Введение

Возможность передачи электроэнергии на расстояние впервые обнаружил Стивен

Грей в 1720-е годы. В опытах Грея заряд передавался по шёлковому проводу на

расстояние до 800 футов

До конца XIX века электричество использовалось только поблизости от мест

генерации. Это, в свою очередь, ограничивало степень использования доступных

ресурсов, так как большие мощности для местного производства не требовались.

С

изобретением

электрического

освещения

необходимость

передачи

электричества

на

большие

расстояния

стало

актуальной

проблемой,

так

как

освещение

требовалось

в

первую

очередь

в

крупных

городах,

удалённых

от

источников энергии.

В

1873

году

Фонтен

впервые

продемонстрировал

генератор

и

двигатель

постоянного тока, связанные проводом длиной 2 км. В 1874 году Ф. А. Пироцкий

осуществил передачу электроэнергии мощностью 6 л.с. на расстояние 1 км, а в

1876 году повторил опыт, используя в качестве проводника рельсы Сестрорецкой

железной

дороги

длиной

3,5

км.

В

конце

1870-х

—

начале

1880-х

Д.

А.

Лачинов показал, что потери энергии при передаче имеют обратную зависимость

от напряжения, а П. Н. Яблочков и И. Ф. Усагин создали первые трансформаторы,

что

позволило

Усагину

на

Всероссийской

выставке

в

Москве

в

1882

году

продемонстрировать первую высоковольтную систему передачи электроэнергии

включавшую

повышающий

и

понижающий

трансформаторы

и

линию

электропередачи.

В

том

же

году

на

Мюнхенской

выставке

опыт

передачи

постоянного электрического тока напряжением до 2000 В на расстояние 60 км

продемонстрировал Марсель Депре, при этом потери составили 78 %.

Прорывом в передаче электроэнергии на большие расстояния стал опыт М. О.

Доливо-Добровольского

на

международной

электротехнической

выставке

во

Франкфурте-на-Майне в 1891 году, в ходе которого энергия от установки на реке

Неккар в городе Лауффен была передана во Франкфурт по трёхфазной линии на

175

км.

Энергия

передавалась

при

напряжении

15200

В,

преобразование

осуществлялось с помощью трёхфазных трансформаторов. КПД линии достигал

80,9 %, а передаваемая мощность — более 100 л. с., использованных для работы

электрического

двигателя

и

освещения.

Опыт

способствовал

внедрению

трёхфазного переменного тока и высоковольтных систем передачи. К 1910 году в

США появились первые линии 110 кВ, в 1923 — 220 кВ, в то же время началось

внедрение высоковольтных линий в Европе.

Передачи энергии на постоянном токе, в первую очередь, по системе Тюри, имела

некоторое распространение в начале XX века, в частности, функционировали

линия в Батуми протяжённость 10 км и линия Мутье-Лион протяжённостью 180

км, но в конце концов они были демонтированы и заменены линиями переменного

тока.

2

1.

Оптико

-

волоконный

кабель

Опти́

ческое волокно́

-нить из оптически прозрачного материала, используемая

для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит

на

огромные

расстояния

(до

десятков

километров)

с

незначительным

ослаблением.

Структура

оптоволоконного

кабеля

очень

проста

и

похожа

на

структуру

коаксиального

электрического

кабеля,

только

вместо

центрального

медного

провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно,

а

вместо

внутренней

изоляции

-

стеклянная

или

пластиковая

оболочка,

не

позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае мы

имеем дело с режимом так называемого полного внутреннего отражения света от

границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной

оболочки

коэффициент

преломления

значительно

ниже,

чем

у

центрального

волокна).

Металлическая

оплетка

кабеля

обычно

отсутствует,

так

как

экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако

иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды

(такой

кабель

иногда

называют

броневым,

он

может

объединять

под

одной

оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Рис.1.Структура(строение) оптоволоконного кабеля

2

Основные

характеристики

преимущества

и

недостатки

Оптоволоконный

кабель обладает

исключительными

характеристиками

по

помехозащищенности

и

секретности

передаваемой

информации.

Никакие

внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой

3

сигнал,

а

сам

этот

сигнал

принципиально

не

порождает

внешних

электромагнитных

излучений.

Подключиться

к

этому

типу

кабеля

для

несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это

требует

нарушения

целостности

кабеля.

Теоретически

возможная

полоса

пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что несравнимо выше,

чем

у

любых

электрических

кабелей.

Стоимость

оптоволоконного

кабеля

постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального

кабеля. Однако в данном случае необходимо применение специальных оптических

приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и

обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах,

используемых

в

локальных

сетях,

составляет

около

5

дБ/км,

что

примерно

соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае

оптоволоконного

кабеля

при

росте

частоты

передаваемого

сигнала

затухание

увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200

МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, он просто не

имеет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Самый главный из

них

-

высокая

сложность

монтажа

(при

установке

разъемов

необходима

микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки

сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку

или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент

преломления

света,

что

и

стекловолокно.

В

любом

случае

для

этого

нужна

высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще

всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной

длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.

Хотя

оптоволоконные

кабели

и

допускают

разветвление

сигналов

(для

этого

выпускаются

специальные

разветвители

на

2-8

каналов),

как

правило,

их

используют для передачи. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет

световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти

до конца сети.

Оптоволоконный

кабель

менее

прочен,

чем

электрический,

и

менее

гибкий

(типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10-20 см).

Чувствителен

он

и

к

ионизирующим

излучениям,

из-за

которых

снижается

прозрачность

стекловолокна,

то

есть

увеличивается

затухание

сигнала.

Чувствителен он также к резким перепадам температуры, в результате которых

4

стекловолокно

может

треснуть.

В

настоящее

времы

выпускаются

оптические

кабели из радиационно стойкого стекла (стоят они, естественно, дороже).

Оптоволоконные

кабели

чувствительны

также

к

механическим

воздействиям

(удары, ультразвук) - так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения

используют мягкие звукопоглощающие оболочки.

Применяют

оптоволоконный

кабель

только

в

сетях

с

топологией

«звезда»

и

«кольцо».

Никаких

проблем

согласования

и

заземления

в

данном

случае

не

существует.

Кабель

обеспечивает

идеальную

гальваническую

развязку

компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические

кабели всех типов или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на

планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

3

Типы

оптоволоконных

кабелей

1.

Многомодовый,

или

мультимодовый,

кабель,

более

дешевый,

но

менее

качественный;

2.

Одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие характеристики.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в

результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала

практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального

волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм).

Дисперсия

и

потери

сигнала

при

этом

очень

незначительны,

что

позволяет

передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения

многомодового

кабеля.

Для

одномодового

кабеля

применяются

лазерные

приемопередатчики,

использующие

свет

исключительно

с

требуемой

длиной

волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не слишком

долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным

благодаря своим прекрасным характеристикам.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в

результате

чего

форма

сигнала

на

приемном

конце

кабеля

искажается.

Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125

мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный

(не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы

приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в

5

многомодовом кабеле равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км.

В настоящее время многомодовый кабель - основной тип оптоволоконного кабеля,

так

как

он

дешевле

и

доступнее.

Задержка

распространения

сигнала

в

оптоволоконном

кабеле

не

сильно

отличается

от

задержки

в

электрических

кабелях. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей

составляет около 4-5 нс/м.

4.

Понятие

и

история

оптоволокна

Принцип

передачи

света,

используемый

в

волоконной

оптике,

был

впервые

продемонстрирован в XIX веке, но повсеместное применение было затруднено

отсутствием соответствующих технологий.

В

1934 г.

американец

Норман

Р.

Френч

получил

патент

на

оптическую

телефонную систему, речевые сигналы в которой передавались при помощи света

по стержням чистого стекла. В 1962 г. был создан полупроводниковый лазер и

фотодиод, используемые как источник и приёмник оптического сигнала.

Повсеместному

переходу

на

технологии

ВОЛС

мешали

высокие

затухания

в

оптическом волокне, поэтому конкуренция с медными линиями была невозможна.

Только

к

1970 г.

компании Corning

(англ.) удалось

наладить

коммерческое

производство волокна с низким затуханием — до 17 дБ/км, через пару лет — до 4

дБ/км.

Волокно

являлось

многомодовым

и

по

нему

передава ло сь

несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по

которым передавалась одна мода.

В

России

первые

волоконно-оптические

линии

появились

в

Москве.

Первой

подводной

ВОЛС

стала

магистраль

Санкт-Петербург —

Аберслунд

(Дания),

проложенная АО «Совтелеком» (ныне ОАО «Ростелеком»).

6

5.

Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего

инфракрасного

диапазона

могут

использоваться

другие

материалы,

такие

как

фторцирконат , фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти

имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон.

Сердечник в таком волокне изготовляют изполиметилметакрилата (PMMA), а

оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

6.

Конструкция

оптоволокна

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей

— сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения

абсолютный

показатель

преломления

сердцевины

несколько

выше

показателя

преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла

или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5

мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из

материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления.

Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель

преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет

распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки

могут

применяться

двумерные

фотонные

кристаллы,

вместо

ступенчатого

изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным

профилем

показателя

преломления,

форма

сердцевины

может

отличаться

от

цилиндрической.

Такие

конструкции

обеспечивают

волокнам

специальные

свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь,

изменение дисперсии волокна и др.

7

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют

диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от

типа волокна и национальных стандартов.

7.

Применение

оптоволокна

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на

волоконно-оптических

телекоммуникационных

сетях

различных

уровней:

от

межконтинентальных

магистралей

до

домашних

компьютерных

сетей.

Применение

оптических

волокон

для

линий

связи

обусловлено

тем,

что

о п т и ч е с ко е

в о л о к н о

о б е с п еч и в а е т

в ы с о к у ю

з а щ и щ е н н о с т ь

о т

несанкционированного

доступа,

низкое

затухание

сигнала

при

передаче

информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно

высокими скоростями передачи. Уже к 2006-му году была достигнута частота

модуляции

111 ГГц,

в

то

время

как

скорости

10

и

40

Гбит/с

стали

уже

стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При

этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов

может

передавать

до

нескольких

сотен

каналов

одновременно,

обеспечивая

общую скорость передачи информации, исчисляемую терабитами в секунду. Так,

к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2012 — 20 Тбит/с.

Последний рекорд скорости - 255 Тбит/с .

Рис.5 Волоконно-оптический кабель

8

7.1

Применение

оптоволокна

в

передаче

энергии

С

появлением

оптоволокна

в

различных

системах

для

передачи

информации

появились

новые

более

мощные

возможности.

Это

связано

непосредственно

с техническими характеристиками оптических кабелей, которые имеют гораздо

больше

преимуществ,

чем

ранее

используемые

материалы.

Среди

всего

разнообразия

новых

свойств

потребителей

в

первую

очередь

привлекают

минимальные потери передаваемой информации. Именно поэтому долгое время

были попытки разработки нового кабеля волоконно-оптического одномодового,

способного эффективно передавать электроэнергию.

На данный момент успеха в этом вопросе удалось достичь компаниям Japan

Aviation Electronics Industry и OKI Electric Cable, которые совместно работали над

созданием

такого

кабеля.

Решением

поставленной

проблемы

ведущие

специалисты

этих

компаний

увидели

создание

нового

волоконно-оптического

кабеля с

коннектором.

Именно

благодаря

этой

детали новый оптический

кабель получил способность качественно передавать электроэнергию на любые

расстояния с минимальными потерями.

Компании-разработчики утверждают, что использование этого кабеля практически

во

всех

отраслях

деятельности

человека

позволит

значительно

экономить

на

приобретении необходимых материалов для монтажа оптических кабелей связи и

непосредственно

на

их

обслуживании.

А

разработка

нового

кабеля

была

осуществлена на основе опыта двух компаний, который они соединили в одну

технологию оптоволоконных структур H-PCF (Hard Plastic Clad Fiber).

Возможность построения линии передачи электрической энергии посредством ее

преобразования

в

лазерное

излучение,

которое

впоследствии

преобразуется

в

электрический

ток

на

полупроводниковой

структуре,

аналогичной

структуре

полупроводникового лазера. Передача энергии осуществляется по оптическому

волокну

9

Особенностью

рассматриваемой

здесь

схемы

является

монохроматичность

преобразуемого в электрический ток излучения и, что принципиально важно,

пространственная когерентность этого излучения. Потери электрической энергии

в такой линии передачи могут составить заметную величину, но уже сейчас при

использовании

полупроводниковых

структур

в

качестве

элементов

преобразователей

можно

говорить

о

величине

около

50

%

для

небольших

расстояний

В

работе

[1]

была

рассмотрена

возможность

преобразования

мощного

монохроматического

излучения

в

электрический

ток,

используя

эффект

насыщения поглощения излучения в полупроводниках при большой концентрации

плотности

электромагнитной

энергии

монохроматической

волны,

вводимой

в

полупроводник. Эффект насыщения возникает, как известно, в том случае, когда

вероятность

оптических

переходов

(вероятность

поглощения

и

вероятность

индуцированного излучения) значительно превышает вероятность релаксации в

рассматриваемой квантовой системе (две группы нижних и верхних квантовых

уровней). При этом плотность поглощенной мощности асимптотически стремится

к величине энергии, уводимой в релаксационный канал из единицы объема в

единицу

времени.

Для

полупроводника,

находящегося

в

мощном

монохроматическом

поле

эффект

насыщения

сводится

к

асимптотическому

приближению

разности

между

квазиуровнями

Ферми

электронов

в

зоне

проводимости

и

валентной

зоне

к

энергии

кванта.

При

этом

коэффициент

поглощения,

естественно,

стремится

к

нулю.

Конечно,

все

это

относится

к

переходам вблизи края поглощения т. е. при ћω ≥ ∆, где ћω

⎯

энергия кванта, а ∆

⎯

ширина запрещенной зоны, поскольку при ћω заметно превышающем ∆ придти к

насыщению невозможно из–за резкого роста плотности электронных состояний и,

следовательно,

резкого

возрастания

плотности

мощности,

уходящей

через

релаксационный

канал.

В

этом,

в

частности,

можно

видеть

различие

между

фотоэлектрическими

преобразователями

(солнечными

батареями),

где

преобразуемые плотности мощности световой энергии малы. По существу, то, что

10

рассматривается

в

данной

работе,

представляет

собой

схему

близкую

к

полупроводниковому

лазеру,

работающему

в

обратном

направлении:

«свет

в

электрический ток».

Другой

существенный

аспект

рассматриваемой

схемы

заключается

в

использовании в качестве линии передачи энергии оптоволокно (рис. 6), которое в

идеальном

случае

сохраняет

качество

пространственной

когерентности

передаваемой электромагнитной волны. Другими словами, если на одном конце

оптоволоконной линии генерируется излучение полупроводниковым лазером, то

на

другом

конце

оно

имеет

такую

же

яркость

и

может

быть

введено

в

аналогичную по своим геометрическим размерам полупроводниковую структуру,

преобразующую световую энергию в электрическую

⎯

«преобразователь». Таким

образом, система, состоящая из полупроводникового лазера, оптического волокна

и преобразователя представляет собой длинный резонатор, в котором реализуются

определенные световые моды. При этом для увеличения эффективной длины

поглощения излучения в преобразователе задняя поверхность полупроводниковой

структуры

может

быть

сделана

полностью

отражающей.

Возможно

также

применить

для

этой

цели

ряд

последовательно

расположенных

электрически

развязанных

секций

в

которых

можно

полностью

поглотить

приходящее

на

структуру

излучение,

или

использовать

многопроходную

схему.

Рассмотрим

принцип работы преобразователя монохроматического излучения в электрический

ток. На рис. 7 представлена схема устройства. Излучение из световода подводится

к узкой области образца, имеющую собственную проводимость и расположенную

между слоями с электронной и дырочной проводимостью. Предполагается, что

оптический

переход

является

прямым,

т.

е.

идет

практически

без

изменения

импульса электрона в валентной зоне и зоне проводимости. На рис 8 представлена

энергетическая схема такого перехода, а на рис. 9 схема полупроводникового

лазера.

Подразумевается,

что

в

преобразователе

должны

использоваться

полупроводниковые 2 Снежинск, 5

⎯

9 сентября 2005 г. материалы и применяться

11

технологические

приемы,

аналогичные

применяемым

при

изготовлении

полупроводниковых лазеров.

Рис. 6. Принципиальная схема оптической линии передачи электрической энергии

Рис.7.

Структура преобразователя оптического излучения в электрический ток.

Излучение подается в торец образца с собственной проводимостью “i” p–i–n

структуры

12

Рис.8.

Схема, поясняющая эффект насыщения. Оптический переход происходит

между уровнями Ev и Ec. Расстояние между ними равно энергии кванта ћω0,

расстояние между квазиуровнями Ферми µc

⎯

µv приближается снизу к ћω0 по мере

увеличения интенсивности

Рис.9.

Разделение электрических зарядов посредством присоединения к области,

где происходит генерация носителей, достаточно сильно легированных n и p типа

слоев. µc и µv — квазиуровни Ферми для зоны проводимости и валентной зоны.

Современные схемы полупроводниковых лазеров основаны на гетероструктурах

Параметры

такой

линии

передачи

электрической

энергии

можно

оценить,

используя

аналогию

с

разработанными

в

настоящее

время

устройствами

и

элементами:

полупроводниковыми

лазерами

и

оптическими

волоками.

Полупроводниковые лазеры дают возможность в единичном приборе получить

мощность

более

10

Вт

при

весьма

высоком

КПД

порядка

70

%.

Поскольку

преобразователь световой энергии в электрический ток по своему устройству и

технологическому

исполнению

близок

к

полупроводниковому

лазеру

и,

по

существу представляет собой лазер, работающий в обратном направлении, то

можно

в

дальнейшем

рассчитывать

на

такие

же

высокие

коэффициенты

преобразования.

Современные

оптические

волокна

способны

пропускать

значительные

световые

потоки

более

100

Вт

и

имеют

очень

небольшие

коэффициенты затухания, порядка 0,1 Дб/м . Таким образом, предложенная схема

дает возможность передавать электрическую энергию на небольшие расстояния с

коэффициентом

передачи

50

%.

Надо

заметить,

что

здесь

речь

идет

о

низковольтной линии пере- дачи с напряжением порядка ширины запрещенной

зоны полупроводника, т. е. порядка 1 эВ. Отличие рассматриваемого варианта

преобразователя от широко применяемого в настоящее время фотоэлектрического

элемента,

имеющего

весьма

высокий

КПД,

заключается

в

использовании

пространственной

когерентности

генерируемого

лазером

излучения,

что

дает

13

возможность реализовать на входе в преобразователи высокую концентрацию

мощности и, таким образом, размеры преобразователя оказываются малыми в

сравнении с обычными фотоэлектрическими элементами. В заключение следует

заметить, что рассмотренный здесь способ передачи электрической энергии может

оказаться полезным в низковольтных линиях или в случаях, когда возможны

посторонние электрические по- мехи в передающих линиях или устройствах

коммутации цепей, а также в системах, в которых для подведения питания нельзя

воспользоваться металлическими проводниками.

8.

Анализ

существующих

систем

Использование

оптоволокна

для

приема/передачи

информации

от

различных

датчиков или удаленных приемопередающих модулей требует также прокладки

медного кабеля для обеспечения их электропитания. Различные исследования

стоимостных

параметров

таких

систем

показали,

что

эта

технология

дороже

передачи

электропитания

по

металлическим

кабелям,

но

в

некоторых

приложениях ее применение может быть оправдано. Например:



в системах с повышенным уровнем электромагнитных помех (различные

измерители

электромагнитного

излучения

и

мониторинг

линий

электропередач);



в

системах

с

агрессивными

и

взрывоопасными

средами

(топливные

измерительные

системы,

подземные

исследования,

картографирование

и

мониторинг сейсмической активности), где требуется обеспечить пожаро и

взрывобезопасность

от

искрения

контактов

и

необходимо

защищать

металлические проводники от взаимодействия с компонентами среды.



в

системах

передачи

электропитания

по

оптоволокну

в

медицинском

диагностическом

оборудовании

при

осуществлении

различного

рода

исследований, где используют зондирование организма человека.



для

обеспечения

электропитанием

распределенных

датчиков

в

бортовой

аппаратуре,

при

этом

до стигается

значительное

ул у ч ш е н и е

массогабаритных характеристик.



в

различных

системах,

где

технологически

нет

места

для

прокладки

дополнительного кабеля питания, или его прокладка связана с большими

материальными

затратами

(оборудование

в

шахтах,

видеокамеры

наблюдения).

14

Впервые

технологию

передачи

электропитания

применили

в

1978

году

сотрудники

Bell

Telephone

Laboratories

(США)

для

питания

звуковой

сигнализации.

В

1999

году

впервые

было

продемонстрировано

применения

системы

передачи

электропитания

по

оптоволокну

для

медицинского

диагностического

оборудования,

измеряющего

биоэлектрический

потенциал

человека

(рис.

7).

Обеспечивается

53

мВт

электрической

мощности

с

эффективностью порядка 9%

Рис.10.

Применение системы передачи питания по оптоволокну в диагностике

В 2000 году в NTT Photonics Laboratories (Япония) была разработана система

передачи

электропитания

по

волоконно-оптическому

кабелю,

обеспечивающая

электрическую мощность 2 Вт при напряжении 5 В. В качестве оптического

источника, преобразующего электрическую энергию в оптическую, использовался

AlGaAs/GaAs лазерный диод с длиной волны генерации 808 нм, максимальной

мощностью оптического излучения 3 Вт и эффективностью 11%. Для передачи

электропитания использовалось многомодовое оптоволокно длинной 200 м и с

диаметром сердцевины 200 мкм. Для преобразования оптической мощности в

электрическую использовалась фотогальваническая батарея из шести GaAs p-i-n

фотодиодов, имеющая эффективность 31 %. Для передачи 2 Вт понадобилось 5

фотогальванических

батарей

и,

соответственно,

5

оптических

волокон,

по

каждому из которых передавалось 400 мВт оптической мощности. Суммарная

эффективность всей системы составила 3 %

15

Рис.11. Система передачи электропитания по оптоволокну для питания

удаленного модуля производства NTT Photonics Laboratories (Япония)

В

2001

году

данная

система

передачи

электропитания

по

оптоволокну

была

использована

в

системе

измерений

характеристик

безэховой

камеры

для

обеспечения

электрической

энергией

излучающего

элемента,

при

этом

дополнительное оптоволокно использовалась для передачи измерительного СВЧ

сигнал.

Применение

технологии

передачи

электропитания

по

оптоволокну

позволило

решить

проблему

сильных

искажений,

вносимых

в

результаты

измерений металлическими кабелями питания. В настоящее время существует два

коммерческих

предложения

по

системам

передачи

электропитания

по

оптическому волокну. Фирма RLH Industries (США) предлагает систему передачи

электропитания

с

двумя

многомодовым

волоконно-оптическими

кабелями

диаметром 62,5 мкм, при этом система потребляет 45 Вт электрической мощности

и обеспечивается выходную электрическую мощность до 600 мВт (используется 2

волокна). Эффективность системы составляет величину менее 2 %.

Промышленные разработки системы передачи электропитания по оптоволокну

фирмы

JDSU

(США)

используют

для

передачи

оптической

мощности

на

расстояния до 500 м многомодовое волокно с 284 диаметром сердцевины 62,5 или

100 мкм. Линейка лазерных диодов создает излучение мощностью до 5 Вт на

длине

волны

850

нм,

которое

преобразуется

фотогальванической

батарей

размером 2х2 мм 2 на основе GaAs фотодиодов с эффективностью 50%. Для

передачи

электропитания

на

расстояния

до

10

км

используется

одномодовое

волокно и фотогальваническая батарея размером 2х2 мм на основе InGaAs/InP

16

фотодиодов

с

эффективностью

25

%.

Внешний

вид

системы

передачи

электропитания по оптоволокну представлен на рисунке 9.

Рис.12.

Система питания системы измерений характеристик безэховой камеры для

обеспечения электрической энергией излучающего элемента

Преимуществами использования оптоволокна для передачи электропитания

являются :



невосприимчивость к электромагнитным помехам,



высокая стойкость к агрессивной окружающей среде (низкой 282

химическая активность оксида кремния SiO2, из которого производят

оптоволокно),



возможность функционирования во взрывоопасной среде и при высоких

температурах и давлении,



требование полной электрической изоляции,



малые весогабаритные показатели

9.

Исследование

фотогальванических

батарей

Разработанная

система

передачи

электропитания

по

оптоволокну

состоит

из

инжекционного

InGaAsP/InP

лазера

Фабри-Перо

с

оптоволоконным

выводом,

длиной волны генерации 1300 нм и выходной мощностью оптического излучения

до 1 Вт, двух стандартных мультиплексоров 1300/1550 с разделением по длине

волны,

одномодового

стандартного

оптоволокна

типа

SMF-28e

и

17

фотогальванической

батареи

на

основе

p-i-n

гетероструктур

InGaAs/InP

диаметром 2 мм, состыкованной с многомодовым оптоволокном. Важной частью

системы

является

преобразователь

оптической

энергии

(фотогальваническая

батарея).

В

эксперименте

использовалось

два

вида

преобразователей

и

было

собрано два различных варианта схемы преобразования лазер — оптоволокно —

фотогальваническая батарея. В первом варианте использован лазер с резонатором

Фабри-Перо,

стандартное одномодовое волокно Corning SMF-28e и кремниевый

pin- фотодиод). Во втором варианте использован DFB-лазер, это же оптоволокно и

InGaAsP/InP pin-фотодиод.

Рис.13. Система передачи электроэнергии по оптоволокну

Система обеспечивает электрическую мощность до 300 мВт с эффективностью

преобразования

оптической

мощности

в

электрическую

40

%.

Передаваемая

электрическая

мощность

системы

при

расстояниях

до

1

км

ограничена

эффективностью и критической мощностью излучения для фотогальванической

батареи,

а

в

случае

передачи

электропитания

на

расстояния

свыше

10

км

-

предельной

мощностью

оптического

излучения

одномодового

оптоволокна

вследствие рамановского рассеяния

10.Конструкция разработанного оптического кабеля 32 волокна

Специально разработанная инструкция по монтажу оптического кабеля описывает

его строение: оптоволоконная сердцевина, состоящая из двухкомпонентного Р-

PCF, и специальная облатка обволакивают пустотелый проводник, в который

впрессованна тонкая проволока. Такое строение позволяет даже при установке

кабеля,

способного

передавать

электроэнергию,

в

ВОЛС

с

изгибами

до

90°

исключить потери электроэнергии или затухание передаваемого сигнала.

18

Коннектор оснащен специальной пластиковой изоляцией, которая при монтаже

муфт

ВОЛС

способна

предотвращать

короткие

замыкания.

Представители

компаний-разработчиков утверждают, что именно новый волоконно-оптический

кабель с функцией передачи электроэнергии позволит совместить потребителям

две популярные отрасли: энергопитание и волоконную оптику, при этом еще и

значительно сэкономив денежные средства.

19

Заключение

Вокруг каждого из нас постоянно движется энергия. Либо это ветер на улице,

текущая вода в реке, световой поток, идущий от солнца, которое светит и греет

(кстати,

солнце

является

главным

источником

энергии

для

земли).

Любое

движение, это энергия различного вида. И при необходимости один вид энергии

можно легко преобразовать в другой её вид, что и делается в технической сфере

.

Надеюсь в будущем человечество найдет новые источники энергии , а также

изобретут новые , более экономичные и удобные способы её передачи , ведь

энергия – одна из важных частей человечества