В статье рассматриваются два комплекта изделий, разработанных российской научно-производственной фирмой “Оптоэлектронные Технологии” при ФТИ им. Иоффе, Один осуществляет передачу и прием произвольных цифровых информационных сигналов от датчиков физических величин, другой – запуск и синхронизацию через оптоволокно коммутирующих устройств значительной мощности (ускорителей, генераторов лазерного излучения, электродвигателей) в условиях электромагнитных помех.
В статье рассматриваются два комплекта изделий, разработанных российской научно-производственной фирмой “Оптоэлектронные Технологии” при ФТИ им. Иоффе, Один осуществляет передачу и прием произвольных цифровых информационных сигналов от датчиков физических величин, другой – запуск и синхронизацию через оптоволокно коммутирующих устройств значительной мощности (ускорителей, генераторов лазерного излучения, электродвигателей) в условиях электромагнитных помех.
Развитие волоконно-оптических технологий в первую очередь определялось задачами построения систем связи. Сегодня уже разработана и выпускается довольно большая номенклатура изделий, используемых в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Среди них можно выделить две основные группы – активные и пассивные компоненты. В состав первой входят оптоэлектронные элементы, такие как лазерные диоды (ЛД), светоизлучающие светодиоды (СИД) и законченные оптоэлектронные модули на их основе, фотодиоды и фотоприемные устройства, а также электронные компоненты для их обслуживания (драйверы, усилители, компараторы и др.). Наиболее распространены приемные, передающие и приемопередающие модули (трансиверы). Они отличаются различными конструктивными исполнениями, оптическими и электрическими интерфейсами. В группу пассивных компонентов входят различные разветвители, оптические переключатели, мультиплексоры и оптические разъемы. Современный рынок оптоэлектроники представлен многими фирмами, выпускающими изделия обеих групп в различных функциональных и ценовых диапазонах.
В последние годы наметился целый ряд технологических направлений, развитие которых напрямую зависит от достижений волоконной оптики. В первую очередь это относится к системам управления мощными импульсными лазерами (медицина, радиоизотопные методы получения редкоземельных материалов, машиностроение), а также к управлению электромагнитными ускорителями и мощными электроприводами силовых установок. Все эти направления связаны с необходимостью коммутировать токи амплитудой в десятки и даже сотни килоампер и напряжением в сотни киловольт. Кроме того, часто необходимо формировать импульсные сигналы длительностью от единиц микросекунд до десятков наносекунд. При этом возникают наводки и вторичные электромагнитные излучения с такой амплитудой и спектром, что связать исполнительные устройства и средства контроля с центральными органами управления по традиционным каналам связи чрезвычайно трудно, а зачастую и невозможно. В данных условиях едва ли не единственный способ решения проблемы – использовать средства волоконной оптики. В то же время, если диэлектрические свойства оптического волокна и его невосприимчивость к электромагнитным излучениям в рассматриваемом спектральном диапазоне известны, то требования к двум другим составляющим системы связи – к приемнику и передатчику – требуют уточнения. Они были сформулированы в результате анализа существующих и перспективных конструкций и процессов, а также экспериментальных исследований. Созданные с учетом этих требований изделия прошли успешную апробацию. Они позволяют: формировать короткие одиночные оптические импульсы для синхронизации; получать мощные оптические сигналы для запуска устройств, генерирующих импульсы тока значительной амплитуды; измерять физические параметры системы и транслировать их из зон с повышенным уровнем излучений к управляющему процессору; принимать оптические сигналы и формировать электрические импульсы запуска в условиях электромагнитных помех. Для наглядности рассмотрим два примера использования этих средств. На рис.1 изображен фрагмент установки для получения редкоземельных химических элементов и их изотопов. Центральная часть представляет собой электромагнитный сепаратор, в котором рабочая газовая смесь облучается линейкой газовых лазерных генераторов с различными длинами волн. Генераторы запускаются по определенному алгоритму импульсами различной длительности. Для развязки устройств запуска лазерных генераторов от управляющего процессора используется волоконно-оптический оптрон (волстрон), формирующий электрические импульсы длительностью от десятков микросекунд до единиц наносекунд. В состав волстрона входят быстродействующий передающий модуль на лазерном диоде, приемник оптических одиночных импульсов и волоконно-оптический кабель (ВОК). Волоконный кабель содержит кварцевое многомодовое волокно с диаметром световедущей жилы/оболочки 62,5/125 мкм, снабженное оптическими разъемами типа ST/PC. Его длина может достигать 1000 м. Так как линейка генераторов работает в строго заданном порядке, важнейшим параметром становится стабильность положения переднего фронта импульса, т.е. системный джиттер. Кроме устройств запуска важную роль играет и система измерения импульсной оптической мощности каждого лазерного генератора и наблюдения за формой их оптических импульсов. Данная система также выполнена с использованием волокна и специализированного фотоприемника. Другой пример – применение компонентов волоконной оптики в замкнутых автоматизированных системах управления (АСУ) электрофизическими установками, где необходимо коммутировать токи и напряжения значительной величины (рис.2). Волоконно-оптические компоненты могут использоваться как для сбора информации от датчиков физических величин (ток, напряжение, температура и т.п.), так и для ее преобразования и дальнейшей трансляции промышленным контроллерам, входящим в состав АСУ. Кроме того, для запуска устройств силовой электроники необходима оптическая развязка. Наиболее просто реализовать ее с помощью волстронов. Еще один пример применения отдельных компонентов волоконной оптики – всевозможные устройства мониторинга удаленных объектов на предмет обнаружения задымления и возгорания. Отдельно отметим насущную проблему создания автономных источников питания для размещения в труднодоступных местах, а также устройств для зарядки аккумуляторов через волоконно-оптическую линию связи. Такие устройства построены по принципу солнечных батарей, т.е. энергия к ним подводится по оптическому волокну, а сами источники питания снабжены фотоэлектрическими преобразователями. Законченные функциональные узлы для передачи измерительной информации с использованием волоконно-оптических компонентов, снабженные источниками питания такого типа, применяются в технологических процессах, использующих высокоэнергетические установки. Компания "Оптоэлектронные Технологии" дли- тельное время разрабатывает средства волоконной оптики для специализированных применений. Рассмотрим два типа изделий – устройства для передачи и приема информационных сигналов и устройства управления исполнительными механизмами (ускорителями, генераторами лазерного излучения, электродвигателями). Каждый тип изделий является функционально законченным комплектом и состоит из приемной и передающей частей. Устройство информационного обмена Основные требования к комплекту аппаратуры для информационного обмена между датчиками физических величин и центральным органом управления: максимальная нечувствительность к воздействию внешних электромагнитных излучений; обработка цифровых сигналов с произвольным форматом, что позволяет транслировать их без дополнительного преобразования; минимальное потребление передающего мо- дуля, располагаемого непосредственно около датчика физической величины; быстродействие, достаточное для передачи информации о переходных процессах в системе. Для решения этих задач был разработан комплект волоконно-оптических модулей, состоящий из приемника OMRD-01 и передатчика OMTD-01m (рис.3). Оба изделия рассчитаны на применение с оптическим кабелем, изготовленным из многомодового кварцевого волокна с диаметром световедущей жилы/оболочки 62,5/125 мкм. Кабели снабжены металлическими оптическими разъемами типа ST. Длина волны оптического излучения 0,85 мкм определяется типом излучателя, входящего в состав передатчика. В передающем модуле в качестве излучателя используется высокоэффективный лазерный диод, размещенный в разъеме типа ST и позволяющий вводить в многомодовое волокно оптическую мощность не менее 2 мВт. Выбор лазерного диода продиктован и желанием минимизировать энергопотребление, так как светодиодные структуры потребляют на порядок большее количество энергии при той же величине выходной оптической мощности. В реальных условиях расстояния для передачи информации относительно невелики (как правило, до 1000 м), поэтому затуханием сигнала в волоконно-оптическом кабеле можно пренебречь. Достаточно большой уровень сигнала на входе приемника позволяет существенно снизить его входной импеданс. Это повышает помехоустойчивость приемника, так как его входная часть наиболее чувствительна к наводкам и помехам. Для обработки цифровых сигналов произвольного формата в приемнике используется схема с определением начала и конца импульса по его фронту и спаду. Этими фронтом и спадом управляется высокочувствительный триггер Шмидта, входящий в состав устройства дискретизации и выполненный на быстродействующем компараторе. Электрические интерфейсы модулей соответствуют стандартным уровням КМОП и ТТЛ. Изделия выполнены в металлостеклянных корпусах из специального сплава, обеспечивающего высокую помехозащищенность, со штырьковыми выводами (рис.4). Габариты (без учета длины оптического разъема) – 10,6×14,5×19,5 мм. Основные технические характеристики комплекта OMRD-01/OMTD-01m Передающий модуль OMTD-01m Рабочая длина волны, мкм 0,85 Оптическая мощность, вводимая в волокно, дБм > –3 Длительность фронта нарастания/ спада оптического излучения, нс 10 Максимальный период входных сигналов неограничен Напряжение питания, В 5 Ток потребления, мА 7,5 Диапазон рабочих температур, ˚C –40...60
Приемный модуль OMRD-01 Рабочая длина волны излучения, мкм 0,85 Минимальная входная оптическая мощность, дБм –23 Максимальная входная оптическая мощность, дБм –3 Максимальная скорость передачи, Мбит/c 4 Напряжение питания, В 5 Ток потребления, мА <25 Диапазон рабочих температур, ˚C –40...60 Устройство управления мощными исполнительными механизмами Для передачи и приема сигналов управления и синхронизации предназначен комплект в составе передающего модуля OMTD-02 и приемного устройства ФПУ-Э, образующих вместе с волоконно-оптическим кабелем волстрон. Эти компоненты служат для получения на выходе приемника достаточно мощных электрических импульсов, необходимых для запуска различных устройств со ступенчатой коммутацией токов порядка десятков, а то и сотен килоампер. В данных условиях первоочередное значение приобретает устойчивость работы приемника, размещаемого на входе первой ступени коммутатора, по отношению к обратным наводкам и помехам, которые возникают при включении оконечной ступени. Устойчивость в основном определяется величиной входного импеданса фотоприемника и экранирующими свойствами корпуса, а также схемотехническим решением выходного буфера. Выбор величины входного импеданса зависит от минимальной входной оптической мощности и, соответственно, входного тока, при которых происходит устойчивое срабатывание выходного каскада приемника, формирующего импульс тока с соответствующими характеристиками. Поэтому основное внимание уделялось, с одной стороны, уменьшению входного сопротивления усилителя тока приемника, с другой – увеличению выходной оптической мощности передатчика. С этой же целью в волстроне используются кварцевые многомодовые волокна с нормированным затуханием 3,5 дБ/км. Передатчик состоит из преобразователя уровней стандартной логики в нормированные импульсы тока и лазерного диода с длиной волны излучения 0,85 мкм. Выходная оптическая мощность, вводимая в многомодовое волокно – не менее 2 мВт (3 дБм). Диаметр светопроводящей жилы/оболочки волокна – 62,5/125 мкм. На выходе приемника оптического сигнала формируются электрические импульсы с амплитудой 20 В (сопротивление нагрузки ≥10 Ом) и длительностью не более 100 мкс. Приемник ФПУ-Э (рис.5) питается от любого источника с напряжением ≥24 В, в том числе и от источника коммутируемого устройства через ограничительный резистор. Напряжение питания приемника ограничено внутренним стабилитроном с напряжением стабилизации 22 В, максимальный ток стабилизации – 5 мА. Внутренний накопительный конденсатор обеспечивает формирование импульсов тока, в зависимости от типа выходного буфера приемника, 2 или 10 А (для ФПУ-Э-м) и длительностью до 5 мкс. Для получения более длинных импульсов тока необходимо подключение внешних конденсаторов. Приемник и передатчик, входящие в состав волстрона, выполнены в металлостеклянных корпусах из специального сплава, обеспечивающего высокую помехозащищенность (рис.6).
Технические характеристики Оптрон Длина волны оптического излучения, мкм 0,85 Длина волоконно-оптического кабеля, м ≤1000 Тип оптического разъема ST Суммарная задержка (Lвок = 50 м), нс ≤500 Диапазон рабочих температур, ˚C –40...60
Передатчик OMTD-02 Выходная оптическая мощность, дБм 3 Длительность фронта нарастания спада оптического излучения, нс 5 Уровни входных сигналов ТТЛ/КМОП Длительность входного импульса неограниченна Напряжение питания, В 5±10% Ток потребления, мА ≤30 Габариты, мм 10,6×14,5×19,5
Приемник ФПУ-Э Минимальная длительность выходного импульса, мкс 5 Выходной ток приемника (амплитудное значение), А ≤2 Выходное напряжение, В 20 Емкость зарядного конденсатора, мкФ 1,5±2% Пороговая оптическая мощность на входе, мВт 0,7 Сопротивление нагрузки, Ом ≥10 Максимальный зарядный ток, мА ≤5 Номинальное напряжение внутреннего стабилитрона, В 22 Габариты, мм 9,4×19,5×29,5 * * * В заключение отметим, что применение средств волоконной оптики для решения специализированных технологических задач не исчерпывается приведенными примерами. Нами создаются источники электрической энергии с подзарядкой по волоконно-оптическому каналу, а также разрабатываются устройства для бесконтактного измерения физических величин с использованием пассивных элементов. К ним относятся разного рода расходомеры, фиксаторы положений, дистанционные измерители перемещений и деформаций. ●