特開 2024-17112 給電光を用いて光通信を行うシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024017112

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】給電光を用いて光通信を行うシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/80 20130101AFI20240201BHJP

【ＦＩ】

H04B10/80

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022119544

(22)【出願日】2022-07-27

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504300088

【氏名又は名称】国立大学法人北海道国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】飯田 裕之

(72)【発明者】

【氏名】半澤 信智

(72)【発明者】

【氏名】松井 隆

(72)【発明者】

【氏名】山下 陽子

(72)【発明者】

【氏名】大本 航平

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

(72)【発明者】

【氏名】黒河 賢二

【テーマコード（参考）】

5K102

【Ｆターム（参考）】

5K102AA01

5K102AD01

5K102AL12

5K102AL15

5K102AN02

5K102AN03

5K102KA06

5K102KA31

5K102PH47

5K102PH48

5K102PH49

5K102PH50

(57)【要約】

【課題】本開示は、光給電量の制約を緩和した光給電と双方向光通信とを１本の光ファイバで実現可能にすることを目的とする。
【解決手段】本開示は、複数の装置を接続するマルチコア光ファイバを備え、前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて通信光を伝送し、前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて給電光を伝送し、前記マルチコア光ファイバにおける給電光を伝送するコアと通信光を伝送するコアが異なり、前記マルチコア光ファイバは、通信光及び給電光を単一モード又は擬似単一モードで伝送する、システムである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の装置を接続するマルチコア光ファイバを備え、
前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて通信光を伝送し、
前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて給電光を伝送し、
前記マルチコア光ファイバにおける給電光を伝送するコアと通信光を伝送するコアが異なり、
前記マルチコア光ファイバは、通信光及び給電光を単一モード又は擬似単一モードで伝送する、
システム。

【請求項2】

前記通信光の波長が、前記給電光の波長よりも短波長である、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記マルチコア光ファイバに備わる２以上のコアを用いて給電光を伝送することを特徴とする、
請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記給電光を受信する遠端装置は、
光を電気に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子から出力された電力を用いて通信光を送信する送信器と、
前記光電変換素子から出力された電力を用いて通信光を受信する受信器と、
を備えることを特徴とする、
請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記マルチコア光ファイバが４個のコアを有し、
前記４個のコアのうちの２個のコアを用いて給電光を伝送し、
前記４個のコアのうちの残りの２個のコアを用いて、伝送方向の異なる通信光を伝送することを特徴とする、
請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記マルチコア光ファイバが４個のコアを有し、
前記４個のコアのうちの３個のコアを用いて給電光を伝送し、
前記４個のコアのうちの残りの１個のコアを用いて、伝送方向及び波長の異なる通信光を伝送することを特徴とする、
請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

複数の装置がマルチコア光ファイバで接続されているシステムが実行する方法であって、
前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて通信光を伝送し、
前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて給電光を伝送し、
前記マルチコア光ファイバにおける給電光を伝送するコアと通信光を伝送するコアが異なり、
前記マルチコア光ファイバは、通信光及び給電光を単一モード又は擬似単一モードで伝送する、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、給電光を用いて光通信を行うシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

給電光を用いて光通信を行うシステムが提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照。）。非特許文献１で開示された第１の手法では、２本の光ファイバを用い、２本のうち１本の光ファイバを光給電に、他方の光ファイバを光通信に適用し、近端装置から遠端装置への光給電と、近端装置と遠端装置との双方向光通信と、を行う。この方法では、２本の光ファイバとして、既存単一モード光ファイバ２本を用いるか、又は既存多モード光ファイバ２本を用いるか、又は既存単一モード光ファイバ１本と既存多モード光ファイバ１本２本の光ファイバを用いている。

【0003】

非特許文献１で開示された第２の手法では、既存単一モード光ファイバ１本、もしくは既存多モード光ファイバ１本を用い、波長の異なる給電光と通信光を多重することで、近端装置から遠端装置への光給電と、近端装置と遠端装置との双方向光通信を行う。

【0004】

非特許文献２で開示された第３の手法では、ダブルクラッド構造光ファイバ／数モード光ファイバを用い、給電光を高次モード／多モードの領域で、通信光を基本モード／単一モードの領域で伝送することにより、近端装置から遠端装置への光給電と、近端装置と遠端装置との双方向光通信を行う。ここで、ダブルクラッド構造光ファイバは、高次モードおよび基本モードを伝送する領域を光ファイバ断面内で多重した光ファイバである。また数モード光ファイバは、特定の波長帯で多モード伝送を、前記特定の波長帯よりも長波長側で単一モード伝送を行う構造を有する光ファイバである。

【0005】

第１の手法では、２本の光ファイバを必要とするため、システム構成が煩雑化しコストが増大する。
第２の手法では、単一モード光ファイバでは、光非線形効果による入力光電力の上限により、遠端装置への光給電量が制限される、また多モード光ファイバでは、通信速度および伝送距離が多モード伝送による特性劣化により制限される。
第３の手法では、光ファイバ構造が複雑化し、給電波長および通信波長が光ファイバ構造で制約される。また、通信波長が１波長の場合は、双方向の同時通信が行えない。
第２および第３の手法では、一般に給電に適した高次モード／多モードの領域が短波長側になるため、通信波長帯が給電波長によるラマン散乱特性により劣化する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】非特許文献１．Ｄ． Ｗａｋｅ ｅｔ ａｌ．， “Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｐｏｗｅｒｅｄ ｒｅｍｏｔｅ ｕｎｉｔｓ ｆｏｒ ｒａｄｉｏ－ｏｖｅｒ－ｆｉｂｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ，” Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ２６， ２４８４－２４９１ （２００８）．

【非特許文献2】Ｍ． Ｍａｔｓｕｕｒａ ｅｔ ａｌ．， “１５０－Ｗ ｐｏｗｅｒ－ｏｖｅｒ－ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ－ｃｌａｄ ｆｉｂｅｒｓ，” Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ３８， ４０１－４０８ （２０２０）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示は、光給電量の制約を緩和した光給電と双方向光通信とを１本の光ファイバで実現可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、マルチコア光ファイバを光給電に供することで、既存の単一コア単一モード光ファイバにおける給電光の入力制限を改善する。これにより、本開示は、近端装置から遠端装置への光給電と、近端装置と遠端装置との双方向光通信を、単一モード光ファイバで同時に実現すると同時に、単一モード光給電による光給電量の制約をなくし、給電波長と通信波長の多重による通信波長特性の劣化を防ぐ。

【0009】

本開示のシステムは、複数の装置を接続するマルチコア光ファイバを備え、本開示の方法を実行する。本開示の方法は、複数の装置がマルチコア光ファイバで接続されているシステムが実行する方法であって、前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて通信光を伝送し、前記マルチコア光ファイバに備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて給電光を伝送する。

【0010】

ここで、本開示では、前記マルチコア光ファイバにおける給電光を伝送するコアと通信光を伝送するコアが異なる。また、前記マルチコア光ファイバは、通信光及び給電光を単一モード又は擬似単一モードで伝送する。これにより、本開示は、光給電量の制約を緩和した光給電と双方向光通信とを１本の光ファイバで実現可能にする。

【0011】

また、前記通信光の波長が、前記給電光の波長よりも短波長であってもよい。本開示は、給電波長を通信波長よりも長波長側に設定することで、給電光によるラマン散乱の影響を緩和することができる。

【0012】

また、前記マルチコア光ファイバは、前記給電光を伝送するコアが２以上であってもよい。これにより、遠端装置において、より大きな電力を得ることができる。

【0013】

前記給電光を受信する遠端装置は、
光を電気に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子から出力された電力を用いて通信光を送信する送信器と、
前記光電変換素子から出力された電力を用いて通信光を受信する受信器と、
を備えていてもよい。

【0014】

本開示のシステムは、前記マルチコア光ファイバが４個のコアを有し、前記４個のコアのうちの２個のコアを用いて給電光を伝送し、前記４個のコアのうちの残りの２個のコアを用いて、伝送方向の異なる通信光を伝送する態様を採用しうる。

【0015】

本開示のシステムは、前記マルチコア光ファイバが４個のコアを有し、前記４個のコアのうちの３個のコアを用いて給電光を伝送し、前記４個のコアのうちの残りの１個のコアを用いて、伝送方向及び波長の異なる通信光を伝送する態様を採用しうる。

【0016】

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0017】

本開示は、光給電量の制約を緩和した光給電と双方向光通信とを１本の光ファイバで実現可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本開示のシステム構成例を示す。

【図2】本実施形態例で使用したマルチコア光ファイバの光学特性の一例を示す。

【図3】入力給電光パワーの入力コア数依存性を示す。

【図4】ＯＥ変換後電力の入力コア数依存性を示す。

【図5】双方向通信の符号誤り率の受信光強度依存性を示す。

【図6】本開示のシステム構成例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

【0020】

（実施形態例１）
図１に本開示のシステムの構成図を示す。本実施形態のシステムは、近端装置９１及び遠端装置９５がマルチコア光ファイバ９３で接続され、近端装置９１及び遠端装置９５が双方向通信を行う、給電・双方向通信システムである。以下、１例として、通常の単一モード光ファイバと同等の光学特性を有するコアを、直径１２５μｍのクラッド内に正方格子状に４個配列したマルチコア光ファイバ９３を用いた給電・双方向通信システムについて説明する。

【0021】

本実施形態の給電・双方向通信システムは、マルチコア光ファイバ９３に備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて通信光を伝送し、マルチコア光ファイバ９３に備わる複数のコアのうちの少なくとも１つを用いて給電光を伝送する。例えば、本実施形態では、通信光の通信波長にλ１およびλ２を用い、給電光の給電波長にλ３を用いる。ここで、本開示の給電・双方向通信システムでは、λ１およびλ２はλ３よりも短波長側に設定され、これによりλ３によるラマン散乱の影響が回避される。

【0022】

例えば、近端装置９１は波長λ１の送信器（Ｔｘ）１１、波長λ２の受信器（Ｒｘ）１２、並びに波長λ３の給電光源１３を有する。給電光源１３からの給電光は２ポートに分岐され、λ１およびλ２のポートと共に合分波装置９２を介してマルチコア光ファイバ９３の第１から第４のコアに接続される。例えば、送信器１１は第１のコアに接続され、受信器１２は第２のコアに接続され、給電光源１３は第３及び第４のコアに接続される。このように、本実施形態では、マルチコア光ファイバ９３において、給電光を伝送するコアと通信光を伝送するコアが異なり、２個のコアを用いて伝送方向及び波長の異なる通信光を伝送する。

【0023】

ここで、合分波装置９２は、近端装置９１からの４つの光を異なるコアに結合させることの可能な任意の手段を用いることができ、例えば、ＷＤＭカプラ、パワーカプラ、Ｆａｎ－Ｉｎ／Ｆａｎ－Ｏｕｔ（ＦＩＦＯ）デバイス等が例示できる。合分波装置９４についても、マルチコア光ファイバ９３に備わるコアごとに分離可能な任意の手段を用いることができ、合分波装置９２と同様のものを用いることができる。

【0024】

遠端装置９５は、波長λ１の受信器５１、波長λ２の送信器５２、並びに波長λ３の光電（ＯＥ）変換素子５３を有する。各装置／素子は、それぞれマルチコア光ファイバ９３の第１から第４のコアと接続される。例えば、受信器５１は第１のコアに接続され、送信器５２は第２のコアに接続され、ＯＥ変換素子５３は第３及び第４のコアに接続される。

【0025】

さらに、遠端装置９５でＯＥ変換された電力は、適切な電気回路を介して、受信器５１および送信器５２の電源として供給される。本構成により、遠端装置９５は無電源状態であっても、近端装置９１からの給電により双方向通信を行うことができる。

【0026】

図２に本実施形態例で使用したマルチコア光ファイバ９３の光学特性の一例を示す。本実施形態例では、遮断波長は１２６０ｎｍ未満であり、モードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）は８．６μｍ、曲げ損失は０．１ｄＢ未満、ゼロ分散波長は１３００以上１３２０ｎｍ以下、クロストーク（ＸＴ）は－４７ｄＢ／ｋｍ未満のものを用いた。ここで、ＭＦＤは１３１０ｎｍでの値を示し、曲げ損失及びクロストークは波長１６２５ｎｍでの値を示す。また曲げ損失は、曲げ半径３０ｍｍで１００回巻いた状態での値である。マルチコア光ファイバ９３の各コアの伝送特性は、単一モードもしくは擬似単一モード伝送を実現できればよく、任意の光学特性を設定できるが、既存の汎用送受信装置を流用できるため、汎用単一モード光ファイバ（例えば、ＩＴＵ－Ｔ勧告Ｇ．６５２に準拠する光ファイバ）と同等の光学特性を有することが望ましい。

【0027】

本開示の実施形態例１に用いたマルチコア光ファイバ９３は、いずれのコアもＩＴＵ－Ｔ勧告Ｇ．６５２に準拠する光学特性を満足し、波長１２６０ｎｍ以上で単一モード動作する。なお、既存光ファイバ標準にはクロストークの規定がないが、使用波長において、受信端で概ね－２０ｄＢ以下のクロストーク特性が得られれば良好な伝送特性を得ることができる。本実施形態例のマルチコア光ファイバ９３では約２．６ｋｍ伝搬後も波長１６２５ｎｍ以下で－４０ｄＢ未満のクロストーク特性が実現できる。

【0028】

図３及び図４に、入力給電光電力およびＯＥ変換後電力の入力コア数依存性を示す。入力給電光パワーは、給電光源１３から出力され、マルチコア光ファイバ９３のコアに入力される合計の給電光パワーである。ＯＥ変換後電力は、遠端装置９５におけるＯＥ変換後の電力である。本実施形態例では、給電波長を１５５０ｎｍに設定し、近端装置９１から遠端装置９５までの伝送距離を２．６ｋｍに設定した。

【0029】

図３及び図４によれば、給電光を複数のコアに分配して伝搬することにより、単一コアを使用する場合よりも、受信端である遠端装置９５において、より大きな給電光およびＯＥ変換電圧を得られることがわかる。本実施形態例で用いた受信器５１および送信器５２の駆動電力は６００ｍＷであり、２コアで給電光を分配することにより、遠端で受信器５１および送信器５２を駆動するのに十分は電力が光給電できる。

【0030】

図５に双方向通信の符号誤り率（ＢＥＲ）の受信光強度依存性を示す。ここで、送信器１１および受信器１２は近端装置９１の商用電源を用いて駆動し、遠端装置９５側の受信器５１および送信器５２は給電光により得られた電力を用いて駆動した。なお、伝送光は１．２５Ｇｂit／ｓの強度変調信号で、ＰＲＢＳ（Ｐｓｅｕｄｏ－Ｒａｎｄｏｍ Ｂｉｎａｒｙ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）は２^１５－１に設定した。また本実施形態例では、λ１とλ２は共に１３１０ ｎｍに設定した。

【0031】

図中において、□は近端装置９１に備わる送信器１１から送信され、遠端装置９５に備わる受信器５１にて受信された信号のＢＥＲ（Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）を示し、●は遠端装置９５に備わる送信器５２から送信され、近端装置９１に備わる受信器１２で受信された信号のＢＥＲを示す。給電光を用いた場合であっても、良好な伝送特性が実現されていることがわかる。

【0032】

（実施形態例２）
図６に本開示の第２の実施形態例の給電・双方向通信システムの構成図を示す。本実施形態の給電・双方向通信システムは、近端装置９１および遠端装置９５の構成、並びにマルチコア光ファイバ９３の特性は実施形態例１と同様とする。但し、送信器１１及び受信器１２は第１のコアに接続され、給電光源１３は第２、第３及び第４のコアに接続される。

【0033】

給電光源１３からの給電光は３ポートに分岐され、マルチコア光ファイバ９３の第２のコアから第４のコアに入射され、第１のコアを伝搬する信号光はＷＤＭカプラ等を介して、送信器５２又は受信器５１、或いは受信器５１と送信器５２の両方に接続される。

【0034】

ここで、送信器１１及び受信器５１の通信波長をλ１、送信器６２及び受信器１２の通信波長をλ２、給電波長をλ３とする。本実施形態では、マルチコア光ファイバ９３において、給電光を伝送するコアと通信光を伝送するコアが異なり、１個のコアを用いて伝送方向及び波長の異なる通信光を伝送する。

【0035】

例えば、λ１を１３１０ｎｍ、λ２を１５５０ｎｍ、λ３を１５６０ｎｍとする場合、給電波長で生じるラマンスペクトルは約１００ｎｍ程度長波長側に発生し、当該波長で隣接コアのクロストーク成分が増大する。しかし、λ１およびλ２はλ３よりも短波長側に設定されているため、クロストーク雑音の影響は受けない。

【0036】

一方、λ３をλ２よりも短波長（例えば、１４５０ｎｍ）、あるいはλ１よりも短波長（例えば、１１６０ｎｍ）に設定した場合、給電波長のラマンスペクトル成分により、λ３が１４５０ｎｍの場合はλ２の信号光が、λ３が１１６０ｎｍの場合はλ１の信号光がクロストーク雑音により劣化する。

【0037】

従って、第２の実施形態例では、λ１＜λ２＜λ３とすることにより、好適な双方向通信を実現することができる。

【0038】

なお、上述のマルチコア光ファイバ９３では直径１２５μｍのクラッド内に正方格子状に４個配列されている例を示したが、マルチコア光ファイバ９３のクラッド径、クラッド径に備わるコアの数及び配列は任意である。例えば、マルチコア光ファイバ９３は、８個など、５個以上のコアを備えていてもよい。

【0039】

また、給電波長がλ３のみである例を示したが、２以上の給電波長を用いてもよい。この場合、全ての給電波長を全ての通信よりも長波長にすることで、本開示の効果が得られる。

【符号の説明】

【0040】

１１、５２：送信器
１２、５１：受信器
１３：給電光源
５３：光電（ＯＥ）変換素子
９１：近端装置
９２、９４：合分波装置
９３：マルチコア光ファイバ
９５：遠端装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】