priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-1-80-95pribor-9Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И КОМПЛЕКСЫOPTICAL AND OPTOELECTRONIC DEVICES AND COMPLEXESПрототип системы мониторинга с энергоснабжением по оптическому волокнуPrototype of monitoring system with power supply via optical fiberГаркушинА. А.GarkushinA. A.

Алексей Алексеевич Гаркушин - факультет прикладной математики и механики; ассистент; заместитель директора научно-образовательного центра

Пермь 

Aleхey A. Garkushin - Faculty of Applied Mathematics and Mechanics; Assistant; Deputy Director of the Scientific and Educational Center

Perm 

garkushin@pnppk.ruКриштопВ. В.KrishtopV. V.

Виктор Владимирович Криштоп - д-р физ.-мат. наук, профессор; физический факультет; факультет прикладной математики и механики; гл. научный сотрудник

Пермь 

Victor V. Krishtop - Dr. Sci., Professor; Physical Faculty; Faculty of Applied Mathematics and Mechanics; Chief Researcher

Perm 

Krishtop@pnppk.ruВольхинИ. Л.VolkhinI. L.

Игорь Львович Вольхин - канд. физ.-мат. наук, доцент; физический факультет

Пермь 

Igor L. Volkhin - PhD, Associate Professor; Physical Faculty

Perm 

volkhin@psu.ruРасулевР. П.RasulevR. P.

Руслан Павлович Расулев - студент; факультет информационно-измерительных и биотехнических систем; инженер-исследователь

Пермь;  Санкт-Петербург  

Ruslan P. Rasulev - Student; Faculty of Information, Measuring, and Biotechnical Systems; Engineer-Researcher

Perm;  St. Petersburg  

rasulev@pnppk.ruНифонтоваЕ. В.NifontovaE. V.

Елизавета Васильевна Нифонтова - студент; факультет прикладной математики и механики; инженер-исследователь

Пермь 

Elizaveta V. Nifontova - Student; Faculty of Applied Mathematics and Mechanics; Engineer-Researcher

Perm 

NifontovaEV@pnppk.ruКадочиковИ. В.KadochikovI. V.

Илья Владиславович Кадочиков - студент; факультет прикладной математики и механики; инженер-исследователь

Пермь 

Ilya V. Kadochikov - Student; Faculty of Applied Mathematics and Mechanics; Engineer-Researcher

Perm 

kadochikov@pnppk.ruМаксименкоВ. А.MaksimenkoV. A.

Виталий Александрович Максименко - канд. физ.-мат. наук, доцент; факультет прикладной математики и механики

Пермь

Vitaly A. Maksimenko - PhD, Associate Professor; Faculty of Applied Mathematics and Mechanics

Perm 

mva30@mail.ruПерминовА. В.PerminovA. V.

Анатолий Викторович Перминов - д-р физ.-мат. наук, доцент; факультет прикладной математики и механики; заведующий кафедрой

Пермь

Anatoly V. Perminov - Dr. Sci., Associate Professor; Faculty of Applied Mathematics and Mechanics; Head of the Department

Perm 

perminov1973@mail.ruШевцовД. И.ShevtsovD. I.

Денис Игоревич Шевцов - канд. физ.-мат. наук, доцент; физический факультет; факультет прикладной математики и механики; заместитель директора научно-технического центра

Пермь 

Denis I. Shevtsov - PhD, Associate Professor; Physical Faculty; Faculty of Applied Mathematics and Mechanics; Deputy Director of the Scientific and Technical Center

Perm 

shevtsov@pnppk.ruПермский национальный исследовательский политехнический университет ; Пермская научно-производственная приборостроительная компанияPerm National Research Polytechnic University ; Perm Scientific-Industrial Instrument Making CompanyПермский национальный исследовательский политехнический университет ; Пермская научно-производственная приборостроительная компания ; Пермский государственный национальный исследовательский университетPerm National Research Polytechnic University ; Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company ; Perm State UniversityПермская научно-производственная приборостроительная компания ; Пермский государственный национальный исследовательский университетPerm Scientific-Industrial Instrument Making Company ; Perm State UniversityПермская научно-производственная приборостроительная компания ; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ“ им. В. И. Ульянова (Ленина)Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company ; St. Petersburg Electrotechnical University „LETI“Пермский национальный исследовательский политехнический университетPerm National Research Polytechnic University2024231120246718095Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/9

Исследованы возможности готовых систем электроснабжения по оптическому волокну (PoFплатформ) малой мощности до единиц ватт для разработки систем сбора информации, поступающей с датчика угарного газа. Продемонстрирована работоспособность системы, отмечены ее недостатки: низкий коэффициент полезного действия, сложность модернизации, отсутствие системы регулировки мощности лазерного диода с компьютерным управлением через микроконтроллер. Разработана система энергоснабжения по оптическому волокну средней мощности (десятки ватт), на основе которой создан прототип системы мониторинга удаленных датчиков физических величин. Проведено испытание прототипа в различных режимах работы. Выработаны рекомендации по использованию количества каналов энергоснабжения в зависимости от пиковой электрической мощности, потребляемой отдельными датчиками и системой в целом. Разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы с целью повышения коэффициента полезного действия и надежности системы путем уменьшения рабочей температуры лазерного диода и фотоэлектрического преобразователя.

The capabilities of ready-made units of power supply via optical fiber (PoF platforms) of low power up to a few watts for the development of systems for collecting information coming from a carbon monoxide sensor are investigated. The operability of the system is demonstrated, its shortcomings are noted: low efficiency, complexity of modernization, lack of a system for adjusting the power of a laser diode with computer control through a microcontroller. A power supply system via medium-power optical fiber (tens of watts) is developed, on the basis of which a prototype system for monitoring remote sensors of physical quantities is created. The prototype is tested in various operating modes. Recommendations are given for the use of the number of power supply channels depending on the peak electrical power consumed by individual sensors and the system as a whole. Recommendations have been developed for optimizing operating modes in order to increase the efficiency and reliability of the system by reducing the operating temperature of the laser diode and photoelectric converters.

энергоснабжениедатчикиоптическое волокнофотоэлектрический преобразовательсистема электроснабжения через оптоволокноenergy supplysensorsfiber opticphotoelectric converterpower-over-fiber (PoF)Исследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0005).The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. FSNM-2023-0005).ReferencesЗеневич А. О., Жданович С. В., Новиков Е. В., Матковская Т. А., Коваленко Т. О. Исследование возможности совмещения волоконно-оптической линии связи и системы мониторинга объекта //Изв. вузов. Приборостроение. 2022. Т. 65, № 6. С. 406—412.Zenevich А.О. et al. Journal of Instrument Engineering, 2022, no. 6(65), pp. 406–412. (in Russ.)Sun T., Xie X., Wang Z. Wireless power transfer for medical microsystems. N. Y.: Springer, 2013. Р. 5—7.Sun T., Xie X., Wang Z. Wireless Power Transfer for Medical Microsystems, NY, Springer, 2013, рр. 5–7.Gopinath A. All about transferring power wirelessly // Electronics for You E-zine. 2013. Р. 52—56.Gopinath A. Electronics for You E-zine, 2013, рр. 52–56.Agbinya J. I. Wireless power transfer. CRC Press, 2022.Agbinya J.I. Wireless Power Transfer, CRC Press, 2022.Optically Powered Radio-Over-Fiber Systems in Support of 5G Cellular Networks and IoT / M. A. Fahad, J. D. López Cardona, D. S. Montero, C. Vázquez // IEEE Journal of Lightwave Technology. 2021. Vol. 39, N 13.Fahad Al-Zubaidi, López Cardona J.D., Montero D.S., Vázquez C. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2021, no. 13(39).Системы передачи энергии по оптическому волокну / А. А. Гаркушин, В. К. Струк, В. В. Криштоп, Е. С. Бойчук, Ю. М. Карпец // Бюл. науч. сообщений: Сб. науч. тр. 2020. Вып. 25, № 25. С. 48—53.Garkushin A.A., Struk V.K., Krishtop V.V., Boychuk E.S., Karpets Yu.M. Bulletin of Scientific Communications: Collection of Scientific Papers, 2020, no. 25, pp. 48–53.Smart Remote Nodes Fed by Power Over Fiber in Internet of Things Applications / J. D. López-Cardona, D. S. Montero, C. Vázquez // IEEE Sensors Journal. 2019. Vol. 19, N 17.López-Cardona J.D., Montero D.S., Vázquez C. IEEE Sensors Journal, 2019, no. 17(19).Зависимость характеристик системы PoF от расстояния передачи энергии / А. А. Гаркушин, Е. С. Бойчук, И. Р. Дроздов, В. К. Струк, Ю. А. Конин, В. А. Щербаков, В. А. Максименко, В. В. Криштоп // Бюл. науч. сообщений: Сб. науч. тр. 2021. Вып. 6, № 6. С. 42—43.Garkushin А.A., Boychuk E.S., Drozdov I.R., Struk V.K., Konin Yu.A., Shcherbakov V.A., Maksimenko V.V. Bulletin of Scientific Communications: Collection of Scientific Papers, 2021, no. 6, pp. 42–43. (in Russ.)Расулев Р. П., Гаркушин А. А., Нифонтова Е. В., Криштоп В. В., Вольхин И Л. Разработка системы мониторинга с энергоснабжением по оптическому волокну // Физика для Пермского края: Сб. 2022. Вып. 15 [Электронный ресурс]: http://www.psu.ru/files/docs/science/books/sborniki/fizika-v-permskom-krae2022.pdf.http://www.psu.ru/files/docs/science/books/sborniki/fizika-v-permskom-krae2022.pdf. (in Russ.)Соколовский А. А., Черторийский А. А., Веснин В. Л. Волоконно-оптический датчик напряжения гибридного типа // Радиоэлектронная техника. 2010. № 1. С. 7—12.Sokolovskiy A.A., Chertoriyskiy A.A., Vesnin V.L. Radioelektronnaya Tekhnika, 2010, no. 1, pp. 7–12. (in Russ.)Бойчук Е. С. и др. Передача энергии лазерным излучением в свободном пространстве // Бюл. науч. сообщений. 2020. № 25. С. 91—102.Boychuk E.S. Bulletin of Scientific Communications: Collection of Scientific Papers, 2020, no. 25, pp. 91–102. (in Russ.)Chen Y. et al. Optically powered gas monitoring system using single-mode fibre for underground coal mines // Intern. Journal of Coal Science & Technology. 2022. Vol. 9, N 1. P. 26.Chen Y. et al. International Journal of Coal Science & Technology, 2022, no. 1(9), pp. 26.López-Cardona J. D. et al. Remote optical powering using fiber optics in hazardous environments // Journal of Lightwave Technology. 2018. Vol. 36, N 3. P. 748—754.López-Cardona J.D. et al. Journal of Lightwave Technology, 2018, no. 3(36), pp. 748–754.Rosolem J. B., Roka R. Power-over-fiber applications for telecommunications and for electric utilities // Optical Fiber and Wireless Communications. 2017. Vol. 2. P. 255—278.Rosolem J.B., Roka R. Optical Fiber and Wireless Communications, 2017, vol. 2, рр. 255–278.Haid M. et al. 5 W optical power link with generic voltage output and modulated data signal // Proc. of the 1st Optical Wireless and Fiber Power Transmission Conf. (OWPT2019). 2019. P. 23—25.Haid M. et al. Proceedings of the 1st Optical Wireless and Fiber Power Transmission Conference (OWPT2019), 2019, рр. 23–25.Helmers H. et al. 6-W optical power link with integrated optical data transmission // IEEE Trans. on Power Electronics. 2020. Vol. 35, N 8. P. 7904—7909.Helmers H. et al. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, no. 8(35), pp. 7904–7909.Cardona J. D. L. et al. Optically feeding 1.75 W with 100 m MMF in efficient C-RAN front-hauls with sleep modes // Journal of Lightwave Technology. 2021. Vol. 39, N 24. P. 7948—7955.Cardona J.D.L. et al. Journal of Lightwave Technology, 2021, no. 24(39), pp. 7948–7955.MH GoPower: официальный сайт [Электронный ресурс]: http://www.mhgopower.com/images/PoF%20Sensing%20Platform_Datasheet_Rev_1.5_10-01-2021.pdf, 15.06.23.MH GoPower, 2021, http://www.mhgopower.com/images/PoF%20Sensing%20Platform_Datasheet_Rev_1.5_10-01-2021.pdf.Свойства световода, основанные на законах электромагнитного поля [Электронный ресурс]: http://foos.sfedu.ru/glava1/1.3.html, 15.06.2023.http://foos.sfedu.ru/glava1/1.3.html. (in Russ.)Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co.: официальный сайт [Электронный ресурс]: https://www.winsensensor.com/d/files/PDF/MEMS%20Gas%20Sensor/gm-702b%EF%BC%88ver1_1%EF%BC%89manual.pdf, 15.06.23.Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., 2003, https://www.winsen-sensor.com/d/files/PDF/MEMS%20Gas%20Sensor/gm-702b%EF%BC%88ver1_1%EF%BC%89manual.pdf.Yang H. et al. 10-W power light co-transmission with optically carried 5G NR signal over standard single-mode fiber // Opt. Letters. 2021. Vol. 46, N 20. P. 5116—5119.Yang H. et al. Optics Letters, 2021, no. 20(46), pp. 5116–5119.Борейшо А. С., Ким А. А., Страхов С. Ю. Ограничения в применении волоконно-оптических технологий для дистанционной передачи энергии // Радиопромышленность. 2017. №. 4. С. 34—41.Boreysho A.S., Kim A.A., Strakhov S.Yu. Radio Industry, 2017, no. 4, pp. 34–41. (in Russ.)MH GoPower: официальный сайт [Электронный ресурс]: http://www.mhgopower.com/images/YCHH6424_15V_PPC_Datasheet_Rev_3.0_04-29-2022.pdf , 15.06.23.http://www.mhgopower.com/images/YCH-H6424_15V_PPC_Datasheet_Rev_3.0_04-29-2022.pdf.lenlasers: официальный сайт [Электронный ресурс]: https://lenlasers.ru/product/70-vt-976-nm-lazernyj-diodbwt-s-neskolkimi-izluchatelyami/?ysclid=liwusl8v5w947228029, 15.06.23.https://lenlasers.ru/product/70-vt-976-nm-lazernyj-diod-bwt-s-neskolkimiizluchatelyami/?ysclid=liwusl8v5w947228029. (in Russ.)Fafard S., Masson D. P. 74,7 % Efficient GaAs-Based Laser Power Converters at 808 nm at 150 K // Photonics, MDPI, 2022. Vol. 9, N 8. С. 579.Fafard S., Masson D.P. Photonics, MDPI, 2022, no. 8(9), pp. 579.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.