УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И МОЩНОСТИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛНОВОДУ Российский патент 2018 года по МПК H04B10/80 

Настоящее изобретение относится к оптической волоконной связи и передаче мощности, а точнее к устройству для одновременной полнодуплексной передачи данных и передачи мощности по оптическому волноводу между базовой станцией и удаленной станцией.

Обмен данными по оптоволоконным кабелям очень хорошо известен, и в настоящее время его осуществляют в течение длительного времени. Оптическая передача мощности через волоконную оптику к настоящему времени была известна в течение многих лет в технологии постоянного тока высокого напряжения (high voltage direct current, HVDC) и завоевывает все большую и большую популярность из-за многочисленных преимуществ, которые она дает. Обеспечиваемая через волокно электрическая мощность обладает преимуществом обеспечения полной невосприимчивости к электрическому шуму и обеспечивает полную изоляцию источника и системы.

Одновременный обмен данными и мощностью по оптоволоконным кабелям требует наличия огромных количеств кабелей, т.е. кабеля для передачи данных, кабеля для приема данных и отдельного кабеля для передачи мощности. В этих системах для двунаправленного обмена данными через одиночный оптический волновод используют дуплексные модули. Эти модули содержат передающий диод и принимающий фотодиод, и каждый из них обычно работает при различных длинах волны. Мощность подается на электронные модули по дополнительному оптическому волноводу. Для этого свет вводят в оптический волновод с помощью высокомощного лазера. Свет затем преобразуют назад в электрическую энергию в электронном модуле с помощью фотоэлектрического преобразователя. Такие модули используют, например, для измерения тока и напряжения при потенциале высокого напряжения. Таким же образом, помимо измерительных модулей, также используются модули пусковых разрядников при потенциале высокого напряжения, которые требуются для воспламенения путей тока дуги или дуговых разрядов.

Кроме того, дуплексные модули также пригодны для применений в медицинской технологии, которые снабжены двумя лазерами различной мощности или длины волны и которые также вводят в одиночный оптический волновод.

Преимущества использования оптоволоконных кабелей широко известны. Использование оптоволоконных кабелей для передачи приводит к низким потерям передачи и отсутствию каких-либо переходных помех и расширяет диапазон рабочих частот, пригодных для использования. Они обеспечивают безопасность сигнала, электрическую изоляцию и обеспечивают невосприимчивость к помехам. Более того, оптоволоконные кабели небольшие по размеру и массе, а сырьевые материалы доступны в большом количестве. Это всего лишь некоторые из преимуществ использования оптоволоконных кабелей для передачи данных и мощности.

Однако при использовании дуплексных модулей, как было упомянуто ранее для передачи данных, для передачи мощности, наряду с данными используют отдельный оптический волновод. Это повышает затраты на передачу, поскольку для дополнительного кабеля для передачи мощности требуется избыток сырья. Также затраты повышает установка.

В Патенте США 7844154 раскрыт специальный кабель, в котором передача данных и мощности может происходить через одиночный оптический волновод. Этот кабель устраняет необходимость в использовании отдельного кабеля для передачи мощности в системе для передачи данных. В этом патенте раскрыто оптическое волокно, адаптированное для переноса оптической мощности для энергоснабжения электрического устройства, а также адаптировано (не обязательно) для переноса оптических данных для обработки сигнала. Оптическое волокно, способное переносить как оптические данные, так и оптическую мощность, включает в себя центральную область волновода данных, которая переносит данные по свету и кольцевую область волновода мощности, концентрически окружающую область волновода данных и адаптированную для переноса относительно больших количеств оптической мощности.

Однако раскрытое выше изобретение требует специального структурного изменения, которое необходимо сделать для обычного оптоволоконного кабеля, что включает в себя создание различных коаксиальных каналов для передачи мощности и данных по отдельности через один и тот же кабель.

Поэтому существует потребность в устройстве, которое передает мощность и данные одновременно по одиночному оптическому волноводу, без необходимости в каких-либо структурных изменениях для существующего оптического волновода.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение рентабельного устройства для одновременной передачи данных и мощности по одиночному оптическому волноводу, без изменения структуры существующего оптического волновода.

Задача объединения полнодуплексной передачи данных с одновременной передачей мощности по тому же самому оптическому волноводу достигается путем передачи данных при одной длине волны, приема данных при другой длине волны и передачи мощности по третьей отличной длине волны, путем использования триплексных модулей.

Предложенное решение преодолевает необходимость в укладке дополнительных волоконных кабелей для передачи мощности или в привнесении структурных изменений в обычные оптические волноводы для передачи мощности. Поскольку передача данных и мощности, подаваемых к электронным модулям с помощью лазерного света, происходит через один-единственный оптический волновод путем использования триплексных модулей, это приводит к сбережению сырья, из которого изготовлен оптический волновод, и это также приводит к сбережению эксплуатационных расходов, требуемых на укладку оптических волноводов, поскольку только одиночный волновод может обеспечить желаемый результат.

Существующий способ для передачи данных по лазерному каналу, особенно восходящая передача от базовой станции к удаленной станции, подвержен ошибкам, поскольку передачу данных также приходится осуществлять одновременно с энергоснабжением модуля, - иными словами, энергоснабжение модуля достигается через передачу данных. В случае системы триплексных модулей, как было раскрыто в настоящем изобретении, использование передачи данных и энергоснабжения посредством лазерного света происходит полностью независимо друг от друга. В результате можно ожидать большей надежности передачи и установки.

В изобретении раскрыто устройство и способ для одновременной полнодуплексной передачи данных и мощности по одиночному оптическому волноводу, с использованием триплексных модулей. В данном устройстве оптический волновод соединяет базовую станцию и удаленную станцию. На базовой станции лазерный источник высокой мощности или лазерный источник высокой мощности испускает первый лазерный луч для переноса мощности, а лазерный источник низкой мощности, например лазерный диод низкой мощности, испускает второй лазерный луч для переноса данных от базовой станции к удаленной станции по оптическому волноводу. Оптический интерфейс вводит лазерные лучи в оптический волновод для передачи. Первый и второй лазерные лучи принимаются на соответствующих первом и втором оптических приемниках базовой станции. Аналогично, на удаленной станции третий лазерный луч испускается лазерным источником низкой мощности, например лазерным диодом низкой мощности, для переноса данных от удаленной станции к базовой станции, и этот луч принимается на оптическом приемнике базовой станции. Длины волны первого, второго и третьего лазерных лучей отличны друг от друга.

В изобретении раскрыто устройство для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу между базовой станцией и удаленной станцией. Передача данных представляет собой полнодуплексную двухканальную передачу. Устройство содержит базовую станцию, удаленную станцию и оптический волновод, который соединяет базовую станцию с удаленной станцией. Базовая станция предназначена для передачи и приема данных и для передачи мощности по оптическому волноводу. Базовая станция содержит лазерный источник высокой мощности для испускания первого лазерного луча при первой длине волны, лазерный источник низкой мощности, такой как лазерный диод низкой мощности, для испускания второго лазерного луча при второй длине волны, и оптический приемник базовой станции для приема третьего лазерного луча при третьей длине волны от удаленной станции. Первый лазерный луч используют для передачи мощности от базовой станции к удаленной станции, второй лазерный луч используют для передачи данных от базовой станции к удаленной станции, а третий лазерный луч используют для передачи данных от удаленной станции к базовой станции. Устройство дополнительно содержит оптический интерфейс базовой станции для одновременного введения первого и второго лазерных лучей в оптический волновод и для наведения третьего лазерного луча от оптического волновода на оптический приемник базовой станции.

Удаленная станция предназначена для приема и передачи данных и для приема мощности по оптическому волноводу от базовой станции. Удаленная станция также содержит лазерный источник низкой мощности, такой как лазерный диод низкой мощности, для генерирования, по меньшей мере, третьего лазерного луча для передачи данных от удаленной станции к базовой станции, первый оптический приемник базовой станции - для приема первого лазерного луча от базовой станции, второй оптический приемник базовой станции - для приема второго лазерного луча от базовой станции. Устройство дополнительно содержит оптический интерфейс удаленной станции для одновременного наведения первого лазерного луча на первый оптический приемник базовой станции, второй лазерный луч - ко второму оптическому приемнику базовой станции, и для введения третьего лазерного луча в оптический волновод.

В устройстве первая, вторая и третья длины волны, соответственно, первого, второго и третьего лазерных лучей отличны друг от друга. Устройства для передачи мощности от базовой станции к удаленной станции, т.е. лазерный источник высокой мощности, действующий как передатчик мощности, и первый оптический приемник базовой станции, работают при первой длине волны. Устройства для передачи данных от базовой станции к удаленной станции, т.е. лазерный диод низкой мощности на базовой станции, действующий как восходящий передатчик данных, и второй оптический приемник базовой станции, работают при второй длине волны. Устройства для нисходящей передаче данных от удаленной станции к базовой станции, т.е. лазерный диод низкой мощности на удаленной станции, действующий как нисходящий передатчик данных, и оптический приемник базовой станции работают при третьей длине волны.

Свойства лазерных лучей, такие как узкая ширина спектра, высокая интенсивность, высокий уровень направленности и когерентности делают его наилучшим выбором для этих применений.

Примером оптического волновода, используемого в устройстве, являются мультимодальные волоконные кабели 62,5/125 или 105/125 мкм.

В другом варианте воплощения первый оптический приемник базовой станции содержит фотоэлектрический преобразователь энергии (photovoltaic power converter, PPC) для преобразования мощности, принимаемой от первого лазерного луча, в электрическую энергию. Мощность передается в виде света через первый лазерный луч по оптическому волноводу, и мощность принимается на удаленной станции. PPC принимает мощность от лазерного луча и преобразует энергию света в электрическую энергию. В примере PPC представляет собой PPC-6E, который представляет собой фотоэлектрический преобразователь энергии, оптимизирован для максимальной эффективности освещения в диапазоне 790-850 нм. Он сконструирован для преобразования света 790-850 нм в электрическую мощность до 6 В, с выходной мощностью от нескольких мВт до 0,5 Вт. PPC-6E поставляется с соединителями типа ST или FC. Он обеспечивает полную электрическую изоляцию. PPC-6E оптимизирован для источника света 810 нм.

Мощность, передаваемую по оптическому волноводу, подают на электронный модуль при высоком напряжении на удаленной станции. Примеры электронных модулей представляют собой измерительные модули, модули пусковых разрядников и т.д. Такие модули используются, например, для измерения тока и напряжения при потенциале высокого напряжения. Таким же образом, помимо измерительных модулей, используются модули пусковых разрядников при потенциале высокого напряжения, который требуется для воспламенения путей тока для дуги или дуговых промежутков.

Таким образом, с помощью, соответственно, дополнительного лазерного диода высокой мощности или фотоэлектрического элемента мощность подают на электронные модули, комплекты, панели и т.д., при высоком напряжении с помощью одиночного оптического волновода или, иными словами, светового волновода, оптического волокна и т.д.

В другом варианте воплощения устройства оптический приемник базовой станции, первый оптический приемник базовой станции и второй оптический приемник базовой станции представляют собой фотодиоды. Фотодиоды представляют собой полупроводниковые фотодетекторы, способные преобразовывать свет, происходящий из первого, второго и третьего лазерных лучей, в ток, либо в напряжение. Эти фотодиоды могут воспринимать люминесцентную мощность лазерных лучей, падающих на них, и преобразовывать эту оптическую мощность в соответствующий электрический ток. Эти фотодиоды используют исключительно из-за их небольшого размера, подходящего материала, высокой чувствительности и быстрого времени отклика.

В дополнительном варианте воплощения лазерные источники низкой мощности, т.е. лазерный источник низкой мощности на базовой станции и/или лазерный источник низкой мощности на удаленной станции представляют собой лазерные диоды. В дополнительном варианте воплощения эти лазерные диоды являются диодами типа лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL). VCSEL представляет собой полупроводниковый лазерный диод, у которого испускание лазерного луча происходит перпендикулярно к верхней поверхности, в отличие от стандартных полупроводниковых лазеров с краевым излучением. Использование VCSEL может сделать конструкцию устройства проще за счет обеспечения лазерного луча в конкретном направлении, по желанию.

В еще одном варианте воплощения лазерный источник высокой мощности имеет радиатор, соединенный с ним, для рассеивания тепла, исходящего из лазерного источника высокой мощности. Лазерный источник высокой мощности излучает огромные количества тепла, поскольку он генерирует мощность порядка 1,5 Вт или более. Для рассеивания этого избыточного тепла требуются радиаторы. Радиатор поддерживает температуру базовой станции на низком уровне. Лазерные источники низкой мощности не излучают столько много тепла и, следовательно, не обязательно требуют каких-либо радиаторов.

Однако использование радиатора не является обязательным, поскольку рассеивание мощности зависит от требуемой мощности лазера и рабочего цикла. В случае если требуется охлаждение, например в случае высокой мощности или высокого рабочего цикла, может быть использован любой вид охлаждения, а именно пассивное охлаждение, например использование радиаторов, или активное охлаждение, например использование охлаждающих вентиляторов.

В дополнительном варианте воплощения лазерный источник низкой мощности базовой станции, оптический приемник базовой станции, оптический интерфейс базовой станции и лазерный источник высокой мощности расположены внутри кожуха базовой станции. Этот кожух вместе образует триплексный модуль базовой станции. Эта «совмещенная версия» устройства придает устройству компактную структуру и делает его более портативным.

В другом варианте воплощения лазерный источник низкой мощности базовой станции, оптический интерфейс базовой станции и оптический приемник базовой станции вместе образуют триплексный модуль базовой станции, установленный внутри кожуха базовой станции. Лазерный источник высокой мощности соединяют с триплексным модулем базовой станции через первое неразъемное соединение, с волноводом для подачи первого лазерного луча в триплексный модуль базовой станции. Это неразъемное соединение с волноводом может быть изготовлено из отрезка оптического волокна. Эта «версия отрезка оптоволокна» конфигурации подключения лазерного источника высокой мощности в качестве внешнего прикрепления к триплексному модулю базовой станции обладает преимуществом. Лазерный источник высокой мощности излучает много тепла, поскольку он генерирует мощность порядка 1,5 Вт или более. Для рассеивания этого тепла приходится устанавливать радиатор. Радиатор может занимать значительное пространство. Наличие лазерного источника высокой мощности в качестве отдельного модуля, соединенного с триплексным модулем базовой станции через неразъемное соединение с волноводом, будет снижать размер триплексного модуля базовой станции, поскольку модуль лазера высокой мощности наряду с радиатором находится снаружи от триплексного модуля и образует отдельный внешний блок. Это делает устройство более гибким, вследствие чего оно может легко поместиться в более крупных системах.

В другом варианте воплощения лазерный источник низкой мощности удаленной станции, оптический интерфейс удаленной станции, первый оптический приемник удаленной станции и второй оптический приемник базовой станции расположены внутри кожуха удаленной станции. Этот кожух вместе образует триплексный модуль удаленной станции. Эта объединенная версия придает устройству компактную структуру и делает его более портативным.

В еще одном варианте воплощения лазерный источник низкой мощности удаленной станции, оптический интерфейс удаленной станции и второй оптический приемник базовой станции вместе образуют триплексный модуль удаленной станции, установленный внутри кожуха удаленной станции. Первый оптический приемник базовой станции соединяют с триплексным модулем удаленной станции через второе неразъемное соединение, с волноводом для приема третьего лазерного луча, исходящего из триплексного модуля удаленной станции. Преимущество наличия оптического приемника базовой станции снаружи от триплексного модуля удаленной станции состоит в том, что он придает гибкость устройству, а второе неразъемное соединение с волноводом обеспечивает подключаемость к триплексному модулю удаленной станции, без ущерба для его функциональности.

В варианте воплощения изобретения первая длина волны составляет 808 или 940 нм, вторая длина волны составляет 1310 нм, а третья длина волны составляет 850 нм.

В еще одном варианте воплощения оптический интерфейс базовой станции содержит оптическую схему устройств базовой станции, а оптический интерфейс удаленной станции содержит оптическую схему удаленной станции устройств. Каждое из этих устройств является проницаемым для селективной длины волны. Иными словами, каждое устройство будет позволять лишь определенной длине волны или диапазону длин волн света проходить через него и будет либо отражать, либо преломлять остальные длины волны света. Следовательно, лазерные лучи, имеющие различные длины волн, падающие на эти устройства, будут обрабатываться устройствами по-разному, исходя из характеристики проницаемости каждого устройства.

Оптическая схема устройств базовой станции содержит первое устройство, проницаемое для первого лазерного луча и отражающее третий лазерный луч. Первое устройство установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч входил в оптический волновод, а третий лазерный луч, выходящий из оптического волновода, отражался по направлению к оптическому приемнику базовой станции. Оптическая схема устройств базовой станции дополнительно содержит второе устройство, проницаемое для первого и третьего лазерного луча и отражающее второй лазерный луч, причем второе устройство установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч входил в оптический волновод, третий лазерный луч проходил через второе устройство по направлению к первому устройству, а второй лазерный луч отражался и входил в оптический волновод.

Оптическая схема устройств удаленной станции содержит третье устройство, проницаемое для первого и третьего лазерного луча и отражающее второй лазерный луч. Третье устройство установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч после прохождения через третье устройство был направлен на четвертое устройство, причем третий лазерный луч вводят в оптический волновод, а второй лазерный луч, выходящий из оптического волновода, отражается по направлению ко второму оптическому приемнику базовой станции. Четвертое устройство является проницаемым для первого лазерного луча и отражает третий лазерный луч. Четвертое устройство установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч был направлен на первый оптический приемник удаленной станции, а третий лазерный луч отражался по направлению к третьему устройству.

Это расположение устройств обеспечивает, чтобы мощность передавалась по оптическому волноводу при другой длине волны, не мешая передаче данных, которая происходит при другой длине волны по тому же самому оптическому волноводу. Также следует отметить, что передача данных от базовой станции к удаленной станции, т.е. восходящая передача, и передача данных от удаленной станции к базовой станции, т.е. нисходящая передача, происходит при двух различных длинах волн.

В другом варианте воплощения каждое из устройств из базовой станции, а также из устройств оптической схемы удаленной станции представляет собой зеркало, фильтр или линзу. Эти зеркала или линзы действуют как фильтры для определенной длины волны. Они специально сконструированы для обеспечения прохождения только избранных длин волны света и блокирования других длин волн света. Это обеспечивает, чтобы лазерные лучи направлялись в оптический волновод и из него и чтобы они точно падали на соответствующие приемники на базовой и удаленной станциях.

В варианте воплощения тип шаровых линз используется в сочетании с фильтрами, соответствующими используемой длине волны, для фокусирования лучей на приемниках через волоконный соединитель. Выбор линзы, зеркала или фильтра может зависеть от доступного пространства внутри кожуха для триплексных модулей.

В изобретении также раскрыт вариант воплощения способа для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу, соединяющему базовую станцию и удаленную станцию. Способ содержит этапы генерирования первого лазерного луча, имеющего первую длину волны, из лазерного источника высокой мощности на базовой станции, генерирования второго лазерного луча, имеющего вторую длину волны, из лазерного источника низкой мощности на базовой станции, введения первого и второго лазерных лучей в оптический волновод. Далее, способ содержит этапы передачи мощности по первому лазерному лучу от базовой станции к удаленной станции через оптический волновод и передачи данных по второму лазерному лучу от базовой станции к удаленной станции через оптический волновод.

Первый лазерный луч, переносящий мощность, затем направляют на первый оптический приемник базовой станции, а второй лазерный луч, переносящий данные, направляют на второй оптический приемник базовой станции. Переданная мощность, перенесенная первым лазерным лучом, принимается от базовой станции на первом оптическом приемнике базовой станции, а переданные данные, перенесенные вторым лазерным лучом, принимается от базовой станции на втором оптическом приемнике базовой станции.

Способ дополнительно содержит этапы генерирования третьего лазерного луча, имеющего третью длину волны, из лазерного источника низкой мощности на удаленной станции, введения третьего лазерного луча в оптический волновод и передачи данных по третьему лазерному лучу от удаленной станции к базовой станции через оптический волновод. Затем третий лазерный луч направляют из оптического волновода на оптический приемник базовой станции, где данные от удаленной станции принимаются на оптическом приемнике базовой станции.

В этом способе первая, вторая и третья длины волн отличны друг от друга. Этот предотвращает перекрестные помехи или взаимное влияние между передачей данных и передачей мощности.

В варианте воплощения способа этап передачи мощности по первому лазерному лучу от базовой станции к удаленной станции через оптический волновод, этап передачи данных по второму лазерному лучу от базовой станции к удаленной станции через оптический волновод и этап передачи данных по третьему лазерному лучу от удаленной станции к базовой станции через оптический волновод возникают одновременно. Это приводит к полнодуплексному обмену данными, возникающему одновременно с передачей мощности, причем то и другое происходит независимо друг от друга, без каких-либо взаимных влияний.

Дополнительно, устройство для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу может содержать несколько или все признаки, которые были упомянуты выше для различных вариантов воплощения устройства согласно изобретению.

Вышеупомянутые и другие признаки изобретения далее будут описаны применительно к прилагаемым чертежам настоящего изобретения. Проиллюстрированные варианты воплощения предназначены для иллюстрирования, а не для ограничения изобретения. Чертежи содержат следующие Фигуры, на которых сходные номера относятся к сходным деталям на протяжении всего описания и чертежей.

ФИГ. 1 представляет собой принципиальную схему устройства для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу между базовой станцией и удаленной станцией.

ФИГ. 2 представляет собой принципиальную схему другого варианта воплощения устройства, где лазерный источник высокой мощности и первый оптический приемник базовой станции соединены с базовой и удаленной станцией, соответственно, через неразъемные соединения с волноводами.

ФИГ. 3 представляет собой блок-схему, отображающую способ для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу, соединяющему базовую станцию и удаленную станцию.

Различные варианты воплощения описаны применительно к чертежам, на которых сходные номера ссылок используются для обозначения сходных элементов на всех чертежах. В дальнейшем описании, в целях разъяснения, многочисленные конкретные детали изложены для обеспечения полного понимания одного или более вариантов воплощения. Может быть очевидным, что такие варианты воплощения могут быть реализованы без этих конкретных деталей.

ФИГ. 1 представляет собой принципиальную схему устройства 1 для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу 2 между базовой станцией 3 и удаленной станцией 4. Базовая станция 3 в основном содержит лазерный источник высокой мощности 5, лазерный источник низкой мощности 7 базовой станции, оптическую схему устройств 24 базовой станции, содержащую первое устройство 26 и второе устройство 27, и оптический приемник 9 базовой станции. Удаленная станция 4 в основном содержит лазерный источник низкой мощности 12 удаленной станции, оптическую схему устройств 25 удаленной станции, содержащую третье устройство 28 и четвертое устройство 29, первый 13 оптический приемник базовой станции и второй 14 оптический приемник базовой станции.

Лазерный источник высокой мощности 5 на базовой станции 3 генерирует первый лазерный луч 6, имеющий определенную длину волны. Этот первый лазерный луч 6 проходит через первое устройство 26 и второе устройство 27, а затем вводится в оптический волновод 2 посредством оптического интерфейса 11 базовой станции. Этот первый лазерный луч 6 затем передается по оптическому волноводу 2 и направляется на первый 13 оптический приемник базовой станции оптическим интерфейсом 15 удаленной станции, после прохождения через третье 28 и четвертое 29 устройство. Третье 28 и четвертое 29 устройства являются частью оптической схемы устройств 25 удаленной станции.

Примером оптического приемника 13 базовой станции является PPC-6E, который представляет собой фотоэлектрический преобразователь мощности (photo voltaic power converter, PPC). Он работает при длинах волн 808 или 940 нм. PPC преобразует энергию, полученную от первого лазерного луча 6, в электрическую энергию. При использовании PPC-6E может быть получена энергия приблизительно 6 В и до 500 мВт. Эту электрическую энергию можно использовать для различных применений, как было упомянуто ранее.

Лазерный источник низкой мощности 7 базовой станции на базовой станции 3 генерирует второй лазерный луч 8 при второй длине волны. Этот второй лазерный луч 8 отражается от второго устройства 27, а затем вводится в оптический волновод 2 оптическим интерфейсом 11 базовой станции. Этот второй лазерный луч 8 затем передается по оптическому волноводу 2 и направляется на второй 14 оптический приемник базовой станции оптическим интерфейсом 15 удаленной станции, после отражения от третьего 28 устройства. Примерной рабочей длиной волны лазерного источника низкой мощности 7 базовой станции является длина волны 1310 нм.

Некоторые признаки образцового лазерного источника низкой мощности 7 базовой станции состоят в том, что он представляет собой неохлажденный лазерный диод со структурой в виде нескольких квантовых ям (Multi-Quantum-Well, MQW), который работает при температурах от -40°C до +85°C при 5 мВт постоянной волны, и, таким образом, он может работать при высоких температурах без активного охлаждения, причем он представляет собой герметически защищенный активный компонент, который имеет встроенный монитор на основе фотодиода из InGaAs, совместимый с Telcordia (Bellcore) GR-468-CORE и с упаковкой TO-18, имеющий крышку плоского экрана или крышку шаровидного объектива. Примером второго 14 оптического приемника базовой станции является высокоскоростной детектор на основе InGaAs, работающий при длине волны 1310 нм. Этот детектор обладает высоким реагированием, высоким диапазоном электрических частот, высоким быстродействием, высокой надежностью герметичной упаковки и имеет диаметр активной зоны 300 мкм.

Лазерный источник низкой мощности 12 удаленной станции на удаленной станции 4 генерирует третий лазерный луч 10, имеющий третью длину волны. Этот третий лазерный луч 10 отражается от четвертого устройства 29, он проходит через третье устройство 28, а затем его вводят в оптический волновод 2 посредством оптического интерфейса 15 удаленной станции. Этот третий лазерный луч 10 затем передается по оптическому волноводу 2 и направляется на оптический приемник 9 базовой станции посредством оптического интерфейса 11 базовой станции, после прохождения через второй 27 и отражения от первого 26 устройства. Примерная рабочая длина волны лазерного источника низкой мощности 12 удаленной станции составляет 850 нм.

Примером второго 14 оптического приемника базовой станции является фотодиод, работающий при 850 нм, такой как фотодетектор на основе GaAs с малошумным трансимпедансным усилителем. Этот фотодиод, обладающий крупной активной зоной 250 мкм, высоким диапазоном рабочих частот или широким динамическим диапазоном, герметически закрыт в оболочке TO-46, работает с одиночным источником питания 3,3-5В и обеспечивает дифференциальный выход.

Примером лазерного источника низкой мощности 12 удаленной станции на удаленной станции 4, работающей при 850 нм, является одномодный эмиттер типа лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL). Некоторые признаки VCSEL-эмиттера состоят в том, что он работает в одномодном и однополярном режиме, он обеспечивает идеальный круговой гауссов пучок, обладает стабильной поляризацией, имеет крышку плоского экрана TO-46 и имеет встроенную структуру защиты от электростатического разряда (electrostatic discharge, ESD).

Оптические приемники 9, 14 и измерительные преобразователи 7, 12 для передачи данных работают при различных длинах волн. В пределах всего диапазона доступных оптических компонентов возможно несколько основных комбинаций. Как правило, возможны все длины волн, например, начиная с 650 нм и до 1550 нм. Это применимо также и для лазерного источника высокой мощности 5 и первого 13 оптического приемника базовой станции, которые пригодны для различных длин волн.

ФИГ. 1 иллюстрирует комплексную версию устройства. Комплексная версия имеет кожух 17 базовой станции, который содержит лазерный источник низкой мощности 7 базовой станции, оптический приемник 9 базовой станции, оптический интерфейс 11 базовой станции и лазерный источник высокой мощности 5. Этот кожух 17 базовой станции также может образовывать триплексный модуль 18 базовой станции. Установлен радиатор 16, соединенный с лазерным источником высокой мощности 5, для рассеивания тепла, поступающего от лазерного источника высокой мощности 5. Радиатор 16 размещен внутри триплексного модуля 18 базовой станции или кожух 17 базовой станции.

В этой версии триплексного модуля 18 базовой станции соответствующая удаленная станция 4 также имеет комплексную структуру, в которой лазерный источник низкой мощности 12 удаленной станции, оптический интерфейс 15 удаленной станции, первый 13 оптический приемник базовой станции и второй 14 оптический приемник базовой станции расположены внутри кожуха 20 удаленной станции. Этот кожух удаленной станции 20 также может образовывать триплексный модуль 21 удаленной станции.

Следовательно, ФИГ. 1 иллюстрирует вариант воплощения, где в основном лазерный источник высокой мощности 5 и главным образом первый 13 оптический приемник базовой станции или фотоэлектрический преобразователь энергии (PPC) образуют, соответственно, часть триплексного модуля базовой станции 18 и триплексного модуля 21 удаленной станции.

По сравнению с дуплексными модулями согласно уровню техники, эта комплексная версия конструкции триплексного модуля 18 базовой станции потребует наличия большего кожуха для кожуха 17 базовой станции, поскольку рассеивание мощности лазерного источника высокой мощности 5 приведет к нагреву триплексного модуля 18 базовой станции, так что придется рассматривать собственно конструкцию радиатора 16.

В отличие от триплексного модуля 18 базовой станции, у триплексного модуля 21 удаленной станции имеется лишь низкое рассеивание мощности, поскольку первый 13 оптический приемник базовой станции или PPC обеспечивает лишь малую электрическую энергию, например, примерно 100 мВт. Для этого не потребуется никакого радиатора, вследствие чего триплексный модуль 21 удаленной станции и его кожух 20 придется расширить, по сравнению с дуплексным модулем согласно уровню техники, которого вполне достаточно для вмещения дополнительного первого 13 оптического приемника базовой станции или PPC.

Обратимся теперь к ФИГ. 2, где проиллюстрирован другой вариант воплощения устройства для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу 2 между базовой станцией 3 и удаленной станцией 4, где лазерный источник высокой мощности 5 и первый 13 оптический приемник базовой станции соединены, соответственно, с базовой и удаленной станцией через неразъемные соединения с волноводами 19, 23. Лазерный источник высокой мощности 5 и первый 13 оптический приемник базовой станции изготовлены в виде отдельных блоков.

На базовой станции 3 лазерный источник низкой мощности 7 базовой станции, оптический интерфейс 11 базовой станции и оптический приемник 9 базовой станции вместе образуют триплексный модуль 18 базовой станции, установленный внутри кожуха 17 базовой станции. Этот триплексный модуль 18 базовой станции соединен с лазерным источником высокой мощности 5 через первое неразъемное соединение с волноводом 19. Этот волновод 19 может представлять собой отрезок оптоволокна, т.е. одиночное, короткое оптическое волокно. Этот волновод 19 или волоконный гибкий проводник подает первый лазерный луч 6 от лазерного источника высокой мощности 5 в триплексный модуль 18 базовой станции.

Аналогично, для удаленной станции, лазерный источник низкой мощности 12 удаленной станции, оптический интерфейс 15 удаленной станции и второй 14 оптический приемник базовой станции вместе образуют триплексный модуль 21 удаленной станции, установленный внутри кожуха 20 удаленной станции. Этот триплексный модуль 21 удаленной станции соединен с первым 13 оптическим приемником базовой станции через второе неразъемное соединение с волноводом 23. Этот волновод 23 может представлять собой отрезок оптоволокна, т.е. одиночное, короткое оптическое волокно. Этот волновод 23 или волоконный гибкий проводник подает первый лазерный луч 6 от триплексного модуля 21 удаленной станции в первый 13 оптический приемник базовой станции.

Это механическое конструктивное исполнение изготовления лазерного источника высокой мощности 5 и первого 13 оптического приемника базовой станции в виде отдельных блоков и их соединение, соответственно, с триплексным модулем 18 базовой станции и триплексным модулем 21 удаленной станции через отрезки оптоволокна может быть более легким в реализации, чем комплексная версия, проиллюстрированная на ФИГ. 1. Кожух 17 базовой станции и кожух удаленной станции 20 будут более компактными, по сравнению с комплексной версией по ФИГ. 1, поскольку триплексный модуль 18 базовой станции согласно комплексной версии становится более объемным, из-за размера радиатора 16, соединенного с лазерным источником высокой мощности 5.

Также можно вообразить использование смешанной конструкции. Например, «версия отрезка оптоволокна» по ФИГ. 2 для базовой станции 3 и «комплексная версия» по ФИГ. 1 для удаленной станции 4, или наоборот.

Обратимся теперь к ФИГ. 3, где проиллюстрирована блок-схема, отображающая способ 100 для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу 2, соединяющему базовую станцию 3 и удаленную станцию 4. Блок-схема показывает этап 101 генерирования первого лазерного луча 6, имеющего первую длину волны, поступающего от лазерного источника высокой мощности 5 на базовой станции 3, этап 102 генерирования второго лазерного луча 8, имеющего вторую длину волны, поступающего от лазерного источника низкой мощности 7 базовой станции на базовой станции 3, этап 103 введения первого 6 и второго 8 лазерных лучей в оптический волновод 2, этап 104 передачи мощности по первому лазерному лучу 6 от базовой станции 3 к удаленной станции 4 через оптический волновод 2, этап 105 передачи данных по второму лазерному лучу 8 от базовой станции 3 к удаленной станции 4 через оптический волновод 2, этап 106 наведения первого лазерного луча 6 на первый 13 оптический приемник базовой станции и наведения второго лазерного луча 8 на второй 14 оптический приемник базовой станции, этап 107 приема мощности от базовой станции 3 на первом 13 оптическом приемнике базовой станции, этап 108 приема данных от базовой станции 3 на втором 14 оптическом приемнике базовой станции, этап 109 генерирования третьего лазерного луча 10, обладающего третьей длиной волны, поступающего от лазерный источник низкой мощности 12 удаленной станции, находящегося на удаленной станции 4, этап 110 введения третьего лазерного луча 10 в оптический волновод 2, этап 111 передачи данных по третьему лазерному лучу 10 от удаленной станции 4 к базовой станции 3 через оптический волновод 2, этап 112 наведения третьего лазерного луча 10, поступающего от оптического волновода 2, на оптический приемник 9 базовой станции и, наконец, этап 113 приема данных от удаленной станции 4 на оптическом приемнике базовой станции 9, причем первая, вторая и третья длины волны отличны друг от друга.

Хотя изобретение было описано применительно к конкретным вариантам воплощения, настоящее описание не следует рассматривать в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов воплощения, а также альтернативные варианты воплощения изобретения станут ясными для специалистов в данной области техники при обращении к описанию изобретения. Поэтому предполагается, что такие модификации могут быть сделаны без отступления от вариантов воплощения настоящего изобретения, которое задано.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 – система,

2 - оптический волновод,

3 - базовая станция,

4 - удаленная станция,

5 - лазерный источник высокой мощности,

6 - первый лазерный луч,

7 - лазерный источник низкой мощности базовой станции,

8 - второй лазерный луч,

9 - оптический приемник базовой станции,

10 - третий лазерный луч,

11 - оптический интерфейс базовой станции,

12 - лазерный источник низкой мощности удаленной станции,

13 - первый оптический приемник базовой станции,

14 - второй оптический приемник базовой станции,

15 - оптический интерфейс удаленной станции,

16 – радиатор,

17 - кожух базовой станции,

18 - триплексный модуль базовой станции,

19 - первое неразъемное соединение с волноводом,

20 - кожух удаленной станции,

21 - триплексный модуль удаленной станции,

23 - второе неразъемное соединение с волноводом,

24 - оптическая схема устройств базовой станции,

25 - оптическая схема устройств удаленной станции,

26 - первое устройство,

27 - второе устройство,

28 - третье устройство,

29 - четвертое устройство.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для одновременной полнодуплексной передачи данных и мощности по одиночному оптическому волноводу. Технический результат состоит в повышении пропускной способности передачи сигналов. Для этого в данном устройстве оптический волновод соединяет базовую станцию и удаленную станцию. На базовой станции лазерный источник высокой мощности испускает первый лазерный луч для переноса мощности, а лазерный источник низкой мощности базовой станции испускает второй лазерный луч для переноса данных от базовой станции к удаленной станции по оптическому волноводу. Оптический интерфейс вводит лазерные лучи в оптический волновод для передачи. Первый и второй лазерные лучи принимаются на соответствующем первом и втором оптических приемниках базовой станции. Аналогично, на удаленной станции третий лазерный луч испускается лазерным источником низкой мощности удаленной станции для переноса данных от удаленной станции к базовой станции, и этот луч принимается на оптическом приемнике базовой станции. Длины волны первого, второго и третьего лазерных лучей отличны друг от друга. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство (1) для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу (2) между базовой станцией (3) и удаленной станцией (4), причем устройство (1) содержит:

- оптический волновод (2) для соединения базовой станции (3) и удаленной станции (4);

- базовую станцию (3) для передачи и приема данных и для передачи мощности по оптическому волноводу (2), причем базовая станция (3) содержит:

- лазерный источник (5) высокой мощности для испускания первого лазерного луча (6) при первой длине волны, причем первый лазерный луч (6) используется для передачи мощности от базовой станции (3) к удаленной станции (4);

- лазерный источник (7) низкой мощности базовой станции для испускания второго лазерного луча (8) при второй длине волны, причем второй лазерный луч (8) используется для передачи данных от базовой станции (3) к удаленной станции (4);

- оптический приемник (9) базовой станции для приема третьего лазерного луча (10) при третьей длине волны от удаленной станции (4), причем третий лазерный луч (10) используется для передачи данных от удаленной станции (4) к базовой станции (3);

- оптический интерфейс (11) базовой станции для одновременного введения первого (6) и второго (8) лазерных лучей в оптический волновод (2) и для наведения третьего лазерного луча (10) от оптического волновода (2) к оптическому приемнику (9) базовой станции;

- удаленную станцию (4) для приема и передачи данных и для приема мощности по оптическому волноводу (2) от базовой станции (3), причем удаленная станция (4) содержит:

- лазерный источник (12) низкой мощности удаленной станции для генерирования, по меньшей мере, третьего лазерного луча (10) для передачи данных от удаленной станции (4) к базовой станции (3);

- первый оптический приемник (13) удаленной станции для приема первого лазерного луча (6) от базовой станции (3);

- второй оптический приемник (14) базовой станции для приема второго лазерного луча (8) от базовой станции (3);

- оптический интерфейс (15) удаленной станции для одновременного наведения первого лазерного луча (6) на первый оптический приемник (13) удаленной станции, второго лазерного луча (8) на второй оптический приемник (14) базовой станции и для введения третьего лазерного луча (10) в оптический волновод (2);

причем первая, вторая и третья длины волны отличны друг от друга.

2. Устройство (1) по п.1, в котором первый оптический приемник (13) удаленной станции содержит фотоэлектрический преобразователь энергии для преобразования мощности, полученной от первого лазерного луча (6), в электрическую энергию.

3. Устройство (1) по п.1, в котором оптический приемник (9) базовой станции, первый оптический приемник (13) удаленной станции и второй оптический приемник (14) базовой станции представляют собой фотодиоды.

4. Устройство (1) по п.1, в котором лазерный источник (7) низкой мощности базовой станции и/или лазерный источник (12) низкой мощности удаленной станции для генерирования по меньшей мере третьего лазерного луча (10) представляет собой лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором.

5. Устройство (1) по любому из пп.1-4, в котором лазерный источник (5) высокой мощности имеет радиатор (16), соединенный с ним для рассеивания тепла, поступающего от лазерного источника (5) высокой мощности.

6. Устройство (1) по п.5, в котором лазерный источник (7) низкой мощности базовой станции, оптический приемник (9) базовой станции, оптический интерфейс (11) базовой станции и лазерный источник (5) высокой мощности расположены внутри кожуха (17) базовой станции.

7. Устройство (1) по п.5, в котором лазерный источник (7) низкой мощности базовой станции, оптический интерфейс (11) базовой станции и оптический приемник (9) базовой станции вместе образуют триплексный модуль (18) базовой станции, установленный внутри кожуха (17) базовой станции, а лазерный источник (5) высокой мощности соединен с триплексным модулем (18) базовой станции через первое неразъемное соединение с волноводом (19) для подачи первого лазерного луча (6) в триплексный модуль (18) базовой станции.

8. Устройство (1) по п.7, в котором лазерный источник (12) низкой мощности удаленной станции, оптический интерфейс (15) удаленной станции, первый оптический приемник (13) удаленной станции и второй оптический приемник (14) базовой станции расположены внутри кожуха (20) удаленной станции.

9. Устройство (1) по п.8, в котором лазерный источник (12) низкой мощности удаленной станции, оптический интерфейс (15) удаленной станции и второй оптический приемник (14) базовой станции вместе образуют триплексный модуль (21) удаленной станции, установленной внутри кожуха (20) удаленной станции, а первый оптический приемник (13) удаленной станции соединен с триплексным модулем (21) удаленной станции через второе неразъемное соединение с волноводом (23) для подачи третьего лазерного луча (10) в триплексный модуль (21) удаленной станции.

10. Устройство (1) по п.9, в котором первая длина волны составляет 808 или 940 нм, вторая длина волны составляет 1310 нм, а третья длина волны составляет 850 нм.

11. Устройство (1) по любому из пп.1-4, в котором оптический интерфейс (11) базовой станции содержит оптическую схему устройств (24) базовой станции, а оптический интерфейс (15) удаленной станции содержит оптическую схему устройств (25) удаленной станции, в которой каждое устройство (26, 27, 28, 29) является проницаемым для селективной длины волны, причем

- оптическая схема устройств (24) базовой станции содержит:

- первое устройство (26), проницаемое для первого лазерного луча (6) и отражающее третий лазерный луч (10), причем первое устройство (26) установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч (6) был введен в оптический волновод (2), а третий лазерный луч (10), поступающий из оптического волновода (2), был отражен по направлению к оптическому приемнику (9) базовой станции;

- второе устройство (27), проницаемое для первого (6) и третьего (10) лазерного луча и отражающее второй лазерный луч (8), причем второе устройство (27) установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч (6) был введен в оптический волновод (2), третий лазерный луч (10) проходил через второе устройство (27) по направлению к первому устройству (26), а второй лазерный луч (8) был отражен и введен в оптический волновод (2); и

- оптическая схема устройств (25) удаленной станции содержит:

- третье устройство (28), проницаемое для первого (6) и третьего (10) лазерного луча и отражающее второй лазерный луч (8), причем третье устройство (28) установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч (6) после прохождения через третье устройство (28) был направлен к четвертому устройству (29), третий лазерный луч (10) был введен в оптический волновод (2), и второй лазерный луч (8), поступающий из оптического волновода (2), был отражен по направлению ко второму оптическому приемнику базовой станции (9);

- четвертое устройство (29), проницаемое для первого лазерного луча и отражающее третий лазерный луч (10), причем четвертое устройство (29) установлено таким образом, чтобы первый лазерный луч (6) был направлен на первый оптический приемник (13) удаленной станции, а третий лазерный луч (10) был отражен по направлению к третьему устройству (28).

12. Устройство (1) по п.11, в котором каждое из устройств (26, 27, 28, 29) представляет собой зеркало, фильтр или линзу.

13. Способ (100) для одновременной передачи данных и мощности по оптическому волноводу (2), соединяющему базовую станцию (3) и удаленную станцию (4), причем способ (100) содержит этапы:

- генерирования (101) первого лазерного луча (6), имеющего первую длину волны от лазерного источника (5) высокой мощности на базовой станции (3);

- генерирования (102) второго лазерного луча (8), имеющего вторую длину волны от лазерного источника (7) низкой мощности базовой станции на базовой станции (3);

- введения (103) первого (6) и второго (8) лазерных лучей в оптический волновод (2);

- передачи мощности (104) по первому лазерному лучу (6) от базовой станции (3) к удаленной станции (4) через оптический волновод (2);

- передачи данных (105) по второму лазерному лучу (8) от базовой станции (3) к удаленной станции (4) через оптический волновод (2);

- наведения (106) первого лазерного луча (6) на первый оптический приемник (13) удаленной станции и наведения второго лазерного луча (8) на второй оптический приемник (14) базовой станции;

- приема мощности (107) от базовой станции (3) на первом оптическом приемнике (13) удаленной станции;

- приема данных (108) от базовой станции (3) на втором оптическом приемнике (14) базовой станции;

- генерирования (109) третьего лазерного луча (10), имеющего третью длину волны, от лазерного источника (12) низкой мощности удаленной станции на удаленной станции (4);

- введения (110) третьего лазерного луча (10) в оптический волновод (2);

- передачи данных (111) по третьему лазерному лучу (10) от удаленной станции (4) к базовой станции (3) через оптический волновод (2);

- наведения (112) третьего лазерного луча (10) от оптического волновода (2) на оптический приемник (9) базовой станции;

- приема данных (113) от удаленной станции (4) на оптическом приемнике (9) базовой станции;

причем первая, вторая и третья длины волны отличны друг от друга.

14. Способ (100) по п.13, в котором этап передачи мощности (104) по первому лазерному лучу (6) от базовой станции (3) к удаленной станции (4) через оптический волновод (2), этап передачи данных (105) по второму лазерному лучу (8) от базовой станции (3) к удаленной станции (4) через оптический волновод (2) и этап передачи данных (111) по третьему лазерному лучу (10) от удаленной станции (4) к базовой станции (3) через оптический волновод (2) осуществляют одновременно.