ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ И ДАННЫХ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ

Авторы

  • Павел Дунаев Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина
  • Али Мехтиев Казахский агротехнический университет имени С.Сейфуллина
  • Ермек Сарсикеев Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина
  • Жаныбек Калиев Академия логистики и транспорта

Ключевые слова:

Оптическое волокно, электропитание, фотоэффект, световая волна, передача энергии, передача данных

Аннотация

Целью представленной обзорной статьи является изучение проблем передачи энергии по волоконно-оптическому проводнику, включая источники света и фотопреобразователи. Приведены информационные сведения по одновременной передачи энергии  световой волны и данных по одному оптическому волокну. Представляются сведения о разработках оптических преобразователей световой энергии для получения большей мощности на выходах данных преобразователей. Указаны результаты количественных и качественных исследований электрической изоляции при использовании оптоволоконной технологии, исследования учитывающие особенности распространения световых волн различной длины и интенсивности в одном волоконно-оптическом канале. Рассмотрен опыт отечественных и зарубежных ученых занимающихся вышеуказанными исследованиями.

Биографии авторов

Павел Дунаев, Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина

PhD, и.о. ассоцированного профессора, Астана, Казахстан, dunayev.kz@mail.ru

Али Мехтиев, Казахский агротехнический университет имени С.Сейфуллина

к.т.н., ассоцированный профессор, Астана, Казахстан, barton.kz@mail.ru

Ермек Сарсикеев, Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина

PhD, Астана, Казахстан, sarsikeyev.ermek@yandex.ru

Жаныбек Калиев, Академия логистики и транспорта

PhD, ассистент профессор, Алматы, Казахстан, zh.kaliev@alt.edu.kz

Библиографические ссылки

[1] Алькина А.Д., Дунаев П.А., Кожанова Д.Т., Сарсикеев Е.Ж., Нешина Е.Г., Мехтиев А.Д. Результаты разработки системы передачи энергии по одномодовому оптическому волокну для энергообеспечения маломощных автономных потребителей/ А.Д. Алькина, П.А. Дунаев, Д.Т. Кожанова, Е.Ж. Сарсикеев, Е.Г. Нешина, А.Д. Мехтиев. – № 9015; Дата создания объекта 10.03.2020; Опубл. 27.03.2020. – РГП «Национальный институт интеллектуальной собственности» Министерство Юстиции Республики Казахстан.

[2] P. Sh. Madi, D.A. Gorokhov, R.A. Mekhtiyev and M.Т. Nurmaganbetova. Research offiber-optic displacement sensors IMET 2020. Journal of Physics: Conference Series 1843 (2021) 012016 IOP Publishing.

[3] Мехтиев Р.А., Алькина А.Д., Мехтиев А.Д., Югай В.В., Нешина Е.Г. Волоконно-оптический датчик измерения деформации металлических и не металлических поверхностей. Патент на полезную модель № 4220. Дата регистрации в Государственном реестре полезных моделей Республики Казахстан 01.08.2019.

[4] Мехтиев Р.А., Мехтиев А.Д., Алькина А.Д., Мәди П.Ш., Ковтун А.А., Нешина Е.Г. Датчик для измерения температуры на основе двухлучевого интерферометра. Патент на изобретение № 5044. Дата регистрации в Государственном реестре полезных моделей Республики Казахстан 12.06.2020.

[5] Мехтиев Р.А., Мехтиев А.Д., Алькина А.Д., Мәди П.Ш., Ковтун А.А., Нешина Е. Г. Волоконно-оптический датчик давления. Патент на изобретение № 5045. Дата регистрации в Государственном реестре полезных моделей Республики Казахстан 12.06.2020.

[6] Мехтиев Р.А., Мехтиев А.Д., Алькина А.Д., Мәди П.Ш., Агильбаева М.Ж., Нешина Е. Г. Датчик контроля концентрации вещества на основе оптического волокна. Патент на изобретение № 4708. Дата регистрации в Государственном реестре полезных моделей Республики Казахстан 28.02.2020.

[7] Мехтиев А.Д., Ковтун А.А., Нешина Е.Г., Алькина А.Д. Конструкции волоконно-оптических систем охраны. Materials of the XVI International scientific and practical Conference Trends of modern science. May 30 - June 7, 2020: Sheffield. Science and education LTD -128 p.

[8] Мехтиев А.Д., Ковтун А.А., Нешина Е.Г., Алькина А.Д. Лабораторный образец волоконно-оптической системы охраны с аппаратно – программным комплексом. Materiały XVI Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji, «Aktualne problemy nowoczesnych nauk - 2020», Volume 12 Przemyśl: Nauka i studia -108 s.

[9] Нешина Е.Г. Свидетельство о внесении сведений в государственный реестр прав на объекты, охраняемые авторским правом. Результаты научных исследований по разработке волоконно-оптических систем охраны периметров распределенного типа / Е.Г. Нешина, А.А. Ковтун, А.Д. Алькина, А.Д. Мехтиев, В.В. Югай. – № 8475; Дата создания объекта 25.02.2020; Опубл. 02.03.2020. – РГП «Национальный институт интеллектуальной собственности» Министерство Юстиции Республики Казахстан.

[10] Мехтиев Р.А., Мехтиев А.Д., Алькина А.Д., Мәди П.Ш., Ковтун А.А., Нешина Е.Г., Югай В.В., Бердибеков А Т. Волоконно-оптическая система охранной сигнализации. Патент на изобретение № 5043. Дата регистрации в Государственном реестре полезных моделей Республики Казахстан 12.06.2020.

[11] Zhumazhanov B., Zhetpisbayeva A., Zhetpisbayev K., Yerishova M., Tolegenova A., Serikov Т., Dunayev P., Nauryz K., Kussainova K., Uristimbek G. Modeling the Method for Determining the Stimulated Brillouin Scattering Threshold in a Single-Mode Optical Fiber. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies 1 (5-115), с. 6-13, 2022.

[12] Helmers H., Armbruster C., von Ravenstein M., Derix D., Schöner C. 6-W Optical Power Link with Integrated Optical Data Transmission. IEEE Trans. Power Electron. 2020, 35, 7904.

[13] Haid, Matthias &Armbruster, Cornelius &Derix, David &Schöner, Christian &Helmers, Henning. (2019). 5 W Optical Power Link with Generic Voltage Output and Modulated Data Signal.Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg, Germany.

[14] Matsuura, Motoharu&Nomoto, Hayato& Mamiya, Hikaru& Higuchi, Tadanobu & Masson, Denis &Fafard, S..(2021). Over 40-W Electric Power and Optical Data Transmission Using an Optical Fiber.IEEE Transactions on Power Electronics. 36. 4532-4539. 10.1109/TPEL. 2020.3027551.

[15] Komuro, Y.; Honda, S.; Kurooka, K.; Warigaya, R.; Tanaka, F.; Uchida, S. A 43.0% efficient GaInP photonic power converter with a distributed Bragg reflector under high-power 638 nm laser irradiation of 17 W cm−2.Appl. Phys. Express 2021, 14, 052002.

[16] Ishigaki, Masanori, Simon Fafard, Denis Masson, Matthew M. Wilkins, Christopher E. Valdivia and Karin Hinzer. “A new optically-isolated power converter for 12 V gate drive power supplies applied to high voltage and high speed switching devices.” 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) (2017): 2312-2316.

[17] Fafard, S.; York, M.C.; Proulx, F.; Valdivia, C.E.; Wilkins, M.M.; Arès, R.; Aimez, V.; Hinzer, K.; Masson, D.P. Ultrahigh efficiencies in vertical epitaxial heterostructure architectures. Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 071101.

[18] S. Fafard et al., “High-photovoltage GaAs vertical epitaxial monolithic heterostructures with 20 thin p/n junctions and a conversion efficiency of 60%,” Appl. Phys. Lett., vol. 109, no. 13, 2016, Art. no. 131107.

[19] S. Fafard, D. Masson, J-G Werthen, J. Liu, Ta-Ch Wu, ChHundsberger, M. Schwarzfischer, G. Steinle, ChGaertner, Cl Piemonte and M Weigert. Power and spectral range characteristics for optical power converters.Energies 2021, 14, 4395.

[20] Helmers, H., Lopez, E., Höhn, O., Lackner, D., Schön, J., Schauerte, M., Schachtner, M., Dimroth, F. and Bett, A.W. (2021), 68.9% Efficient GaAs-Based Photonic Power Conversion Enabled by Photon Recycling and Optical Resonance. Phys. Status Solidi RRL, 15: 2100113.

[21] J. Fakidis, S. Videv, H. Helmers and H. Haas, "0.5-Gb/s OFDM-Based Laser Data and Power Transfer using a GaAs Photovoltaic Cell," 2018 IEEE Photonics Conference (IPC), 2018, pp. 1-4.

[22] T. Umezawa, P. T. Dat, K. Kashima, A. Kanno, N. Yamamoto and T. Kawanishi, "100-GHz Radio and Power Over Fiber Transmission Through Multicore Fiber Using Optical-to-Radio Converter," in Journal of Lightwave Technology, vol. 36, no. 2, pp. 617-623, 15 Jan.15, 2018.

[23] Helmers, Henning &Lackner, David &Siefer, Gerald & Oliva, Eduard & Frank, Dimroth&Bett, Andreas. (2016). Integrated Power and Data Transceiver Devices for Power-by-Light Systems – A Concept Study.10.4229/EUPVSEC20162016-1BV.6.10.

[24] Roeger, Moritz &Böttger, Gunnar &Dreschmann, Michael &Klamouris, Christos & Huebner, Michael &Bett, Andreas & Becker, Juergen&Freude, Wolfgang & Leuthold, Juerg. (2009). Optically powered fiber networks. Optics express. 16. 21821-34. 10.1364/OE.16.021821.

[25] Miyakawa, Hiroshi & Tanaka, Yosuke &Kurokawa, Takashi. (2004). Design Approaches to Power-Over-Optical Local-Area-Network Systems. Applied optics. 43. 1379-89. 10.1364/AO.43.001379.

[26] Jaffe, P.; Jenkins, P.; Nugent, T. Energy Transmitted by Laser in ‘Historic’ Power-Beaming Demonstration. Available online: https://youtu.be/Xb9THqrXd4I (accessed on 22 October 2019).

[27] Wilkins, M.; Ishigaki, M.; Provost, P.-O.; Masson, D.; Fafard, S.; Valdivia, C.E.; Dede, E.M.; Hinzer, K. Ripple-free boost-mode power supply using photonic power conversion. IEEE Trans. Power Electron.2018, 34, 1054.

[28] Fafard, S.; Masson, D.; Werthen, J.G.; Hundsberger, C.; Schwarzfi; et al. High-Efficiency Photovoltaic Power Converters and Application to Optical Power Transmission.26th Microoptics Conference (MOC), Hamamatsu, Japan, 26–29 Sept. 2021.

[29] Beattie, M.N.; Valdivia, C.E.; Wilkins, M.M.; Zamiri, M.; Kaller, K.L.C.; Tam, M.C.; Kim, H.S.; Krich, J.J.; Wasilewski, Z.R.; Hinzer,K. High current density tunnel diodes for multi-junction photovoltaic devices on InP substrates. Appl. Phys. Lett. 2021, 118, 062101.

[30] Wagner, L.; Reichmuth, S.K.; Philipps, S.P.; Oliva, E.; Bett, A.W.; Helmers, H. Integrated series/parallel connection for photovoltaic laser power converters with optimized current matching. Prog.Photovolt.Res. Appl. 2020, 29, 172.

[31] Panchak, A.; Khvostikov, V.; Pokrovskiy, P. AlGaAs gradient waveguides for vertical p/n junction GaAs laser power converters. Opt. Laser Technol. 2021, 136, 106735.

[32] Zhao, Y.; Li, S.; Ren, H.; Li, S.; Han, P. Energy band adjustment of 808 nm GaAs laser power converters via gradient doping. J. Semicond. 2021, 42, 032701.

[33] Nouri, N.; Valdivia, C.E.; Beattie, M.N.; Zamiri, M.S.; Krich, J.J.; Hinzer, K. Ultrathin monochromatic photonic power converters with nanostructured back mirror for light trapping of 1310-nm laser illumination. In Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices X; 116810X (5 March 2021).

[34] Fafard, S.; York, M.C.A.; Proulx, F.; Wilkins, M.; Valdivia, C.E.; Bajcsy, M.; Ban, D.; Arès, R.; Aimez, V.; Hinzer, K.; et al.Ultra-efficient N-junction photovoltaic cells with Voc> 14 V at high optical input powers. In Proceedings of the IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference, Portland, OR, USA, 5–10 June 2016; p. 2374.

[35] Proulx, F.; York, M.C.A.; Provost, P.O.; Arès, R.; Aimez, V.; Masson, D.P.; Fafard, S. Measurement of strong photon recycling in ultra-thin GaAs n/p junctions monolithically integrated in high-photovoltage vertical epitaxial heterostructure architectures with conversion efficiencies exceeding 60%. Phys. Status Solidi RRL 2017, 11, 1600385.

[36] Wilkins, M.; Valdivia, C.E.; Gabr, A.M.; Masson, D.; Fafard, S.; Hinzer, K. Luminescent coupling in planar opto-electronic devices.J. Appl. Phys. 2015, 118, 143102.

[37] Xia, D.; Krich, J.J. Efficiency increase in multijunction monochromatic photovoltaic devices due to luminescent coupling. J.Appl.Phys. 2020, 128, 013101.

[38] Kimovec, R.; Helmers, H.; Bett, A.W.; Topic, M. Comprehensive electrical loss analysis of monolithic interconnected multi-segment laser power converters. Prog.Photovolt.Res. Appl. 2019, 27, 199.

[39] Kimovec, R.; Helmers, H.; Bett, A.W.; Topic, M. On the Influence of the Photo-Induced Leakage Current in Monolithically Interconnected Modules. IEEE J. Photovolt. 2018, 8, pp. 541–546.

[40] Fafard, S.; Masson, D.P. US 2015O162478A1-Transducer to Convert Optical Energy to Electrical Energy. U.S. Patent, Jun. 11, 2015.

[41] Yamagata, Y.; Yamada, Y.; Kaifuchi, Y.; Nogawa, R.; Morohashi, R.; Yamaguchi, M. Performance and reliability of high power, high brightness 8xx-9xx nm semiconductor laser diodes. In Proceedings of the 2015 IEEE High Power Diode Lasers and Systems Conference (HPD), Coventry, UK, 14–15 October 2015; pp. 7–8.

[42] K. Worms; C. Klamouris; F. Wegh; et al. Reliable and lightning-safe monitoring of wind turbine rotor blades using optically powered sensors. Wind Energy 2017; 20:345–360.

[43] M. Matsuura and J. Sato, “Bidirectional radio-over-fiber systems using double-clad fibers for optically powered remote antenna units,” IEEE Photon. J., vol. 7, no. 1, pp. 1–9, Feb. 2015.

[44] A. Ahnood et al., “Diamond encapsulated photovoltaics for transdermal power delivery,” Biosensors Bioelectron., vol. 77, pp. 589–597, 2016.

[45] Q. Zhang, W. Fang, Q. Liu, J. Wu, P. Xia, and L. Yang, “Distributed laser charging: A wireless power transfer approach,” IEEE Internet Things J., vol. 5, no. 5, pp. 3853–3864, Oct. 2018.

[46] D. Derix, R. Freiche, C. Schoner, and A. Hensel, “Comparison of continuous and transition mode in a PV-booster with GaN-transistors and switching frequencies up to 250 kHz,” in Proc. 17th Eur. Conf. Power Electron. Appl., Geneva, Switzerland, 2015, pp. 1–7.

[47] S. Fafard et al., "High-Efficiency Photovoltaic Power Converters and Application to Optical Power

[48] S. K. Reichmuth, H. Helmers, S. P. Philipps, M. Schachtner, G. Siefer, and A. W. Bett, “On the temperature dependence of dual-junction laser power converters,” Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 25, no. 1, pp. 67–75, 2017.

[49] Zhao, Yongming& Sun, Yurun& He, Yang & Yu, Shuzhen& Dong, Jianrong. (2016). Design and fabrication of six-volt vertically-stacked GaAs photovoltaic power converter.Scientific Reports. 6. 38044.

[50] R. Kimovec, H. Helmers, A. W. Bett, and M. Topic, “On the Influence of the Photo-Induced Leakage Current in Monolithically Interconnected Modules,” IEEE J. Photovolt., vol. 8, no. 2, pp. 541–546, Mar. 2018.

[51] R. Kimovec, H. Helmers, A. W. Bett, and M. Topic, “Comprehensive electrical loss analysis of monolithic interconnected multi-segment laser power converters,” Prog. Photovolt. Res. Appl., vol. 27, pp. 199–209, 2019.

[52] R. Kimovec, H. Helmers, A. W. Bett, and M. Topic, “Power loss mechanisms in small area monolithic-interconnected photovoltaic modules,” Opto-Electron. Rev., vol. 26, no. 2, pp. 158–164, 2018.

[53] L. Wagner, A. W. Bett, and H. Helmers, “On the alignment tolerance of photovoltaic laser power converters,” Optik—Int. J. Light Electron Opt., vol. 131, pp. 287–291, 2017.

Опубликован

24.01.2023

Как цитировать

Дунаев, П., Мехтиев, А., Сарсикеев, Е., & Калиев, Ж. (2023). ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ И ДАННЫХ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ. Вестник КазАТК, 124(1). извлечено от https://vestnik.alt.edu.kz/index.php/journal/article/view/873

Выпуск

Раздел

Автоматизация, телемеханика, связь, энергетика, информационные системы

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)