Die zunehmende Datennutzung stellt höhere Anforderungen an Funkantenneneinheiten, die Daten an mobile Geräte übertragen. Die Stromversorgung dieser Antenneneinheiten über dieselben Glasfasersysteme, die auch Datensignale übertragen, könnte diese Infrastrukturen verbessern und vereinfachen, sofern die so zugeführte Leistung erhöht werden kann. Motoharu Matsuura, Hidehito Furugori und Jun Sato von der Tokyo University of Electro-Communications haben nun die Möglichkeit demonstriert, in einem 300 m langen Testfasersystem 60 W zu liefern. Dies übertrifft die Leistung bisheriger Arbeiten und unterstreicht das Potenzial dieses Ansatzes.
Glasfasergespeiste Systeme sind durch ihre Energieübertragungseffizienz begrenzt, die durch den hohen Anteil der in die optische Verbindung eingespeisten Energie, der während der Übertragung als Wärme verloren geht, beeinträchtigt wird. Daher sind Leistungsbegrenzungen erforderlich, um zu verhindern, dass die Abwärme die optischen Komponenten der Verbindung beschädigt.
Matsuura und seine Kollegen hatten bereits gezeigt, dass sie zwei Multimodefasern für die Energieübertragung mit einer doppelt beschichteten Faser für die Datenübertragung bündeln können. Dieses Bündel wurde anschließend verjüngt und mit einem einzelnen doppelt beschichteten Faserausgang verbunden. Am Faserbündel-Splitter ging jedoch Leistung verloren, da die Faser innerhalb des Faserbündels einen geringeren Querschnitt aufwies. Dadurch betrug der Gesamtwirkungsgrad der Energieübertragung nur 20 %, wodurch die über die Verbindung übertragbare Leistung auf lediglich 40 W begrenzt war.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Multimode-Leistungsfasern auf sechs optimierten die Forscher den Faserquerschnitt innerhalb des Faserbündels, ohne weitere Einschränkungen einzuführen, und maximierten so den Wirkungsgrad der Energieübertragung. In ihrem Bericht schlussfolgern die Forscher: „Diese Ergebnisse zeigen, dass optische Energiesysteme mit doppelt beschichteten Fasern ein hohes Potenzial für den praktischen Einsatz in zukünftigen mobilen Kleinzellennetzen besitzen.“
Mobile Datennetze:
Drahtlose Funkantenneneinheiten übertragen Daten von einer Zentralstation über Funkfrequenzen an mobile Endgeräte. Die Zentralstation sendet die Daten per Glasfaser an die Antenneneinheiten. Die
Stromversorgung der Funkantenneneinheiten erfolgt üblicherweise über das Netzwerk. Die vorgeschlagene Stromversorgung über Glasfaser könnte die Stromversorgung jedoch vereinfachen. Darüber hinaus wären die Antenneneinheiten durch die Stromversorgung über Glasfaser unempfindlich gegenüber Stromausfällen im Netzwerk, beispielsweise durch Blitzeinschlag. Obwohl die Stromversorgung über Glasfaser das Interesse der Forschung geweckt hat, ist die verfügbare Leistung über Glasfaser bisher begrenzt.
Details zum Testsystem:
Die Forscher testeten ihren Daten- und Stromversorgungsfasercluster in einem bidirektionalen System, bestehend aus einer Zentralstation und einer Funkantenneneinheit, die über eine doppelummantelte Glasfaser verbunden sind.
Eine Laserdiode mit direkter elektrischer Modulation durch einen Signalgenerator erzeugte Testsignale bei 1550 nm, die den IEEE-Standardvorgaben für drahtlose lokale Netzwerke (WLANs) in Wi-Fi (IEEE 802.11g) entsprachen. Kommerzielle Laserdioden lieferten auch die optische Leistung.
Ein Erbium-dotierter Faserverstärker verstärkte das Signal und erhöhte die Leistung des Datensignals für die Übertragung. Das System umfasste außerdem Rauschunterdrückungselemente, darunter Bandpassfilter und Modenentferner.
Die Multimodefasern und die doppelt beschichtete Faser am Faserbündeleingang des Clusters sind verjüngt und mit einem 300 m langen, doppelt beschichteten Faserausgang verbunden. Die Doppelbeschichtung verhindert Übersprechen. Aufgrund der hohen Kosten konnte im Testsystem kein längerer Einsatz eines doppelt beschichteten Faserausgangs realisiert werden. Doppelt beschichtete Fasern werden üblicherweise kommerziell als Verstärkungsmedium eingesetzt, wofür sie in der Regel nicht länger als 100 Meter sein müssen.
Die Forscher identifizierten die kombinierte Querschnittsfläche der beiden Multimodefasern als limitierenden Faktor für die Leistungsübertragungseffizienz. Da die beiden Multimodefasern im Bündelaufbau Leerraum ließen, war der Gesamtquerschnitt der Fasern kleiner als der der verbundenen, doppelt ummantelten Faser, was zu einer ineffizienten Leistungsübertragung führte.
Die Verwendung einer größeren Anzahl schmalerer Multimodefasern erhöht deren Füllfaktor im Bündel und damit deren kombinierte Querschnittsfläche. Dies bedeutet jedoch auch, dass jede einzelne Faser schmaler ist, wodurch die Belastbarkeit jeder einzelnen Faser sinkt. Die Forscher ermittelten, dass ein Bündel aus sechs energieoptimierten Multimode-Fasern den optimalen Kompromiss zwischen den beiden limitierenden Faktoren darstellt.
Referenz:
Motoharu Matsuura*, Hidehito Furugori und Jun Sato, 60 W power-over-fiber feed using double-clad fibers for radio-over-fiber systems with optically powered remote antenna units, Optics Letters 40 5598 (2015). Higher School of Informatics and Engineering, University of Electro-Communications, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu, Tokyo 182-8585, Japan
