CC BY
41ВКВО-2021- ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-42-43
ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ POF ОТ ДЛИНЫ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
1* 12 1 1 1 Гаркушин А.А. , Бойчук Е.С. ' , Дроздов И.Р. , Струк В.К. , Конин Ю.А. ,
1 2 12 Щербакова В.А. , Максименко В.А. , Криштоп В.В. '
'Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь 2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
E-mail: [email protected]
Power-over-Fiber (PoF) - это активно развивающаяся технология передачи мощности для питания электронных устройств с использованием оптического волокна (ОВ). Применение этой технологии позволяет отказаться от металлических проводников и аккумуляторов в тех случаях, когда их использование сопряжено с серьезными трудностями с точки зрения технической реализации, может повлиять на работоспособность оборудования или же представляет угрозу для обслуживающего персонала, кроме того, PoF позволяет осуществлять электропитание изолированных оптических сетей и осуществлять «умное электропитание». Технология PoF подразумевает, что мощность, необходимая для питания удаленного устройства, передается по оптоволокну (ОВ) в виде оптического излучения, генерируемого лазерным источником. На стороне питаемого устройства находится полупроводниковый фотоприемник особой конструкции, называемый фотоэлектрическим (ФЭП) или фотовольтаическим преобразователем. Он преобразует энергию оптического излучения, распространяющегося по оптоволокну, в электрическую энергию. Величина электрической мощности и напряжения на выходе преобразователя зависит от характеристик выбранного преобразователя, а также от величины оптической мощности на его входе [1]. В PoF, как правило, используется многомодовое оптическое волокно. Например, в системах RLH Industries применяется волокно с диаметром сердцевины 62,5 мкм. Заявленное снижение выходной мощности на 1 км составляет около 5 дБ при длине волны излучения 830 нм [2]. Одним из крупнейших мировых производителей многомодового волокна является компания Corning, изготавливаемое на ее предприятиях волокно имеет диаметр сердцевины 50 мкм и потери не выше 2,3 дБ/км на длине волне 850 нм. На отечественном рынке пока отсутствуют крупные производители многомодового оптического волокна. Однако есть российские предприятия, которые производят многомодовые волокна для специальных технологических задач. Так, в НТО «ИРЭ-Полюс» (г.Фрязино), являющейся российским филиалом компании IPG Photonics, производят технологические оптические волокна для передачи оптического излучения от волоконного лазера до оптической головки. Диаметр сердцевины таких волокон от 50 до 1000 мкм, длина - несколько десятков метров. Такие волокна способны передавать излучение мощностью от нескольких десятков Вт до нескольких сотен кВт и могут быть пригодны для нужд PoF технологии, при передаче энергии на малые расстояния (20 - 30 м) [3]. В ПАО «ПНППК» (г. Пермь) производится многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления для применения в телекоммуникационных сетях и геофизических системах мониторинга температуры. Диаметр сердцевины волокна 50 мкм, оболочки 125 мкм. На длине волны 850 нм коэффициент затухания не превышает 3,5 дБ/км, а на длине волны 1300 нм не больше 1,5 дБ/км [4]. Вопрос о возможности использования данного вида волокон в PoF системах требует дополнительного изучения.
На основании обзора основных компонентов [5-6] системы, таких как источники излучения, фотоэлектрические преобразователи, оптические волокна сформулированы следующие выводы:
• Целесообразно применять многомодовое волокно с числовой апертурой 0,22 - 0,375;
• Предпочтительные рабочие диапазоны длин волны для PoF системы: 800-850, 915-980, 1550 нм;
• В маломощных PoF системах (с выходной мощностью 3-5 Вт) КПД выше и достигает 20%, в то время как система с высокой выходной мощностью (до 30 Вт) имеет КПД около 10%;
• В системах с высокой входной мощностью необходимо активное охлаждение для ЛИ, ФЭП;
• В основном, система стабильно работает диапазоне температур от -40 до +85 °C, но при этом с повышением температуры КПД понижается;
• Чем большая требуется выходная мощность, тем больше должен быть диаметр сердцевины оптического волокна, однако, использовать большой диаметр сердцевины целесообразно не для всех длин волн, например, при рабочей длине волны системы 1550 нм, иногда применяется одномодовое волокно [7].
ВКВО-2021- ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
Был проведен эксперимент для определения затухания мощности в оптическом волокне (MM-S105/125-22A) протяженностью 1500 м (ЛД: PLD-975-40 (IPG Photonics)), ниже приведены графики и выводы, полученные в результате эксперимента и анализа прочих исследований:
Рвыкг Вт А п .1: Б
Рисунок 2. Графики результатов эксперимента. А — график зависимости выходной мощности от входной, Б — график зависимости затухания от входной мощности
• Зависимость выходной мощности от входной — линейна. Оптическая мощность после катушки 1500 м составляет 0,75 Вт при мощности на выходе ЛД, равной 1,38 Вт и 14,75 Вт после катушки при мощности на выходе ЛД, равной 28,6 Вт;
• C увеличением входной мощности возрастает затухание. При 1,38 Вт мощности на входе затухание составляет 2,65 дБ, а при 28,6 Вт уже 2,88 дБ; возможной причиной роста затухания являются потери из-за возбуждения вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Этот нелинейно-оптический эффект характеризуется возникновением сдвинутого в стоксовую область излучения, направленного противоположно распространению излучения накачки и может существенно уменьшить передаваемую по волокну оптическую мощность. ВРМБ является пороговым эффектом, и в оптических волокнах может проявляться при сравнительно небольшой мощности излучения (для одномодовых волокон - десятки мВт, для многомодовых - сотни мВт) [8];
• Длина волны 808-850 нм подходит для передачи большой мощности на короткие расстояния;
• Окно прозрачности оптического волокна, равное 1550 нм можно использовать для передачи энергии на большие расстояния, но с уменьшением общего КПД PoF систем.
Общие выводы по проведенной работе:
1. Для питания удаленных объектов (> 1000 м) с потребляемой электрической мощностью на стороне приемника 0,5-5 Вт (телеметрия и маломощные исполнительные механизмы на ЖД, взрывоопасных объектах и т.д.) использовать систему PoF с рабочей длиной волны 1550 нм (весь тракт ЛД, ОВ, ФЭП). В случае необходимости наращивания передаваемой мощности возможно применять масштабирование.
2. Для питания объектов на короткой дистанции (<10 м) с потребляемой электрической мощностью на стороне приемника 5-30 Вт (обработка сигналов датчиков прецизионных систем, гальваническая развязка и фильтрация электронных приборов) использовать систему PoF с рабочей длиной волны 808-850 нм (весь тракт ЛД, ОВ, ФЭП). В случае необходимости наращивания передаваемой мощности возможно применять масштабирование.
3. Для питания объектов на средней дистанции (от 10 до 1000 м) с потребляемой электрической мощностью на стороне приемника от 0,5до 30 Вт (остальные системы, не рассмотренные в пунктах вывода 1 и 2) характеристики системы PoF определять индивидуально с учетом предъявляемых требований к конечному продукту.
Литература
1. Бойчук Е.С. Системы передачи энергии по оптическому волокну //Бюллетень научных сообщений. - (2020) - №. 25. - С. 48-53
2. Официальный сайт RLH Industries [Электронный ресурс]. URL: https://www.fiberopticlink.com/products/ (дата обращения 15.06.2021)
3. Официальный сайт IPG Photonics [Электронный ресурс]. URL: https://www.ipgphotonics.com/ru/products (дата обращения 15.06.2021)
4. Официальный сайт ПАО «ПНППК» [Электронный ресурс]. URL: http://pnppk.ru/ru/produktsiya/opticheskie-volokna-i-komponenty (дата обращения 23.06.2021)
5. Khvostikov V.P. GaSb-based 1550 nm photoelectric laser converters: production method and characteristics, Semiconductor Physics and Technology, (2016), vol. 50, is. 10, pp. 1358-1362.
6. S.D. Jarvis, Development and characterisation of laser power converters for optical power transfer applications, IET Optoelectron., 8 (2), 64 (2014)
7. Головин С.В. Российский опыт и перспективы создания систем сейсмического 4D мониторинга// Геофизические исследования. - (2019) - 20, № 4, с.52-64
8. АгравалГ. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, (1996), 323 с.
