Ежегодно в мире растет как число телекоммуникационных сетей, так и отдельно взятых устройств. А все более повышающиеся требования к пропускной способности тех или иных сетей и постоянного доступа к информационным ресурсам из любой точки планеты приводят к увеличению активного оборудования.
В то же время, неотъемлемым условием бесперебойной работы всех телекоммуникационных систем и устройств является наличие электропитания в любой точке, где размещается активное оборудование.
Принято считать, что источники питания — одна из наиболее консервативных технологий, где прогресс не так ощутим, как, например, в микроэлектронике. Но определенные сдвиги в последние годы произошли и здесь. Речь идет прежде всего о внедрении интеллектуальных средств диагностики и контроля и гибкой системы распределения потребляемой мощности в аварийных ситуациях. Однако, несмотря на все эти достижения, системы электропитания по-прежнему остаются одним из слабых звеньев в телекоммуникационной сети.
Ряд сложностей, связанных с электропитанием активного оборудования, особенно расположенного на большом расстоянии от точки распределения, может нивелировать технология Power over fiber
Power over fiber — это развивающаяся технология передачи мощности для питания электронных устройств с использованием оптоволоконного кабеля. Концепция такого использования оптического волокна появилась вместе с первыми его разработками.
Технология подразумевает, что оптическая мощность генерируется из электроэнергии с помощью лазерного диода, и в конце преобразуется обратно в электроэнергию для какого-либо электронного устройства. Это преобразование можно осуществить с помощью фотогальванического элемента.
Типичная система содержит:
- лазерный диод, излучающий несколько ватт оптической мощности;
- оптическое волокно длиной от пары метров до нескольких сотен метров;
- фотогальванический элемент с активной площадью несколько квадратных миллиметров.
Для того чтобы обеспечить приемную сторону достаточной мощностью, необходимо использовать лазеры с величиной оптической мощности, значительно превышающей значения, используемые в телекоммуникациях. Типичные передаваемые мощности составляют несколько сотен милливатт или несколько ватт, но нет принципиальной причины, по которой нельзя было бы передавать намного больше, например, десятки или даже сотни ватт, учитывая, что многомодовые волокна с достаточно большой сердцевиной могут передавать несколько киловатт.
Для передачи на короткие расстояния обычно используются лазерные диоды, излучающие около 750–950 нм. Большие расстояния передачи (возможно, несколько километров) могут быть реализованы с помощью систем, работающих на более длинных оптических длинах волн, потому что это значительно снижает рэлеевское рассеяние.
Рисунок 1. Источник лазерного излучения
Для любого оптического волокна существует определенный предел оптической мощности, которую возможно передавать без его повреждения. Этот предел зависит от длины волны излучения и диаметра сердцевины волокна. В связи с этим чаще всего в технологии Power over Fiber используется многомодовое волокно, причем его диаметр должен быть тем больше, чем больше передаваемая оптическая мощность. Необходимость применения многомодового волокна ограничивает дальность линии десятками-сотнями метров, чего достаточно для большинства применений. Системы Power over Fiber на основе одномодового волокна также существуют, но в этом случае накладываются ограничения на величину передаваемой мощности.
В качестве преобразования энергии лазера в электрическую используется фотоэлемент электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. В системах Power over fiber он называется фотовольтаический преобразователь. Внешний вид такого преобразователя приведен на рисунке 2. Преобразователи выпускаются в цельных металлических корпусах с двумя выводами (катод и анод) для монтажа на плату. Устройства работают в индустриальном температурном диапазоне от –40 до +85°C. В зависимости от типа преобразователя максимальная выходная электрическая мощность может достигать 30 Вт, а выходное напряжение 15 В.
Рисунок 2. Фотовольтаический преобразователь
Преобразователь представляет собой полупроводниковый фотоэлемент, чаще всего многослойной структуры, имеющий высокую эффективность преобразования мощности на рабочей длине волны (>25%). Преобразователь не имеет внешнего питания, генерация носителей заряда происходит исключительно за счет подводимой оптической мощности.
Правильный подбор преобразователя и параметров компонентов системы (рабочая длина волны, мощность оптического излучения лазера, числовая апертура оптоволокна) позволяет создать источник питания с подходящими характеристиками для питания широкого круга маломощных устройств.
К основным преимуществам технологии Power over fiber можно отнести следующие:
- полная гальваническая развязка питаемого устройства от источника питания;
- помехозащищенность линии питания, отсутствие влияния на соседние линии связи;
- снижение риска возгорания проводки вследствие повреждения изоляции;
- уменьшение габаритов и веса линии питания;
- невосприимчивость к действию воды в случае повреждения оболочки кабеля;
- долгий срок службы оптического кабеля;
- отсутствие риска передачи ударов молнии по кабелю;
- возможность использования одного волокна для обратной отправки данных, например, передача информации от датчика на другой длине волны.
Очевидными недостатками являются стоимость оптических компонентов и ограниченный потенциал с точки зрения доступной мощности и эффективности преобразования. Также может возникнуть проблема безопасности лазера, связанная с оптической мощностью в несколько ватт, которая может покинуть волокно при его разрыве.
Применение оптических волокон для передачи электрической мощности может быть востребовано как в существующих, так и в перспективных телекоммуникационных сетях.
В частности, такая технология могла бы способствовать развитию сетей сотовой связи стандарта 5G. Для обеспечения необходимой скорости передачи данных антенны сотовой связи должны подключаться по оптическому волокну и должны располагаться как можно чаще. Например, на каждой опоре городского освещения.
Рисунок 3. Антенны 5G на опорах
Использование оптического кабеля как для передачи данных, так и для электропитания избавит от необходимости прокладки дополнительных питающих кабелей и позволит без дополнительных трудозатрат обеспечить все антенны и связью, и электричеством.
При этом возможность прокладки оптического кабеля в кабельной канализации, непосредственно в грунте и методом подвеса позволяет создать какую угодно конфигурацию сети, независимо от наличия инфраструктуры для размещения кабельных трасс.
Для развития не только антенн сотовой связи, но и уличных точек доступа, видеокамер и прочего низковольтного телекоммуникационного оборудования очевидным преимуществом будет нечувствительность оптических волокон к ударам молнии и электрическим наводкам. Защита от токов перегрузки способствует не только сохранению целостности кабеля и оборудования, но и повысит безопасность работы обслуживающего персонала, а также пожарную безопасность телекоммуникационных помещений и контейнеров связи.
Достигнутые на сегодняшний день возможности питания видеокамеры на расстоянии до 4,4 км в лабораторных условиях и на 1,6 км в реальных условиях с использованием обычного одномодового волокна, показывают, что усовершенствование работы компонентов Power over fiber продолжается, что со временем минимизирует ограничения, описанные выше
Несмотря на относительно скромные результаты, технология перспективна и имеет множество различных применений, в том числе в отрасли телекоммуникаций.
