光纤供电应用及其对航天领域的启示与建议

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[摘 要]光纤供电是一种新型的电源技术，本文对光纤供电技术应用进行了研究，介绍了国内外技术应用现状及其发展趋势，并结合其应用特点，谈了对航天领域的启示和建议。

[关键词]光纤供电；航天领域；启示与建议

中图分类号：TH823.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0224-01

1 引言

NASA（美国航天局）一直在开展激光空间传输能量的研究，通过激光在自由空间中传递能量，面临的最大的难题为光电转换效率随着距离的增加而急剧减小。光纤供电技术巧妙的解决了这一难题，它通过光纤的全反射效应为激光的传输提供了损耗较小的通道，不受射频和磁场、雷电、电磁脉冲影响，不产生额外的电磁干扰，比传统电缆更轻、装配灵活，且对系统防热设计要求较低。正是因为这些优点，使其在相关领域得到了广泛的应用。

2 发展现状和趋势

2.1 发展现状

20世纪50年代首次发现GaAs材料具有光伏效应，并首次制成砷化镓太阳能电池，效率有6.5%。70年代，美国采用LPE技术，在砷化镓材料的表面生长一层宽禁带窗口层，大大减少了表面复合，转换效率提高至16%，开创了高效率砷化镓太阳电池的新纪元。20世纪80年代后，国外砷化镓太阳能电池技术逐渐演化到采用MOCVD、异质外延、多结叠层结构等最新技术，材料的供电功率和转换效率不断提高，最高效率已达到29%。同时，随着激光技术的发展，采用激光器驱动光电转换材料的研究开始兴起。从20世纪80年代至今，光纤供电技术取得了长足的发展。目前，美国的JDSU、LaserMotive，德国西门子等公司，能提供功耗在1瓦特左右输出稳定的光供电材料，如图1所示，转换的效率可以到达最高60%，传输距离可以达到10km左右。更大功耗的由于稳定性较差，目前多处于实验室研究阶段。

在应用领域，国外光纤供电技术研究起步较早，目前低功耗的应用相对成熟，从20世纪90年代开始，相关技术开始应用于高压输电、军用及航天航空、工业传感器和医疗设备等领域。

2005年，霍尼韦尔公司在国际航空传感器大会上，提出了一种基于光纤供电的传感器网络，可以应用在对噪音、电磁和射频的干扰要求苛刻的场合。2006年，德国KIT公司，成功实现在单根光纤中传输数据和供电。2013年，美国LaserMotive公司在SPIE国际防务安全展览上，展示了光纤供电驱动的小型无人机。这种小型无人机飞行高度可以达到2km，用来进行区域目标监视、通信中继等。

2.2 发展趋势[1]

目前，国外光纤供电技术研究主要集中在790～850nm、900～1000nm和1200～1600nm三个波段。790～850nm波段一般采用铝镓铟或砷化镓光电池材料，可以提供稳定的500mw的1～2km远程输出功耗；900～1000nm波段一般采用铟砷化镓或者砷化镓光电池材料，能够提供稳定的2W以上的1～2km远程输出功耗；长距离的光纤供电一般采用1200～1600nm波段铟砷化镓或者磷化铟光供电材料，可以提供500mw左右10km以上的稳定功率输出。目前，美国JDSU公司在实验室内已经成功实现了10W功耗1km距离的光纤供电演示。

3 应用特点

3.1 电力领域[2]

在电力领域，激光供能系统是解决电力系统测量中绝缘问题的安全可靠方案，通过光纤隔离高、低电压侧，给高压侧数据采集电路提供稳定电源，并且可以通过与能量光纤共用的信号光纤将采集到的信号送到低压侧的数据采集系统，不受高压母线附近的强电磁干扰的影响。同时，光纤不导电、重量轻、集成度高的特点取代了传统电磁式互感器的填油等复杂绝缘结构，体积小，造价低，安装维护成本也大大降低。

3.2 工业传感器

国外的工业传感器也经常采用光纤供电的形式。光纤提供了一种抗噪声，抗火花，绝缘的特殊电源，因此光电转换是传感器应用的理想选择，如电磁干扰测试与测量传感器。

电路会产生辐射无线电频率（RF）能量的电磁场，从而增加了电子超过规定EMI（电磁干扰）限制的可能性。磁场或电场探测器用于EMI测试以量化放射水平，并帮助确定电磁干扰的来源。在该测试中使用的探测器的电源一般由电池提供。当电池需要充电时，测试停止，电池充电或更换。电池充电破坏了试验的连续性，增大了测试周期。光电电源可以作为一个孤立的电源来驱动的EMI探针，从而提供一个单一的电源，从而除去了对电池的需要。全光纤转换可以向探头提供动力，使探头以较高的速率发回采样数据，以方便测量。因此，EMI测试可以更有效率和更经济地在较少的时间里完成。

3.3 医疗设备

磁共振成像（MRI）技术可以通过检测核磁共振信号显示人体图像。这些信号用射频线圈检测，这种线圈可以将信号放大到足够电子处理器可以读出的水平。通常情况下，是由一个非常僵硬、笨重、隐蔽的铜电缆向线圈放大器提供电源。在MRI检查过程中所采用的高转换领域，共模信号和接地回路对保持信号的完整性提出了挑战，并且可能导致因电缆过热发生的烫伤。使用非导电纤维可以消除这些风险，并且改进信号的信噪比。由于纤维需要的横截面面积更小，因此在相同的可用空间内可以使用更多的线圈提供动力以改善成像质量。同样，其他电子故障监测设备在强磁场和射频场内也可使用独立的光子电源，以确保无干扰测量。

4 启示与建议

（一）紧密跟踪光纤供电领域技术发展，充分重视其对于航天领域的意义。目前，国外光纤供电技术在航空航天传感器测量领域有广泛的应用，在国内工业领域也有相关的应用，但在我国航天型号研制方面还未涉足，有较大的应用空间。

未来的航天电气系统将会趋向于重量轻、功耗低、内部通信快速灵活的方向发展。采用光纤供电的方式，可以利用光纤作为能力传递和信息交换的介质，大大降低设备重量，避免传统电缆连接的复杂性以及无线射频通信的带宽限制，降低系统电磁兼容和防热设计的难度，对于我国航天技术发展具有推动意义。

（二）结合航天领域电气系统特点，推动电气系统电缆光纤化。目前箭上、弹上系统、地面测试设备和导弹指挥通信设备电气系统普遍使用电缆，然而，一贯使用的以电缆为媒介进行供电和通信的方式存在着许多弊端。箭、弹上存在着许多不同类型的干扰源，对电缆通信造成很大的电磁干扰。特别是对于武器系统而言，在遇到敌方施加电子干扰时，传统的电缆通信方式可能因电磁兼容的缺陷而导致崩溃。光纤供电技术可以彻底避免电磁干扰，降低电气系统防热设计难度，提高信号传输的安全性和可靠性。光纤还具有转弯半径小方便铺设、传输信号容量大、速率高、衰减小、误码率低等常规电缆无法比拟的优点，有利于提高系统的集成化、小型化和安全性水平。

（三）加强顶层牵引，梳理电缆光纤化研制体系。电缆光纤化涉及系统广泛，工程化工作较为复杂。需要充分发挥总体的顶层牵引作用，通过总体技术论证，统筹策划、分步开展、逐步完善，建立完善的研制体系。同时，加强系统性培训，建立面向型号的光纤化技术专业队伍。在研制过程中，可以先对部分对电磁干扰、噪声、防热要求苛刻的电气设备进行光纤化改造，后续再逐步推广到其它设备，最终实现系统光纤化的最优解决方案。

参考文献

[1] Jan-Gustav Werthen， “Powering Next Generation Networks by Laser Light over Fiber”， OFC/NFOEC Conf.， 2008

[2] 吴士普，刘沛，徐雁，叶妙元.光电电流互感器中的光供电技术应用研究[J].高电压技术，Vol.30 No.4：52-55.