Remote Power Supply of Optical Networks, Network Communication Elements and Other Electrical Equipment of JSCo «RZD» on POF Technology

Abstract


The article describes the method and system of high power laser transmission over fiber optic for power supply of electronic devices of railway automatics, telemechanics and communications, optical networks and nodes based on Power-over-Fiber technology using special fiber optic cable and high power laser system. Use of these cables enables transmission of high power laser radiation energy over long distances, and these distances and power transmission levels were previously considered unattainable. This was achieved due to the special multi-layer structure of the cable used, as well as the absence of the frequency spectrum in the spectral characteristics of laser radiation, where the phenomena of forced Raman scattering occur. The results of the experiment are presented, which showed the possibility of transmitting a peak input laser power of 5 kW at a distance of 2 km, having received 51 % of the initial power at the system output. In addition, the cable design is expected to withstand severe atmospheric conditions.

Full Text

Кратко опишем смысл технологии Power-over-Fiber (PoF): подразумевается, что мощность, необходимая для питания удаленного устройства, передается по оптоволокну в виде оптического излучения, генерируемого лазерным источником, с величиной оптической мощности порядка сотен мВт-десятков Вт, что значительно превышает значения, используемые в телекоммуникациях. На стороне питаемого устройства находится полупроводниковый фотоприемник особой конструкции, называемый фотовольтаическим преобразователем, чаще всего многослойной структуры, показывающий высокую эффективность преобразования мощности на рабочей длине волны (более 25 %). Преобразователь не имеет внешнего питания, генерация носителей заряда происходит исключительно за счет подводимой оптической мощности. При подключении преобразователя в цепь питаемого устройства преобразователь начинает работать как источник постоянного тока. Он преобразует мощность оптического излучения, распространяющегося по оптоволокну, в электрическую мощность. Величина электрической мощности и напряжения на выходе преобразователя зависит от характеристик выбранного преобразователя, а также от величины оптической мощности на его входе.Используемое в статье понятие «энергия лазерного излучения высокой мощности» означает лазерный пучок, имеющий мощность порядка 5 кВт, если не указано иное. Термин «большие расстояния» - не менее 500 м, если не указано иное. Термины «значительная потеря мощности» и «значительные потери мощности» означают: не больше чем 2,0 дБ/км в зависимости от выбранной рабочей длины волны излучения; термин «значительная передача мощности» - передачу по меньшей мере около 50% мощности [1].На сети ОАО «РЖД» активно внедряются современное телекоммуникационное оборудование, оптические сети связи, сетевые элементы связи и иное электрооборудование. К тому же с недавнего времени актуальной стала задача организации «последней мили» и систем видео-контроля на базе технологии Passive Optical Network (PON) или ее вариаций, в частности GPON, EPON и т. д. Внедрение технологии GPON обеспечивает весь спектр услуг связи, однако существовавшее ранее удаленное электропитание оконечного оборудования, позволявшее пользоваться телефонной связью в качестве источника питания при перерывах в энергоснабжении, стало невозможным. Поэтому для обеспечения связи и электропитания удаленных объектов автоматики, телемеханики и связи (АТС), оптических узлов и сетей связи предлагается осуществлять передачу электроэнергии по оптоволоконному кабелю, используя технологию PoF [2].Описание проблемы До недавнего времени считалось, что существует парадигма, заключающаяся в том, что передача энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности является недостижимой, причем 45% передаваемой мощности - это потеря в оптическом волокне и 50 % - потеря в фотоэлементе при преобразовании энергии света в электрический ток. Это подтверждает, например, характеристика продукции компании LaserMotive,создавшая линию продуктов PoF,которая позволяет обеспечивать передачу до 10 Вт энергии на расстояние до 103 м [2]. Вследствие этого также считалось, что нет основания для конструирования или исследования структуры оптического волокна или волоконно-оптического кабеля, предназначенного для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния. Потери мощности в оптическом волокне на больших расстояниях происходят по многим причинам, включая [3]: - потери на поглощение:8,69,tgnnaπ=δλ дБ/км, (1)где λ - длина волны, мкм; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде;- потери на поглощение из-за гидроксильных ионов ОН:.max.max.max,,,,OHOHOHOHOHOHOHαα ≤αα=αα >α дБ/км, (2)где( )( ).max,ÈÊÏOHSEPPSESEα=α -α λ -α λ дБ/км, (3)()2749OHOHSE∆αα=+ λ-λ дБ/км. (4)- рэлеевское рассеяние:4,PPPPCα=λ дБ/км, (5)где λ - длина волны, мкм; PPC - постоянная, которая зависит от состава материала сердцевины волокна и лежит в пределах 0,7...PPC=...0,9 мкм4·дБ/км;- бриллюэновское рассеяние и рамановское рассеяние (ВРМБ). Порог ВРМБ достигается при критической мощности накачки 0crp [4], которую можно оценить из выражения0/21,âýôôýôôcrgpL A(6)где ýôôL - эффективная длина взаимодействия; ýôôA - эффективная площадь сечения оптическо-го волокна; âg - коэффициент ВРМБ усиления.Если взять обычные параметры световода для оптической связи на 1,55λ= мкм: 50ýôôA= мкм2, 20ýôôL= км, 115 10âg-= ⋅ м/Вт, то (6) дает критическую мощность накачки 01crp= мВт. Такой низкий порог делает ВРМБ доминирующим нелинейным процессом в световодах [8].Согласно [5], в случае вынужденного бриллюэновского рассеяния (ВБР) «порог возрастает как квадрат диаметра модового поля (ДМП) сигнала и обратно пропорционально эффективной длине волокна. Следовательно, для повышения мощности желательно иметь больший размер сердцевины и меньшую длину волокна». В статье Corning [10] отмечено, что «из рассеяний трех типов (рэлеевского, рамановского и бриллюэнов-ского) ВБР признается доминирующим в нели-нейных характеристиках оптического волокна». Далее указано, что «кривая выходной мощности... также показывает, что мощность сигнала снижается при повышении входной мощности сверх определенного предела. Этот вредный результат будет эффективно ограничивать выход-ную мощность сигнала, но будет продолжаться передача мощности стоксовой (отраженного) компоненты сигнала с помощью электрострик-ционного процесса, который лежит в основе явления вынужденного бриллюэновского рассеяния», что отражено в работе [9]. При этом «вынужденное бриллюэновское рассеяние известно как явление, сильно ограничивающее проектирование различных оптических систем передачи, усилителей и лазеров» [10].Данная парадигма, дополненная техническими испытаниями, подтверждала факт существо-вания связи между длиной волокна и передаваемой мощностью, и она показана в работе Mr. Muto в [6]. Однако при этом автор [6] установил, что мощность 4 кВт транспортируется по волокну длиной 1 км, когда к волокну прикладывается мощность лазера 5 кВт, однако дальнейших положительных результатов не было достигнуто, ибо Mr. Muto не смог исключить явление вынужденного рамановского рассеяния (ВРР). Как показано далее, это вредное явление эффективно ограничивает выходную мощность по мере увеличения длины кабеля или мощности излучения. Явление вынужденного рамановского рассеяния можно наблюдать в спектре излучения оптического волокна, который отражен на рисунке 1. Рисунок 1. Вид спектра из предыдущего поколения техники с показом наличия явления вынужденного рамановского рассеяния [6] На рисунке 1 лазерный пучок показан в виде отметки «1», а вынужденное рамановское рассеяние - в виде отметки «2». Таким образом, до настоящего времени считалось, что при увеличении входной мощности от лазера или длины волокна выходная мощность волокна не будет повышаться вследствие ВБР, ВРР и других нелинейных явлений. В частности, при вынужденном бриллюэновском рассеянии выходная мощность передается по волокну обратно ко входу. Кроме того, ВБР, ВРР, а также другие вредные нелинейные эффекты в дополнение к ограничению величины мощности, которую можно передавать на выход волокна, могут приводить к нагреву волокна и в конечном счете к повреждению. Поэтому, как признает [6], «установлено, что доставка мощности 10 кВт возможна только по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины волокна 150 мкм. Таким образом, физическим явлением, которое ограничивает передаваемую мощность, является вынужденное рамановское рассеяние». В итоге автор [6], как это до него делали другие, счел невозможным передачу энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния.Передача энергии лазерного излучения высокой мощности по оптическому кабелю на большие расстояния. В данной работе утверждается, что доставка энергии лазерного излучения высокой мощности на длинные расстояния возможна за счет создания системы с лазером и волоконно-оптическим кабелем, в которой исключены потери, вызванные нелинейными эффектами волокна, и которая обеспечивает передачу энергии лазерного излу-чения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности [1]. На рисунке 2 приведена структура испытательной системы, которая позволяет провести эксперимент по передаче энергии лазерного излучения высокой мощности на длинные расстояния, оценить различные типы волокон и кабеля для передачи высокой оптической мощности по волокну.При этомжелательно иметь волоконно-оптический кабель, который обеспечивает доставку энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния без значительной потери мощности. Поэтому, исходя из выводов [1], в работе предлагается использовать для эксперимента несколько волоконно-оптических кабелей для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния, чтобы оценить возможности метода на разных длинах оптического кабеля. Рисунок 2. Функциональная схема испытательной системы [1] Будем использовать кабель, представля ющий собой слоистую структуру, содержащую: сердцевину; оболочку; покрытие; два защитных слоя. Используемый оптический кабель должен быть особой технической конструкции длиной от 0,5 км до 5 км, диапазон затухания которого в зависимости от рабочей длины волны составляет от 2 до 0,5 дБ/км в зависимости от длины волны излучения. Кроме того, необходимо создать условия, что-бы в испытуемый волоконно-оптический кабель поступало лазерное излучение, в котором отсутствовал спектр, относящийся к вынужденному рамановскому излучению. Кабель должен обеспечить передачу энергии лазерного излучения, имеющую мощность от 1 до 10 кВт. Детальные сведения о структуре кабеля приведем в последующих работах.В системе (см. рисунок 2) предусмотрены лазер 1, короткое, длиной около 25 м, оптическое волокно 2 диаметром 300 мкм, соединяющее лазер с QBH-коннектором 3 (кварцевым куби-ческим), который соединяет волокно 2 с коллиматором 4. Коллиматор 4 коллимирует лазерный пучок, который пропускается через 1/4%-ный элемент 5 отбора пучка. Из этой точки в системе пучок может быть направлен к 1/4%-ному элементу 6 отбора пучка, элементу 7 вывода пучка или коллиматору 8. Коллиматор 8 фокусирует пучок с образованием входного пучка для QBH-коннектора 9. Коллиматор 8 содержит фокусирующую линзу, тепло-отвод и приемную часть коннектора для волокна. Коннектор 9 соединен с коллиматором 8. Коннектор 9 прикреплен к длинному испытуемому волокну 10. Длинное испытуемое волокно 10 имеет QBH-коннектор 11, который соединяет испытуемое волокно 10 с коллиматором 12. Лазерный пучок из коллиматора 12 проходит на 1/4%-ный элемент 13 отбора пучка. Пучок от элемента 13 может проходить к измерителю 14 мощности или оптическому анализатору 15 спектра (ОАС). Оптический рефлектометр 16 временной области (ОРВО) передает и принимает синхронизированный лазерный пучок через элемент 16 отбора, направляя к элементу отбора 5 и далее по волокну 10. Оптический рефлектометр 16 временной области также можно использовать для тестирования волокна 10 отдельно от лазера 1. Лазерный пучок из лазера 1 проходит через элемент 6 отбора к 1/4%-ному элементу 17 отбора пучка и далее на оптический анализатор 15 спектра или на измеритель 18 мощности.В рассмотренной системе (см. рисунок 2) источник лазерного излучения должен иметь высокую мощность: от 1 до 10 кВт. Лазер может быть любого типа, но совместим по техническим параметрам с испытуемыми кабелями. Примером такого предпочтительного лазера, предназначенного для использования совместно с волоконно-оптическими кабелями для передачи электроэнергии в настоящем устройстве, является IPG 20000 YB [7] (фирмы IPG). Данный лазер состоит из 20 модулей. В результате особенности работы этих модулей происходит поддержание низких значений рамановского усиления и бриллюэновского усиления на определенных рабочих длинах волн модулей, что в итоге приводит к последующему ослаблению ВБР и ВРР в волокне. Рисунок 3. Спектр энергии лазерного излучения, передаваемой тестируемым волокном, с демонстрацией отсутствия явления вынужденного рамановского рассеяния [1]. Таблица. Результаты эксперимента Экспериментальное исследование предлагаемой системы Проведем эксперимент на системе, показанной на рисунке 2. Настроим лазер IPG 20000 YB [7] таким образом, чтобы он работал с КПД 10 % при частоте повторения импульсов 1 кГц. В этом примере рабочие условия устанавливали такими, чтобы длительность импульсов поддерживалась большей, чем постоянная времени вынужденного бриллюэновского рассеяния. Поэтому отсутствие вынужденного бриллюэновского рассеяния в эксперименте было обусловлено волокном и лазером, а не длительностью импульсов. Лазерный пучок передавали по волокну длиной 2 км при температуре около 150 ,Ñ° давлении окружающей среды и при затухании оптической мощности 0,8 дБ/км. Испытуемый волоконно-оптический кабель в эксперименте имел сердцевину из плавленого кварца диаметром около 500 мкм, оболочку из легированного фтором плавленого кварца, имевшую толщину 50 мкм, покрытие из акрилата толщиной около 60 мкм и защитное покрытие из нержавеющей стали с наружным диаметром около 3,175 мм и длиной около 2 км. Волокно имело числовую апертуру 0,22. Полученные результаты приведены в таблице, где значения максимальной вводимой мощности и максимальной выводимой мощности представлены в ваттах. Спектр частот, наблюдаемый в кабеле на мощности 4868 Вт, показан на рисунке 3. Из спектра ясно видно отсутствие явления ВРР. Кроме того, линейная связь между входной и выходной мощностями подтверждает отсутствие явления ВБР. К тому же при импульсной работе лазера с изменением длины волны вследствие формирования импульса с линейной частотной модуляцией может вноситься дополнительный вклад в подавление явлений ВБР и ВРР, поскольку эффективно возрастает ширина спектральной линии лазера. Выводы Описанная система POF продемонстрировала, что существует возможность передавать энергию лазерного излучения большой мощности по оптическим кабелям с низкими потерями на большие расстояния с дальнейшим преобразованием в электрическую энергию и тем самым обеспечивать удаленное электроснабжение не только устройств АТС ОАО РЖД, но и иных устройств, например лазерных инструментов, таких как инструменты лазерной сварки и резки, различных буровых установок и т. п.

About the authors

A. S Belonogov

Samara State Transport University

Email: abelonogov@rambler.ru
Samara, Russian Federation

N. S Shorokhov

Samara State Transport University

Email: abelonogov@rambler.ru
Samara, Russian Federation

References

  1. Патент РФ 2551392. Волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большое расстояние. No 2011138270/28, заявл. 17.02.2010, опубл. 27.03.2013. Бюл. No 9.
  2. Терехов А.Н. Анализ вероятности обеспечения удаленного электропитания оптических сетевых терминалов через оптоволоконный кабель // T_Comm. 2014. No 12. С. 95-97.
  3. Белоногов А.С. Электрические основы связи на железнодорожном транспорте. Самара: Изд. СамГУПС, 2012. С. 13-19.
  4. Kaiser W., Maier M. Laser Handbook. Noth-Holland, Amsterdam. Рart. E2. 1972. Vol. 2.
  5. Crystal Fiber A/S (February 28th, 2006). White Paper, Towards 100 kW fiber laser system scaling up power in fiber lasers for beam combining. Р. 14.
  6. Muto S., Tei K., Fujioka T. Laser cutting for thick concrete by multi-pass techniques // Chinese Optics Letters. 2007. Vol. 5. P. 39-41
  7. Патент РФ 2522016. Способ и система для проходки ствола скважины с использованием лазера большой мощности. No 2011110388/03, заявл. 2009.08.19, опубл. 2014.07.10. Бюл. No 19
  8. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. М.: ООО «Солон Р», 1999. C. 103-107.
  9. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000. C. 298-299.
  10. Ruffin A.B. Stimulated Brillouin scattering: an overview of measurements, system impairments, and applications // Technical Digest: Symposium on Optical Fiber Measurements, Boulder, CO, USA, 2004. P. 23-28.

Statistics

Views

Abstract - 22

PDF (Russian) - 6

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Belonogov A.S., Shorokhov N.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies