NO854038L - Energioverf¯ring. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører kraftoverføring til fjerne gjenstander via optiske fibre.

Overføringen av kraft via optiske fibre til fjerne anordninger som skal kraftforsynes eller styres er tidligere kjent. Således er det i Britisk søknad nr.2150780 omtalt arrangementer for optisk fjernkraftpåvirkning av en styrt anordning f.eks. hydraulisk eller pnaumatisk ventil, hvor høye optiske effekter regnes med å være sikker f.eks. for anvendelse under vann. Effekten er f.eks. fra en høyeffekt laser faller inn på en varmeabsorberende flate etter at den har vandret langs den optiske fiber hvilket gir som resultat at en flyk-tig væske f.eks. en av freolene blir fordampet. Dette vil via en belg drive en utgangsstav som betjener styreanord-ningen. Alternativer for å reagere på lyset ved denne anvendelse innebefatter en bimetallstrimmel, en kapsel av termo-stat-typen eller en lagermetallstrimmel.

Et slikt arrangement gir tilfredsstillende resultater fordi mengden av kraft som kreves til å betjene den fjerntliggende anordning er forholdsvis lav.

En hensikt med oppfinnelsen er å utvide prinsippet for den optiske transmisjon av kraft til systemer hvor kraftmengden som skal overføres er forholdsvis stor og/eller avstandene som lyset skal føres over er forholdsvis stor.

I henhold til oppfinnelsen er det skaffet en fremgangsmåte for å frembringe kraft til en fjerntliggende kraftkonsumer-ende eller direkte påvirkende anordning hvor kraften over-føres som lys via optiske langbølgestrekfibre av multimodustypen hvor lys som blir overført på denne måte har bølge-lengder av størrelsesorden fra 0,70 til 1,7 um og fremskaffes ved hjelp av høyeffekt-gass eller faststoff-lasere eller superluminensdioder hvor fibrene som benyttes for overføring av lyskraften har forholdsvis tykke kjerner i området typisk 50 til 400 um og hvor lyset faller inn på den fjerntliggende anordning på en detektor av den fotoreagerende type og hvor utsignalet fra detektoren tilføres en brukstrekanordning.

I henhold til en annen side av oppfinnelsen er det skaffet en fremgangsmåte for overføring av kraft for fjernstyring av overvåknings- kommunikasjon- og styresystemer eller anordninger hvor kraftkilden er forbundet med systemet eller anordningen ved hjelpav en kabel av optisk fibermateriale som muliggjør overføring av tilstrekkelig kraft til systemet eller anordningen idet kraften overføres til den optiske fiber fra en lyskilde som blir drevet av en kraftkilde og idet lyset som er overført ved hjelp av fiberen ved det fjerntliggende system eller anordning faller på en lysømfintlig anordning f.eks. en solcelle eller et fotokjemisk omformingsorgan samtidig som det lysømfintlige organ skaffer kraften for systemet eller anordningen.

Slike arrangementer omfatter fordeler i forhold til mer van-lige kraftforsyningsarrangementer hvor elektrisitet tilføres via metalledere. Således er de optiske fibre lettere enn metalledere og kan ha en viss oppdrift. Det er av betydning i forbindelse med slik bruk som "dupper" sonarer som bæres av helikoptere og slepte grupper for undersjøisk detektering og navlelignende for nedsenkbare fartøyer. I slike tilfeller som for andre hvor sikkerhet er av viktighet omfatter fibrene den fordel at de ikke er påvirkelige av elektromagnetisk forstyrrelse og sprer ikke signaler. Således vil fibren på sin side ikke bevirke forstyrrelse. Enda en annen fordel er den letthet som innebærer rask montering på grunn av den forholdsvis lave vekt for fiberoptisk kabel sammenlignet med standard metall-tilførselskabler.

Utførelsesformer for oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer hvor fig. 1, 2, 3, 4 og 5 viser former for detektorer som kan benyttes i forbindelse med de ovenfor omtalte fremgangsmåter.

Fremgangsmåtene som er omtalt ovenfor bruker en kombinasjon av kraftkilden, de optiske fibre og detekteringen og kraft-lagring. Dessuten kan det benyttes noen organer som er akti-vert som reaksjon på krafttilførsel. Disse sider vil bli omtalt separat.

De foretrukne kraftkilder utgjør faststoff-lasere men det kan også brukes andre typer lasere og også de såkalte superluminiserende dioder. For drift ved bølgelengder i det område som er gitt ovenfor er følgende typer anvendelige: (i) F-senter laser som kan fremskaffe en kontinuerlig bølge (CW) med en utgang av størrelsesorden 100 mW. Den arbeider i såkalt TEM modus med bølgelenger i områder 1,4 - 1,6 um. (ii) Neodyim-YAG laser hvis CW-utgangssignal ligger i området 30 mW - 600 mW og arbeider i enten TEM modus eller multimodus idet bølgelengder foreligger i område 1,6 um og 1,3 um. (iii) Faststoff-lasere f.eks. GaAsP og InGaAsP med bølge-lengder nær 0,88 um, 1,3 um og 1,55 pin. I tillegg til faststoff-lasere kan det også brukes såkalte superluminiserende dioder av typen GaAsP oglnGaAsP.

I noen tilfeller kan det anvendes pulset kraft f.eks. puls-ede lasere kan benyttes hvor de forholdsvis høye spisskraft-nivåer for laserene kan benyttes for aktivering av kvarts-eller tynne silisiumsensorer f.eks. for eksitering av reso-nante strukturer.

Der hvor de beskrevne arrangementer skal benyttes for lang-distanseoverføring av kraft er spesielt faststoff-lasere med koding av den overførte kraft anvendelige.

Bruken av 1,55 um lasere er fordelaktige fordi de kan kon-kurrere med de 1,55 um minimum absorbsjonsbølgelengder som er passende i forbindelse med langbølgefibre. Videre er koding som er nødvendig ønskelig i mange anvendelser spesielt sikkerhetsbaserte sådanne. Bruken av en slik bølge-lengde er foholdsvis trygg for bølgelengder kortere enn 1,4 um som det menneskelige øye absorberer slik at det maksimalt tillate nivå er 2,8 W ved 0,85 um på en betraktningsavstand på 10 cm. Under vann er bruken av slik fiber enda sikrere p.g.a. vannabsorbsjon. En annen fordel går ut på langbølge-lasere vanligvis har bedre termiske ledningsegenskaper enn andre lasere og er mindre utsatt for småskader.

Det er tigjengelige lasere som fremskaffer 40 - 100 mW typisk CW ved værelsestemperaturunder bruk av en mesa-konstruksjon. Ved et arrangement kan en flerhet av like strimler være anordnet over endeflaten av en stor kjernefiber f.eks. en såkalt fet fiber. Med en fokuseringslinse enten på laserpakken eller i en tilhørende konnektor kan lyset inn i fibrene ha en effekt på 80 mW (d.v.s. 66% av 120 mW hvor de 120 mW skriver seg fra 3 x 120 mW fra de tre strimler).

En foretrukken lyskilde kan benytte seg av tre slike laser-strimler over fiberkjernen idet strimlene har en avstand på 25 um og idet hver strimmel gir 40 mW. Med en fokuseringslinse enten på laserpakken eller i konnektoren mellom laser-enden og den optiske fiber føres det 80 mW inn i fiberen, ni-det man antar at tapene i multimodusfiberen ved 1,55 um er av størrelsesorden 0,5 DB/km kan det sendes 40 mW over 6 km. Dersom laseren blir avkjølt kan høye effekter monteres og tilføres fra laseren til fiberen. Med passende kjøling kan man motta 1 watt over 6 km fiber.

Dersom den fiber som benyttes er monomodus kan bare en laser benyttes for drift av fiberen.

Det kan benyttes en flerhet av lasere for å føre lyset inn i fiberen og de kan anordnes i grupper f.eks. lineære eller koordinerte grupper. Slike lasere kan være diodelasere og vil kunne mates inn i separate begynnelsesfibre idet disse fibre går via en optisk kobler til hovedfibren. Alternativt kan fibrene være separate i kablen uten bruk av en kobler. Dersom en multibanekobler blir benyttet vil intensiteten av det lys som overføres i hovedfiberen ikke utgjøre en addi-sjonssum av alle inn-intesiteter. Det skyldes egenskapene hos slike koblere.

For mange anvendelser spesielt de under vann kan det brukes såkalte "fete" fibre fordi de har den fordel at det foreligger liten risiko for varme flekker på koblerne. Videre er det tilgjengelig multibanekoblere med lave tap. Slike "fete" fibre kan kobles sammen med en singelmodusfiber for data-overføring. Således kan forholdsvis høy effekt overføres til en systemnode der brukes til aktivering av sensorer og skaffe informasjon med stor båndbredde tilbake via singelmodus-fiberen idet der benyttes en laser eller en LED-kilde ved noden eller knuten. I noen tilfeller avhengig av anvendelsen eller den effekt som er nødvendig kan det benyttes standard multimodus 50 um, 85 um eller 100 um kjernefiber.

Alternativt kan det lys som benyttes for å gi kraft til knuten, som er CW, bli modulert og returnert via en singel-eller en multimodusfiber.

En av de begrensende faktorer som man må ta i betraktning ved noen anvendelser av oppfinnelsen er de begrensende ikke-lineære virkninger f.eks. Råman spredning/ Brillouin spredning på muligheten for fiberen til å overføre kraft. I dette henseende skal oppmerksomheten rettes på en artikkel med tittel "Observations of Stimulated Brillouin scattering in low-loss silica fibre at 1.3 um", av D. Catter, Electronics Letters, 10. juni 1982, Vol. 18 nr.12. Slike virkninger be-grenser overføringen av kraft gjennom fibrene idet begrens-ningen er foholdsvis lav i tilfelle av singelmodusfibere men meget høyere i tilfelle av multimodusfibere. Således er multimodusfibere foretrukket.

Det er et typisk resultat for en singelmodusfiber med en 50 pm kjerne med 125 um overtrekk og med en antatt dempning på 1 dB/km er grensen for inngående effekt funnet å være 172 mW med ca 50-60 mW ut-metning. for en "fet" fiber med en 250 pm kjerne idet der pånytt antaes en dempning 1 dB/km er inn-terskel funnet å være 2,7 W med et ut-maksimum på 700-900 mW. Disse resultater skriver seg alle fra bruken av lys med bølgelengde 1,3 pm.

Avhengig av anvendelsen kan der brukes en flerhet av detekteringsmetoder ved den kraftforsynte knute.Disse er: (a) Foto-akustisk hvor lysmodulasjon omformes til gasseks-pensjon og - sammentrekningsvirkninger og utsignaler kan forsterkes akustisk. Der hvor et slikt detekteringsorgan blir benyttet for å reagere på "kraft" -strålen er sistnevnte ikke en kontinuerlig bølge. (b) Foto-mekanisk d.v.s. lagring av kraft og aktivering åv en bimetallisk strimmel, et pietzoelektrisk bimorph element, en ekspanderbar gass f.eks. freon eller minnemetall. Noen av disse detekteringsmetoder er omtalt i den ovenfor nevnte

publiserte patentsøknad. Andre detektorer av denne generelle type bruker den såkalte foto-akustiske effekt f.eks. karbon-atisert bomull i en gasscelle.

Når der benyttes en bimetallisk strimmel så kan denne være belagt med et materiale f.eks. vanadium dioksyd som går gjennom en faseomforming ved ca. 60°C og gir en fordelaktig sneppe-virkning. (c) Fotocelle og fotokjemiske anordninger med batteri-lagring: Når der benyttes utsråling ved 1,55 um kan der benyttes InGaAs eller Ge solcelledetektering. En annen form for detektorer som kan benyttes er den som kan avledes fra dampfase- eller MOCVD-teknikker for å få InGaAs-organer med InP-substrat, se fig. 1.

På fig. 1 er der anskueligjort en celle med en kontakt 1 under hvilken der befinner seg et lag 2 av indiumfosfid av p-type. Dette befinner seg på en InGaAs-rekombinasjonssone 3 på et substrat 4 av indiumfosfid av n-type. Strålinger faller inn på denne celle som angitt med en pil og et område som er omgitt av en ringelektrode 5. Ved en slik konstruksjon med InP på toppen av InGaAs fremskaffes en passivert plandetektor.

Et annet organ av den samme generelle type er vist på fig.

2. Her forekommer der et lag 10 av halvisolerende indiumfosfid ved hvilken ende fiberen er "siktet inn" idet laget utgjør 200 um tykk vaffel. Umiddelbart under dette foreligger der en frontkontakt 11 tildannet av en 2-4 pm tykt LPE indiumfosfidlag idet materialet er av typen n<+>med et oo 18 19 —3

dopenivå på 10 til 10 cm . Herunder foreligger der et bufferlag 12 som er 1 um tykk og er av typen n 10"*"^ cm ^ indiumfosfid. Dette bufferlag er nødvendig for å forhindre mulige kontakter nedover i form av nålehull for p+<->indium galliumarsenid-laget 13 (se nedenfor) med n<+->laget 11 som danner frontkontakten. Med det materiale som brukes for dette bufferlag er seriemotstanden forholdvsis lav. ;Under bufferlaget finner man et lag 14 of 3 pm tykk LPE-indium galliumarsenid n~-type 10"<*>"^ cm under hvilket befinner seg laget 13 som er 5 pm tykt LPE-indium gallium-+ 18—3

arsenid p -type 10 cm . Dette lag 13 bærer en metallisering 15 av titanium-gull-legering og denne sammen med en ringformet metallisering 16 skaffer kontaktene til organet via hvilket den elektriske kraft fremskaffet som et resultat av det innfalne lys er tilgjengelig for bruk.

Det fremre berøringslag 11 er et strømkollekterende lag og dets bidrag til seriemotstanden for organet kan være en begrensende faktor hva angår cellens ytelse. For å redusere den kan lageret gjøres tykkere og/eller dopingen økes.

Ved betraktning av absorbsjon i cellen så skal det gjøres oppmerksom på at dersom metalliseringslaget 15 utgjør et godt speil så vil den effektive lysbane i organet kunne dob-les, noe som innebærer fordelaktig virkning på kraftomformingen.

Fig. 3 anskueligjør en detektor som på mange måter ligner den på fig. 2. Ved toppen befinner der seg et metalliser-ingslag 20 under hvilket der befinner seg et p+ InGaAs lag 21 som er 2-5 pm tykt. Dette er adskilt en n-type InP lager 22 ved hjelp av et lager 23 av n-typen InGaAs som her en tykkelse (eller kanskje tynnhet) på en diffusjonslengde eller mindre. Nedenfor lager 22 befinner der seg et n<+>indium lag som bærer en ringkontakt 24 som omgir en antiref-lekterende film 25 av Si,N.. 3 4

Fordi det ikke påtrykkes noe spenning på detektoren når denne er i bruk vil de foto-genererte bærere nå p-n over-gangene ved diffusjon slik at tykkelsen av absorbsjonslaget burde være liten. I en fullstendig InGaAs-konstruksjonkan lys absorberes på begge sider av overgangen og bidre til fotostrøm.

Selv om en slik celle kan være nyttig ved noen anvendelser som krever forholdsvis lav effekt så vil det være ønskelig å forbedre kraftomformingen for anvendelser med større kraft-behov. Et organarrangement som vil møte disse behov er anskueligjort på fig. 4 og 5.

Her består detektorene av en lineær gruppe av individuelle celler idet en fiber er rettet mot hver celle. Selv om det bare er vist en fiber foreligger der en flerhet av slike fibre, idet hver og en er rettet mot en eller flere celler samtidig som fibrene er koblet ved hjelp av en flergangs-kobler til hovedfibren eller når detektorene som separate fibre fra kilden eller kildene. Som tidligere er fiberendene i virkeligheten fastholdt til et 200 um lag av n indiumfosfid, og slik det kan sees er de lag som benyttes for de forskjellige materialer generelt som på organet på fig. 2.

De individuelle celler som er vist er adskilt ved hjelp av "avstandsstykker" av Si3N4eller eventuelt polyamid med metallisering for oppstøtting av cellene. Som tidligere blir virkelighetsgraden for organet forbedret dersom metalliseringen er et godt speil.

Med arrangementer som vist på fig. 4 og 5 er det mulig å koble ti 100 um fibrer, en til hver av ti celler, samtidig som fibrene er kombinert til en forholdsvis fet fiber for føring av lyset fra kraftkilden. De optiske tap i denne modus kan holdes til noen få dB dersom organstørrelsen er slik at den dekker stråleutgangen fra fiberen d.v.s. en organstørrlese på 150 um diameter bør kunne dekke en stråle fra 100 pm fiber.

Andre organer som kan benyttes som detektorer innebefatter germanium fotovolt innretninger som for tiden er tilgjenge-lige. For omformingen av a 100 mW av optisk energi ved 1,3 pm vil seksten germaniumceller som hver er 3 mm i kvadrat og forbundet i serie gi 5 volt eller mer ved 4mA. Det er tilstrekkelig for driften av mange elektroniske organer.

Det skal notere at cellene kan ha sine utganger i serie, i parallell eller i serie/parallell-kombinasjon avhengig av de kraft forbrukende organer.

I tilfellet av undersjøisk anvendelser av de arrangementer som er omtalt ovenfor idet der brukes fibre av forholdsvis lange lengder vil den gode temperaturstabili tet i sjøbunnen som vanligvis ligger i området 5-15°C skaffe en forbedret virkningsgrad ved detektering og ved opto-elektronisk omforming med germanium og III-V detektorer.

For kort å berøre virkningsgrad i forbindelse med overføring av 100 mW effekt gjennom en fiber ved 1,3 pm bølgelengde kan omforming til elektrisk kraft utføres under bruk av foto-galvaniske organer. Således er germaniumorganet tilgjenge-lige på markedet idet disse kan sammenstilles til en gruppe på 16 celler som hver er 3mm x 3mm og forbundet i serie. Dette gir 5 volt eller mer utgangsspenning ved 4mA. Andre organer kan være basert på mere komplekse halvlederorganer slik det er omtalt ovenfor f.eks. en basert på LPE-depo-nering av In^ ^2Gag 47As på InP. Organer av størrelse ca. 150 pm kan være forbundet i serie i hvilket tilfelle til celler vil gi over 5 volt ved 6mA. Hver celle får kraft fra en fiber som er limt til InP-vaffelen og de til fibre kan ha en felles multifiberkabel eller spre seg ut i vifteform fra en felles fiber. Denne konstruksjon er optisk og elektrisk effektiv, meget liten og robust.

Claims (11)

1. En fremgangsmåte til å skaffe energi til en fjerntliggende energiforbrukende anordning hvor energien overføres som lys fra en kraftgenereringsstasjon til den energikrev-ende stasjon karakterisert ved at de optiske fibre er av multimodustypen at det lys som overføres slik har bølgelengder av størrelsesorden 0,70-1,7 um og blir fremskaffet ved kraftgenereringsstasjonen ved høyeffektgass eller faststoff-lasere eller super luminiserende dioder at de fibre som brukes for overføring av lyseffekten har forholdsvis tykke kjerner i området typisk 50-400 um og at lyset faller på den fjerntliggende anordning på en detektor av den lysreagerende type idet utesignalet fra detektorene tilføres en utnyttingsanordning.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at utnyttingsanordningen er en lageranord-ning f.eks. et batteri slik at sistnevnte bli ladet ved hjelp av den energi som blir mottatt via fiberen.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at utnyttingsanordningen er en solcelle eller en fotokjemisk omformingsanordning idet lyset som reagerer på anordningen skaffer energien for et tilhør-ende system eller anordning.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at kraftkilden innebefatter en flerhet av lasere som hver mater lysenergi inn i fiberlengden og at fiberlengdene er forbundet via en optisk kobler til hovedfiberen.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at kraftkilden innebefatter en flerhet av lasere som hver mater lysenergi inn i en fiberlengde og at fiberlengdene hver for seg strekker seg hele veien fra laserne ved kraftgenereringsstasjonen til detektorene ved den energiforbrukende stasjon i en multi-kjernekabel.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved at laserne blir pulset og/eller avkjølt for økning av kraftoverføringskapasiteten.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakter-sert ved at den mottagende ende av hovedfiberen er forbundet via separate fiberlengder med et antall av individuelle detektorer.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at detektorene som benyttes for de forholdsvis korte bølgelengder har lag av indium fosfid og indium galliumarsenid.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at der for undersjøisk bruk ved forholdsvis lave temperaturer benyttes germanium-detektorer.

10. Detekteringsarrangement på innfallende optisk energi som blir mottatt via en optisk fiber, karakterisert ved en lagstruktur av følgende lag: (i) et forholdsvis tykt f.eks. 200 pm lag av indium fosfid som er dopet til å ha en n halvledende egenskap idet fiberen som der mottaes optisk energi via er rettet mot eller fastholdt til nevnte lag, (ii) et frontberøringslag som har en tykkelse i området 2-4 + 18 19 — 3 pm av LPE indium fosfid av n -typen, 10 -10 cm (iii) metallisering på nevnte fremre kontaktlag på den motsatte flate fra det første lag for fremskaffelse av en kontakt for uttrekk av elektrisk energi idet metalliseringen dekker en foholdsvis liten del av den motsatte flate, (iv) et bufferlag på den side som er motsatt flaten av frontberøringslaget idet bufferlaget har en tykkelse av størrelsesorden 1 pm og er av LPE indium fosfid n -type, 10 cm (v) et lag av LPE indium gallium arsenid n -type 10"^ cm ^, idet laget har en tykkelse i størrelsesorden 3 pm, (vi) et annet lag av LPE-indium galliumarsenid idet dette lag har en tykkelse av størrelsesorden 5 pm og er av , -I o o p -typen, 10 cm og (vii) en titanium-gull-legeringsmetallisering på den ytre flate av laget av p+ <-> type indium gallium arsenid idet metalliseringen skaffer en annen kontakt for uttrekk av elektrisk energi fra arrangementet.

11. Sammenstilling for detekteringsarrangement, karakterisert ved en gruppe lineære eller koordinerte arrangementer hver som angitt i krav 10.