Оптическое волокно – среда, предназначенная для передачи сигнала в виде световой волны. Оптоволокно используется при формировании современных систем связи, обеспечивает скорость, дальность передачи, устойчивость сигнала к электромагнитным полям, радионаводкам и другим воздействиям. Несмотря на выдающиеся характеристики, превосходство над витыми парами, коаксиальными кабелями, специалисты продолжают совершенствовать оптоволокно. Разработки недавно были представлены российскими учеными.
Передача энергии по оптическому волокну
Усложнение структуры систем связи – общемировая тенденция. Увеличивается протяженность линий, количество подключенных устройств, каждое из которых – требует электроэнергии для стабильной эффективной работы, обработки, преобразования информации. При этом далеко не всегда к аппаратным компонентам удается подвести отдельную линию питания. Сложности связаны с труднодоступностью, размещением на большой высоте, расположением в средах, склонных к воспламенению или детонации. Альтернатива классическому подключению в таких случаях – передача энергии по оптическому волокну. По оптике идет световой поток, трансформируемый фотоэлектрическим преобразователем в электричество. У метода, однако, есть минусы. Главный – выраженный нагрев преобразователя, приводящий к снижению КПД и поломке.
По сообщению ЛАНарт, специалисты ПНИПУ представили схему устройства, эффективно отводящую избыток тепловой энергии, при этом не требующую внешних систем охлаждения. По мнению разработчиков, температура кристалла снизится примерно на 40 градусов, эффективность вырастет на 10 процентов.
Свойства полупроводника
Оптоволокно может передавать электрическую энергию в формате световых импульсов, продуцируемых лазером. Приемник, устройство, нуждающееся в энергии для стабильного функционирования, комплектуется специальным модулем, фотоэлектрическим преобразователем. Его задача – трансформация светового потока в электричество.
Главным компонентом в данном случае выступает кристалл, изготовленный из кремния или другого материала со свойствами полупроводника. В англоязычной литературе такая методика питания известна как «Power-over-Fiber». Ее важнейшие достоинства – уменьшение выраженности нагрева проводов, что снижает риск плавления и воспламенения, упрощение структуры сети связи, повышение стойкости к помехам. Преобразование света в электричество сопряжено с активной выработкой тепловой энергии, повышением температуры кристалла, что снижает его КПД, провоцирует разрушение. Внешние системы охлаждения габаритны, дороги, сложны в использовании. Специалистам ПНИПУ удалось разработать более технологичную схему.
Power-over-Fiber
Алексей Гаркушин, один из ученых пермского политеха, поделился подробностями. Инновация – компонент фотоэлектрического преобразователя. Кристалл, трансформирующий свет в электричество, находится на панели, эффективно отводящей тепло, расположенной в полой конструкции, сформированной теплопроводящими трубками. На трубках закреплены радиаторы, охлаждающиеся воздухом. Для повышения общей жесткости применяется механический крепеж. Решение кажется простым, однако, оно очень эффективно, для исключения перегрева не требуются вентиляторы и другие активные компоненты.
Описание алгоритма работы дает профессор Виктор Криштоп:
• Поступление светового потока на устройство;
• Многократное его отражение от медных патрубков с высокой теплопроводностью;
• Попадание света на кристалл, трансформация в электричество.
Большая часть вырабатывающегося тепла в процессе рассеивается патрубками и радиатором, температура кристалла снижается на 30, а то и на 40 градусов, эффективность – вырастает на 10 процентов.
Разработка увеличивает общую надежность линий связи, позволяет использовать технологию Power-over-Fiber на опасных объектах, где значителен риск возгорания или детонации, спровоцированных высокой температурой фотоэлектрического преобразователя.
Приоритеты на будущее
Модифицируются не только технологии, связанные с оптическим волокном, но и методики его выпуска. Например, специалистами УрФУ были представлены две новых категории оптических материалов:
• На галогенидах металлов. Назначение – сложные эксплуатационные условия, сопряженные с термическими, механическими нагрузками, воздействием ионизирующего излучения, что характерно, например, для космических аппаратов;
• На галогенидах серебра. Назначение – медицинская техника и другие системы, напрямую взаимодействующие с человеком.
Данными по оптическому волокну второй категории, разработанному в рамках программы «Приоритет-2030», делится Анастасия Южакова, принимающая активное участие в создании, одна из ведущих специалистов УрФУ.
Анастасия Южакова акцентировала внимание на уникальности оптоволокна, изготовленного из галогенидов серебра. Его основная ценность – способность к пропуску светового потока в дальнем и среднем ИК-диапазонах, что критически важно для медицинского оборудования и других систем высокой сложности. Кроме того, волокно на 100% безопасно, не содержит токсичных компонентов, не наносит вреда организму, выдерживает многократную стерилизацию.
Прочие достоинства таковы:
• Минимальные оптические потери. Это свойство делает волокно подходящим для выпуска длинных диагностических каналов, востребованных при проведении сложных полостных операций, хирургических манипуляций;
• Высокая прозрачность в ИК-диапазоне. Сигнал передается с максимальной точностью и четкостью.
Альтернатива волокну из галогенидов серебра – кварцевое. Оно менее технологично, поддерживает только ближний ИК-спектр, плохо подходит для медицинской области из-за сложностей стерилизации. Кварц не является адекватной заменой галогенидам.
Уровень технологичности
Инновационное оптическое волокно на 100% подойдет для производства спектрометров, в которых сейчас используются небезопасные стекла с вредными соединениями таллия. Аналоги окажутся более безопасными, выдерживающими продолжительное воздействие влажной среды.
Лаборатория УрФУ укомплектована всем, что требуется при производстве инновационного оптоволокна. Имеется как сырьевая, так и техническая база. При подготовке исходного материала применяются исключительно российские компоненты, очищенные хлористые кислоты, соли серебра. Цена компонентов невысока, так что высочайший уровень технологичности не делает производство слишком затратным.
Специалисты УрФУ планируют отработать, модернизировать технологию изготовления, скорректировать некоторые ее этапы для повышения общей эффективности, качества, внедрить системы контроля температуры и других показателей для автоматизации. Университет рассчитывает, что оптическое волокно из галогенидов серебра окажется востребованным, понадобится организациям, выпускающим диагностическое, медицинское и другое технологичное оборудование.
