光ファイバー給電による 低電力なセンサー網 東京農工大学 大学院工学研究院 先端電気電子部門 准教授 田中 洋介 光ファイバー給電型センサー網 給電も信号伝送も光ファイバーで行うセンサー網 プラントの 安全監視 監視 装置 ビル災害 監視 ピ ピ ピ △□ビルで 火災発生 光信号 レーザー 光ファイバー 無線用ノード 光ファイバー 無線 大気観測 センサー センサーノード 水位センサー 水流センサー 下水洪水 監視 送電線 監視 従来の代表的なセンシング技術 無線センサ網 BATTERY 分布型光ファイバセンサ レーザ ファイバ自体がセンサ センサに光源は不要 信号受信器 ラマン散乱、ブリュアン散乱、 FBG等 外部センサ型光ファイバセンサ 光源を持つセンサを利用 様々なセンシングが可能 信号受信器 & レーザ BATTERY 既存センシング技術と光給電型センサ網 Good ! 無線 分布型光 ファイバセ ンサ 設置の自由度 長距離 高感度 バッテリー フリー 外部センサ 長距離 型光ファイ 多種多様なセンサ バセンサ 光給電型セ ンサ Bad ! セ ン シ ン １ノード当 グ範囲 たりの消費 電力 バッテリー交換 電磁ノイズ ~30 m センサの種類 10 km< 中 バッテリー交換 10 km< 中 ? 10 km < 小 開発中 大 (ノード間) 光ファイバー給電型センサー網の構成 光給電型 無線ノード レーザ レーザ光供給 多種多様なセンサ 無線センサ レーザ 分布型光ファイバセンサ 無線センサ 外部センサ型光ファイバセンサ 光ファイバー給電型センサー網の利点 ■低電力で種類の豊富な半導体センサーを利用可能 ■レーザーにより高効率な光電変換効率が実現する(例：35%) ■1W程度の光源でも1,000点近いセンシングが可能 ■光ファイバーは低損失で、電磁雑音の影響を受けないため、比較的小 さな直流電力でも安定供給可能 ■細径で柔軟な光ファイバーは引き回しが容易 ■既設のダークファイバーを利用してシステム構築が可能 ■無線との連携で柔軟なセンサー配置を実現可能 光ファイバー給電型センサー網と 光給電型センサーノード レーザ 受光器 Sensor node Interface Splitter Microセンサノード processor PV Optical signal 監視装置 Optical MEMS modulator センサー 開発した光ファイバー給電型センサーノード センサーノード インタフェース スプリッター 太陽電池 マイクロ プロセッサ 光信号 光給電 低電力 光変調器 センサーノード センサー レーザ光 光信号 光信号 センサー 低電力な光信号生成技術 低電力変調器による光信号生成 光源内蔵型構成 光ファイバ 光信号 ■電力消費大 開発した光給電型センサノード 光給電 光信号 ■電力消費小 レーザ Battery センサ 光ファイバ PVセル マイクロミラー センサ マイクロミラー型低電力光変調器 ■ 偏波無依存 ■ 低電力（<W） ■ 高消光比 マイクロミラー ミラー 光MEMS変調器 変調信号 マイクロミラー型低電力光変調器による 高コントラストな光信号生成 ■NRZ 信号 (1kbps) ■静特性 0 30 dB < 光信号 Transmittance[dB] 入力電圧 -10 -20 50 dB -30 -40 -50 -60 0 2 4 6 Voltage[V] 8 10 レーザー光による高効率な光電変換の達成 70% 昇圧回路 360 μW ~3 V Photocurrent /mA センサノード 2 1.5 35% 40 30 1.4 mA 1 20 0.5 10 0 0.37 V 0 0 Vi C SW n 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Photovoltage /V Pin = 1.5 mW InGaAs PV セルのI-V 特性 (λ=1.55 μm) Vout 昇圧回路 Sensors Conversion efficiency[%] 520 μW PV 0.37 V L 負荷 光信号 光ファイバ Power conversion efficiency /% 光給電 40 0 Load[kΩ] 6 10 15 20 30 40 30 20 10 Optical input power 1.5mW 1.5mW+0.3mW 1.5mW-0.3mW 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Output voltage[V] センサーノードの信号処理 －デジタル信号出力 Bit rate: 1kbps Size: 11byte Voltage[V] ta a d ta a d D D I I 2 2 D or1 r1 r I r o o o t de ns s s s r p n n n a o o t e t e e e N S S S S S S 5 4 3 0 0.02 0.04 0.06 Time[s] 0.08 0.1 センサーノードの動作制御 －アクティブとスリープの切替え PV 昇圧回路 マイコン 監視装置 レーザ 受光器 センサ #1 センサ #2 Poewr EDLC: 電気二重層コンデンサ EDLC インタフェース 360 μW 1.5 mW センサ ノード Active time ~0.2 s ~4 mW Time センサ Sleep time (charging EDLC) >4s 信号同期の制御 Node #1 88 ms Node #2 Node #3 Pulse for sychronization = 1.5 μm Laser 10 km Max. 500 mW Time difference （Error < 1ms） PD 1.7 mW Node #8 無線センサとの融合 レーザ 無線/光 信号変換 受光器 無線センサ 10 m < 無線センサとの通信と光信号生成 Sensors パワー PV EDLC マイコン インタフェース ソーラー 5V 無線信号 250 kbps 平均消費電力: 440 W 平均消費電力: 450 W 昇圧回路 マイコン EDLC インタフェース 光信号 1 kbps PV 設置可能なノード数(目標値)の試算 －計算モデル 信号用 給電用 1 x N splitter 1/N ノード数制限要因 ■光源パワー Laser PD ■監視装置の 最小受信感度 ■信号同期精度 最小受信感度 2 Pmin q / h S/N 2kTe / RL 100 1500 K 10kHz 10k → -63 dBm 1/N2 10 kbps 平均電力 ～100 uW 設置可能なノード数(目標値)の試算 －計算結果 Required laser power/dBm (dBm) レーザ光パワー 4040 センサノード 2020 各種センサ m個/ノード (センサ数) =(ノード数)×m Pt 00 Pe Ps -20 -20 10 10 20 20 50 100 200 50 100 200 Number of sensor nodes ノード数 500 500 1000 1000 想定される用途 新設のビル等、ファイバーが既に敷設されている施 設における防災センサー用途 農場、牧場、森林等の監視・管理システム 工場内の製造ライン監視 電線、下水道、橋梁、堤防、鉄道、トンネル、高層ビ ルディング等、長い構造物の状態監視用途 実用化に向けた課題 基本動作は実証済み 実用化に向けて、まず実装面が課題 更なる小型化や低電力化のため、プリント配線 板の最適化、マイクロプロセッサーのプログラ ム改善、光変調器の更なる低電力化が必要 企業への期待 下記技術・設備を有する企業との共同研究を希望 ■マイクロプロセッサーの高度なプログラミング技術 ■プリント配線板、ＩＣ作製、パッケージング技術 ■低電力光変調器の高性能化につながるMEMS技術 ■実際に大規模システム実験を行える設備 本技術に関する知的財産権 発明の名称：センシング方法およびセンシングシステム 出願番号 ：特願2009-244995 公開番号 ：特開2011-090591 出願人 ：国立大学法人東京農工大学 発明者 ：田中洋介、黒川隆志 お問い合わせ先 東京農工大学 先端産学連携研究推進センター 産学連携担当 Ｔ Ｅ Ｌ 042－388－7550 Ｆ Ａ Ｘ 042－388－7553 e-mail [email protected]
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