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电力光纤(power over fiber)

定义:
将光纤中的光功率传输到电子器件中的光纤。
相关词条:
光纤电缆  光纤光学  光纤  激光二极管 

光纤电缆可以将光源中的光功率传输到需要用的地方。电力光纤或者光子电源表示光功率是由激光二极管产生,然后在底端传化成一些电子器件中的电能。这种转化可以通过光伏电池来得到,即采用砷化镓、铟磷或者铟镓砷等材料制作的半导体器件。典型的系统包括一个辐射几瓦特光功率的激光二极管,几百米长的多模光纤和有源区为几平方毫米有源区的光电池。 


虽然绝缘铜线传输电能是一种更加简单的方法,但是电力光纤在某些特殊领域具有很大的优势: 

  1. 不导电的光纤电缆(采用玻璃光纤或者塑料光纤)可以用在高电压的情况下。例如,光纤可以传输高压传输线中电流换能器的功率。这种采用光功率隔离器的电流传感器可以替代体变压器系统。 

  2. 当器件与天线连接时,电力光纤的绝缘性质也非常有用(例如,一些微波信号接收器),因为有可能会被闪电击中。这时就不存在闪电进入电缆的危险。 

  3. 采用光学传输可以避免强磁场(例如,磁共振成像)和电磁干扰的影响。并且也不会辐射任何电磁场,因此也不会干扰其它器件。 

  4. 并且不会存在爆炸材料引起的风险(例如,飞机上的油箱),但是电学器件会产生电火花。 

  5. 在光纤通信系统中,如果没有电子连接器时可以采用备用光纤传输光。 

  6. 光纤比电缆重量轻很多,并且可以耐高温。 

  7. 光纤可以从传感器中传回数据,需要利用其他的波长信道。 

因此,这种光纤有望应用于很多领域,例如工业传感器,航空和光学通信中。 

但是一个很明显的缺点是光学元件的成本和能实现的有限功率和转换效率。当功率为几瓦特时还存在激光安全问题,因为有可能使光纤损坏。 


波长选取和功率效率 

在短距离传输时,辐射750-850 nm附近的激光二极管可以与GaAs光伏电池结合。光伏电池的功率效率很容易达到40-50%,即比普通的太阳能电池高很多,因为光子能量与光伏电池的带隙更加匹配。采用短光纤系统的电电效率可以在20-30%量级。 

光纤中的光学损耗主要来自于散射,限制了传输距离和系统的功率效率。工作在更长波长处的系统可以实现更长的传输距离(几千米),因为拉曼散射显著减小。

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