DE102012018616A1 - Verfahren zur Energie- und Informationsübertragung - Google Patents

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Johannes Sebald
Hendra Kesuma
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Airbus Defence and Space GmbH
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Astrium GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/806Arrangements for feeding power
    • H04B10/807Optical power feeding, i.e. transmitting power using an optical signal

Abstract

Bei einem Verfahren zur Energie- und Informationsübertragung mittels Laserstrahlen mit einem Sendemodul mit wenigstens einer Laserlichtquelle und einem Empfängermodul mit wenigstens einem Detektor senden zwei Laser ihre Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen komplementär zueinander aus. Die Korrelation der Signale beider Wellenlängen wird dazu verwendet, um mittels wenigstens zweier Detektoren zu erkennen, ob Daten gesendet werden. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist das Sendemodul zwei Laserlichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge auf und es sind im Empfängermodul wenigstens zwei Detektoren vorgesehen, um die herum Solarzellen angeordnet sind. Ferner ist den Detektoren ein Differenzverstärker nachgeschaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energie- und Informationsübertragung mittels Laserstrahlen mit einem Sendemodul mit wenigstens einer Laserlichtquelle und einem Empfängermodul mit wenigstens einem Detektor. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Derartige Verfahren, die mit einem Laser und einer Laserwellenlänge arbeiten, wurden bereits erfolgreich mit einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer und mit der Datenrate von 155 MB/s mit einer sogenannten NRZ-OOK Modulation (”non return to zero – on off keying”-Modulation) über eine Entfernung von bis zu 4 km eingesetzt und sind beispielsweise in dem Beitrag "A low noise optical receiver for a 155 mbit/s 4 km optical free space link" von M. J. McCullagh, D. R. Wisely, P. P. Smyth in Lasers and Electro-Optics Scociety Annual Meeting, 1993, LEOS '93 Conference Proceedings, IEEE, p. 365–367, beschrieben. Auch wurden solche Technologien bereits als Free-Space-Optical-Communication-Systems (FSO) erprobt und sind in dem Artikel "Free space optical communication systems: A feasibility study for deployment in Brazil" von P. B. Harboe und J. R. Souza im Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 3, No. 4, April 2004, beschrieben. Bisher werden diese Verfahren ausschließlich zur Informationsübertragung, nicht jedoch zur Energieübertragung genutzt. Auch ist die Modulationstechnologie, die benötigt wird, um die Störstrahlung zu verringern, relativ komplex und daher von erheblichem Nachteil.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die zu übertragenden Datensignale gleichzeitig zur Energieumwandlung genutzt werden können. In einer weiteren Aufgabe soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.
  • Zur Lösung der ersten Aufgabe ist vorgesehen, dass bei einem derartigen Verfahren zwei Laser ihre Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen komplementär zueinander aussenden und dass die Korrelation beider Wellenlängen verwendet wird, um mittels wenigstens zweier Detektoren zu erkennen, ob Daten gesendet werden.
  • Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt dadurch, dass im Sendemodul zwei Laserlichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge sowie im Empfängermodul wenigstens zwei Detektoren, um die herum Solarzellen angeordnet sind, vorgesehen sind. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist den Detektoren ein Differenzverstärker nachgeschaltet.
  • Dadurch wird nicht nur die Modulationskomplexität signifikant verringert, sondern es ergibt sich zugleich ein sehr einfaches Modulationsverfahren mit einer klein und kompakt aufgebauten Vorrichtung, bei der zudem keinerlei Batterien oder Netzteile erforderlich sind.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
  • 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Energie- und Informationsübertragung mittels Laserstrahlen und
  • 2 und 3 den Signalverlauf am Sende- bzw. Empfängermodul der Anordnung gemäß 1
  • Die Darstellung in 1 zeigt eine Vorrichtung zur Energie- und Informationsübertragung mittels zweier Laserstrahlen, die aus je einem Sendemodul 1 und einem Empfängermodul 2 besteht.
  • Das Sendemodul 1 besteht aus einem ersten Laser 3 mit dem Strahlungswinkel α und der Wellenlänge λ1 und einem zweiten Laser 4 mit dem Strahlungswinkel β und der Wellenlänge λ2. Das Empfängermodul 3 ist mit einer Reihe von Solarzellen 5 ausgestattet, die in einem Arrangement zusammen mit zwei Detektoren 6 und 7 mit Polarisationsfiltern angeordnet sind. Ferner weist das Empfängermodul 3 einen Differenzverstärker 8 auf.
  • Das Prinzip der Datenübertragung resultiert aus einer Wechselwirkung der Laserstrahlen der Laser 3 und 4 des Sendemoduls 1. Die Energie für den Empfänger wird aus wenigstens einer Lichtquelle, im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels der Sonne 9, oder aber auch einer oder mehrerer Lampen, aus anderer Laserstrahlung oder aber aus der Strahlung der beiden Laser 3 und 4 des Sendemoduls 1 gewonnen. Die Energie- und Informationsübertragung erfolgt, wie auch aus den 2 und 3 ersichtlich, mittels der beiden unterschiedlichen Laserwellenlängen λ1 und λ2 und wird aus der Kombination des Sendemoduls 1, des Empfängermoduls 2, der Datenübertragung sowie der Energieübertragung erhalten.
  • In dem in der Darstellung der 2 und 3, in der das mit der vorangehend beschriebenen Anordnung realisierte Verfahren gezeigt ist, zugrunde gelegten optimalen Betriebszustand wandeln die Solarzellen 5 kontinuierlich die aus der Einstrahlung der Sonne 9 anfallende Energie um. Ist dies nicht der Fall, so wird die Energie aus den beiden Lasern 3 und 4 genutzt. Dabei gilt es zu beachten, dass die Strahlung der Sonne 9 die beiden Detektoren 6 und 7 blendet und in diesem Fall die Strahlung der Laser 3 und 4 überlagert. Damit dieses Problem nicht auftritt, senden die Laser 3 und 4 ihre Strahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 komplementär zueinander, wobei ihre Korrelation ausgenutzt wird und die Detektoren 6 und 7 erkennen, ob Daten gesendet werden. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass keine aufwendige Modulation der Datensignale benötigt wird. Außerdem verringern die Polarisationsfilter der beiden Detektoren 6 und 7 zusätzlich die Störungen durch die Sonne 9.
  • Wie in 2 dargestellt ist, ist das Empfängermodul 2 aktiv, wenn es einer Lichtstrahlung ausgesetzt ist. Dabei geht das Sendemodul 1 vom AUS-Zustand 11 in den Zustand 12 über und empfängt nur Energie. Danach sendet das Sendemodul 1 im Zustand 13 die Information und die Energie mit der Laserstrahlung zum Empfängermodul 2, um anschließend im Zustand 14 wieder in den AUS-Zustand überzugehen.
  • Wie 3 zeigt, benötigt das Sendemodul 1 eine gewisse Zeitspanne, um die Lichtstrahlung durch die Solarzellen in Strom umzuwandeln und zu speichern (Übergang vom AUS-Zustand 15 in den Zustand 16), so dass das vom Empfängermodul 2 aufgenommene Signal erst dann verarbeitet wird, wenn das komplementäre Sendesignal zu den Detektoren 6 und 7 übertragen wird. Das Empfängermodul 2 empfängt in diesem Zustand 17 Daten und nutzt gleichzeitig die übertragene Energie. Der Zustand 18 entspricht schließlich wieder dem AUS-Zustand.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”A low noise optical receiver for a 155 mbit/s 4 km optical free space link” von M. J. McCullagh, D. R. Wisely, P. P. Smyth in Lasers and Electro-Optics Scociety Annual Meeting, 1993, LEOS '93 Conference Proceedings, IEEE, p. 365–367 [0002]
    • ”Free space optical communication systems: A feasibility study for deployment in Brazil” von P. B. Harboe und J. R. Souza im Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 3, No. 4, April 2004 [0002]

Claims (3)

  1. Verfahren zur Energie- und Informationsübertragung mittels Laserstrahlen mit einem Sendemodul mit wenigstens einer Laserlichtquelle und einem Empfängermodul mit wenigstens einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laser (3, 4) ihre Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, λ2) komplementär zueinander aussenden und dass die die Korrelation der Signale beider Wellenlängen (λ1, λ2) verwendet wird, um mittels wenigstens zweier Detektoren (6, 7) zu erkennen, ob Daten gesendet werden.
  2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendemodul (1) zwei Laserlichtquellen (3, 4) unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2) aufweist und dass im Empfängermodul (2) wenigstens zwei Detektoren (6, 7) vorgesehen und um diese herum Solarzellen (5) angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Detektoren (6, 7) ein Differenzverstärker (8) nachgeschaltet ist.
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