научная статья по теме ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПО ВОЛОКОННОМУ СВЕТОВОДУ ДЛЯ ПИТАНИЯ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПО ВОЛОКОННОМУ СВЕТОВОДУ ДЛЯ ПИТАНИЯ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ»

ЛИТЕРАТУРА

1. Буймистрюк Г. Я. Информационно-измерительная техника и технология на основе волоконно-оптических датчиков и систем. — СПб.: ИВА ГРОЦ Минатома, 2004. — 192 с.

2. Buymistryuk G. Y. Experience of developments and applications of intelligent optical fiber sensors in industries of Russia // Proc. of the SPIE, 3rd Conf. APOS, Sydney. — 2012. — Vol. 8351. — P. A1—A6.

3. Кульчин Ю. Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети. — М.: Физматлит, 2001. — 272 с.

4. Cranch G. A., Nash P. J. Large scale multiplexing of interfero-metric fiber optic sensors using TDM and DWDM methods // J. Lightwave Technology. — 2001. — Vol. 19, N 5. — P. 687—690.

5. Rao Y. J., et al. Simultaneous spatial, time and wavelength division multiplexed in fiber grating sensor network // Optical Communication. — 1996. — Vol. 125. — P. 53—58.

6. Childers B. A., Froggatt M. E., Allison S. G. et al. Use of 3000 Bragg grating strain sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load tests of a composite structure // Proc. of the SPIE. — 2001. — Vol. 4332. — P. 123—133.

УДК 681. 883: 681.7.068.4

ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ ПО ВОЛОКОННОМУ СВЕТОВОДУ ДЛЯ ПИТАНИЯ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

POWER OVER FIBER FOR ELECTRONIC DEVISES ON REMOTE NO SERVICING OBJECT. STATE-OF-THE-ART AND PERSPECTIVE EMPLOYMENT FOR SONAR WITH TOWED ARRAY

Андреев Михаил Яковлевич

нач. отдела

E-mail: mfp@mail.wplus.net ® 8 (812) 499-74-79

Рубанов Игорь Лазаревич

канд. техн. наук, нач. сектора

Стефанов Юрий Александрович

вед. инженер

ОАО "Концерн "Океанприбор", Санкт-Петербург

Аннотация: Рассмотрена схема оптоэлектронной системы, в которой питание для удаленной (сенсорной) части передается от основной (базовой) в виде оптической мощности с последующим преобразованием в электрическую. Обсуждаются характеристики оптоэлектронных и волоконных компонентов, входящих в канал передачи и преобразования оптической мощности. Оценивается целесообразность применения такой системы в буксируемой гидроакустике и подводной робототехнике.

Ключевые слова: передача мощности по волоконному световоду, фотонный модуль для передачи мощности, диодный лазерный модуль, фотоэлектронный преобразователь, "силовой" волоконный световод, волоконный кабель-буксир.

Andreev Mikhail Ya.

Head of Department E-mail: mfp@mail.wplus.net ® +7 (812) 499-74-79

Rubanov Igor L.

Ph.D. (Tech.), Head of Sector

Stefanov Yuri A.

Leading Engineer

Joint Stock Company "Concern "Oceanpribor", St. Peterburg

Abstract: Examine a question of conceptual design the system for delivering Power over Fiber from stationary body for electronic devises situated on remote no servicing object. Optoelectronic and fiber-optic components for system Power over Fiber analysis. The article include the example of the system with fiber-optic telecommunication channel and channel powered by laser over optical fiber for flying and controlling tethered vertical take-off and landing aircraft system. Authors estimate perspective of using Power over Fiber for problem-solving ability in underwater robotics and sonar with towed arrays. Keywords: power over fiber, high power multi-mode fiber-coupled diode lasers, photovoltaic array, high power fiber, fiber-optical tow cable, towed array.

ВВЕДЕНИЕ

Многие устройства функционально можно разделить на две части — базовую и периферийную, причем первая обычно содержит источник питания, средства обработки и анализа информа-

ции, а вторая включает в себя датчики различных типов. Соединяются обе части между собой линией передачи питания и линией связи. Примером таких устройств служат посты наблюдения за окружающей обстановкой или посты управления,

обеспечивающие дистанционное функционирование роботов и манипуляторов. В гидроакустике к подобного рода устройствам относятся гидроакустические станции (ГАС) с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА), где базовая аппаратура размещена на борту корабля, а антенна из акустических приемников и датчиков положения буксируется с помощью кабеля на заданном удалении от носителя [1].

Для повышения числа акустических приемников в антенне, объема передаваемой информации и увеличения дальности буксировки ГПБА электрические проводники витой пары в кабель-буксире целесообразно заменять световодом волоконно-оптической линии связи. В этом случае волоконный канал передачи информации будет защищен от электромагнитных помех, а малый диаметр световода позволит формировать кабель с меньшим диаметром, но силовые электрические жилы по-прежнему остаются ограничивающим фактором. Поэтому замена их волоконным световодом для передачи мощности питания электроники периферийных устройств дало бы дальнейшую возможность уменьшения диаметра кабеля.

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Сообщение о построении "гибридной оптической системы питания электронных устройств" и анализ состояния отечественной элементной базы были впервые приведены в [2]. В результате проведенной работы констатировалась возможность создания гибридной оптической системы с накоплением электрической энергии более 100 мДж в изолированной зоне за время менее 1 с.

Наиболее неэффективным элементом в системе признавался фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). В экспериментах с моделью системы передачи мощности по световоду был использован ФЭП на основе GaAs с эффективностью преобразования порядка 20 %.

За рубежом идея передачи питающей мощности по световоду ("Power over Fiber" — PoF) для обеспечения работы периферийной электроники воплотилась в так называемом фотонном модуле для передачи мощности ("Photonic Power Module" — PPM) [3, 4], построенном по той же схеме, что и классическая волоконно-оптическая линия связи. PPM осуществляет формирование и передачу по световоду непрерывной оптической мощности, которая затем преобразуется в электрическую и сохраняется в накопителе. Фирма JDSU [3] разработала и запустила в серию фотон-

ный модуль PPM-500-K, передающий эквивалентную электрическую мощность 500 мВт на расстояние до 500 м по световоду из стандартного ряда диаметров световедущей жилы. Передаваемой электрической мощности в модуле PPM-500-K может хватать только, к примеру, для обеспечения питания приемо-передающего трансивера ВОЛС или микросхемы датчика. Если необходимо создать систему передачи мощности для устройства с большим числом маломощных периферийных датчиков, то система PoF реализуется за счет использования оптического кабеля, содержащего 100 и более волоконных световодов [5].

Рассмотрим более подробно состояние волоконной и оптоэлектронной элементной базы для формирования системы передачи мощности по световоду применительно к ГАС с ГПБА, где общая потребляемая электрическая мощность может достигать сотен ватт. Номенклатура волоконных световодов и сфера их применения за последнее время значительное расширилась [6]. Отметим, что даже "обычный" многомодовый световод с профилем показателя преломления "ступенька" ("Step") может передавать непрерывное излучение мощностью до 100 Вт. Высокая оптическая прочность кварца позволяет выдерживать высокие плотности оптической мощности в световодах малого диаметра. Оптические потери в световоде определяются его спектральной характеристикой (см. пример на рис. 1), и есть длины волн, на которых уровень оптических потерь может составлять около 0,5 дБ/км [7].

Выбор диаметра световедущей жилы из стандартного ряда 0,0625; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4: 0,6 мм и более световода определяется величиной передаваемой мощности, а также конструкцией кабеля. При этом толщина светоотражающей оболочки вместе с защитным покрытием световода может составлять всего лишь десятки микрон, не зависеть от

Длина волны, нм

Рис. 1. Спектральная характеристика световода Optran® WF фирмы CeramOptec

Рис. 3. Полупроводниковый диодный лазерный модуль фирмы IPG Photonics

Рис. 2. Волоконный сумматор фирмы Lightcomm Technology Com, Ltd

Рис. 4. Волоконный коллиматор (High Power Collimator) фирмы Lightcomm Technology Com, Ltd

диаметра световода и передаваемой мощности, что имеет существенное значение при формировании конструкции кабеля.

Отметим также, что кроме световодов, которые могут быть использованы для передачи мощного оптического излучения уже сейчас, интенсивно ведутся разработки в направлении создания телекоммуникационных световодов нового поколения со сверхнизкими потерями — так называемых микроструктурированных световодов [8], позволяющих поддерживать одномодовый режим распространения излучения в сердцевине диаметром несколько десятков микрон в широком спектральном диапазоне. Это позволяет передавать как информацию, так и мощность, давая возможность выбора лазерных источников по длине волны генерации с целью обеспечения максимальной эффективности фотоэлектрического преобразования. Технологии сварки разных типов световодов и волоконных компонентов между собой [9] с уровнем потерь 0,01 дБ (0,2 %) позволяют соединять волоконные компоненты в различные конфигурации, например, объединять несколько световодов в один световод или, наоборот, из одного световода распределять излучение по нескольким световодам с заданным коэффициентом деления. Это нужно для суммирования излучения от нескольких лазеров в одиночный световод кабеля или разделения излучения по самостоятельным световодам на периферийной части системы PoF. Суммирующие волоконные устройства (Pump Combiner) способны объединять 2—7 самостоятельных волоконных каналов с уровнем потерь порядка 0,1 дБ (3 %) [10]. Образец четырехканального объединителя каналов для суммирования 25 Вт оптической мощности в каждом входном световоде и передачи 100 Вт излучения в выходном, показан на рис. 2.

Таким образом, волоконные компоненты для применения в системе передачи мощности PoF уже существуют.

Второй важный компонент, формирующий возможности волоконно-оптического канала передачи мощности, — полупроводниковые лазеры, имеющие малые габариты и высокий коэффициент преобразования электрического тока в оптическую мощность. Так, в линейке полупроводниковых диодных лазерных модулей (ДЛМ) фирмы IPG Photonics [11] модули серии 974 nm PLD-1

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком