイバー側光学素子３６７は、屈折率調整部、反射防止部又はこれら両方の機能を備える。屈折率調整部としての機能は、例えば、光ファイバー２５０の出力端面から出力されるレーザー光の広がり角を調整する両凸レンズ、平凸レンズ、フルネルレンズ、非球面レンズ、平面レンズなどにより実現されてもよい。反射防止部としての機能は、反射防止のコーティングにより実現されてもよい。あるいは、反射防止部としての機能は、光ファイバー側光学素子３６７の入力端面と光ファイバー２５０の出力端面とに同一方向の傾斜が形成されることで実現されてもよい。
【００４４】
なお、図４では、光ファイバー側光学素子３６７とレンズ集合体３６５とを別構成とした例を示したが、光ファイバー側光学素子３６７とレンズ集合体３６５とは一体化されてもよい。
【００４５】
以上のように、変形例の光学素子３６０によれば、光ファイバー側光学素子３６７の屈折率調整部としての機能、反射防止部としての機能、又はこれら両方により、信号光１２５及び給電光１１２の伝送効率をより向上できる。
【００４６】
以上、実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態では、第１集光レンズと第２集光レンズとを平凸レンズとした例を示したが、これらは両凸レンズ、メニスカスレンズなど、集光作用が得られる種々のレンズであってもよい。複数の第２集光レンズは、レンズ軸方向から見て円形に限られず、例えば六角形状など、その他の形状であってもよい。また、上記実施形態では、第１集光レンズ及び複数の第２集光レンズが平板状の基体と結合した例を示したが、例えば第１集光レンズ及び複数の第２集光レンズの各縁部が接着されて互いに支持及び固定される構造など、様々な支持構造が適用されてもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  光ファイバー給電システム（光伝送システム）
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
１１２  給電光
１２０  発信部
１２５  信号光
１３０  受信部
２００  光ファイバーケーブル
２１０  コア
２２０  クラッド（第１クラッド）
２２５  外クラッド（第２クラッド）
２５０  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
３２０  発信部
３２５  信号光
３３０  受信部
３３１  信号用フォトダイオード
３６０  光学素子
３６１  基体
３６２  第１集光レンズ
３６３  第２集光レンズ
３６５  レンズ集合体
３６７  光ファイバー側光学素子（屈折率調整部、反射防止部）
【図１】
2020201329.tif 000003
【図２】
2020201329.tif 000004
【図３】
2020201329.tif 000005
【図４】
2020201329.tif 000006