Proyecto

¿Por qué?

Existen muchas situaciones en las que el uso directo de energía eléctrica transportada a través de los cables convencionales para la alimentación de equipos y sistemas electrónicos no es posible o recomendable. Las áreas con estas restricciones se denominan regiones de exclusión. Se dan en entornos en los que hay un elevado riesgo de incendio o explosión (refinerías, aeronaves, tanques de combustible, minas, etc…) Otros ámbitos de aplicación se encuentran en el suministro remoto de energía a baterías recargables, por ejemplo en el caso de dispositivos médicos implantables en el cuerpo humano. En ambas situaciones, el suministro de energía precisa de una solución alternativa siendo la telealimentación óptica la única opción segura. Un sistema de telealimentación óptica está compuesto por un emisor de luz (habitualmente un láser), un medio de transmisión y un receptor de luz. El emisor de luz convierte la energía eléctrica tomada de una región no problemática en energía óptica, que se envía a través del medio de transmisión al receptor de luz, que transforma la energía luminosa en electricidad y alimenta un equipo electrónico dentro de la región de exclusión. Ese receptor de luz ha de ser un convertidor fotovoltaico y no un fotodiodo, dado que la conversión de la energía suministrada por el láser debe hacerse a un voltaje lo suficientemente elevado como para alimentar una gran variedad de equipos eléctricos o electrónicos.

Así mismo, en estos entornos de accesibilidad limitada muy frecuentemente se necesita monitorizar y controlar procesos bajo estrictas condiciones de seguridad. Esto mismo ocurre también en lugares donde los equipos eléctricos o electrónicos sean muy sensibles al ruido electromagnético (plantas nucleares). Además de las aplicaciones asociadas a las regiones de exclusión, existen otras que requieren comunicaciones de alta capacidad en zonas donde no existe una alimentación convencional, o en instalaciones que han sufrido catástrofes naturales o atentados, que requieren de un emplazamiento temporal y que se apoyan en la tecnología móvil de quinta generación (5G) y, a futuro, en la tecnología más allá de 5G (B5G ó “beyond 5G”) y la sexta generación de tecnología móvil (6G). Estas tecnologías pretenden llegar a tasas de transferencia de datos muy elevadas (por encima de 10 Gbps por usuario) con una latencia (retraso en la comunicación) ultrabaja, junto con una mejora global de la eficiencia energética. Estas redes emergentes van a ser la base de la conectividad y digitalización global, integrando sensores inteligentes que darán lugar a infraestructuras que permitan simultáneamente comunicaciones rápidas y monitorización de parámetros críticos. En este contexto, las fibras ópticas son un elemento clave, permitiendo implementar ambas funciones, sensado y comunicaciones rápidas, simultáneamente y de forma singular.

La coexistencia de esas altas tasas de transmisión junto con la posibilidad de alimentar de forma remota las antenas y/o los sensores ubicados próximos a las mismas, en zonas donde no existe una alimentación convencional, en zonas de emergencia, de exclusión, de difícil acceso o aisladas, es un aspecto que únicamente se puede cubrir con la integración de energía y datos en la telealimentación fotovoltaica por fibra óptica.

¿Cómo?

El proyecto Telealimentación fotovoltaica por fibra óptica con eficiencia de conversión y velocidad de transmisión de datos récord (TALENTO-CM) propone soluciones disruptivas para desarrollar sistemas seguros de transmisión remota de energía y datos a través de fibra óptica con eficiencias de conversión y velocidades de transmisión récord. El objetivo fundamental es dar solución a situaciones en entornos hostiles de comunicaciones 5G/6G, redes eléctricas, aviónica, industria, etc…

El esquema de un sistema de telealimentación fotovoltaica por fibra óptica se muestra en la figura inferior. En la mayoría de las aplicaciones, es importante monitorizar en la estación remota dentro de la región de exclusión parámetros ambientales como la temperatura o la humedad. En otras aplicaciones, para mejorar la eficiencia energética del sistema en general, se controla la potencia emitida por el láser según los requisitos de la carga y se verifica la potencia óptica entregada. En algunas de estas aplicaciones existe un enlace de comunicación, ya sea unidireccional o bidireccional, entre la estación base y la región de exclusión. Como se muestra en la figura inferior, puede haber una fibra óptica dedicada para la alimentación óptica y otra fibra para el enlace de comunicación. Pero actualmente, las fibras ópticas pueden propagar simultáneamente diferentes señales utilizando multiplexación por división de longitud de onda o usar diferentes longitudes de onda para el enlace descendente (desde la estación base a la estación remota) y el enlace ascendente (desde la estación remota a la estación base).

Para ello, en el marco de este proyecto se abordará el diseño y fabricación de dispositivos semiconductores, los convertidores fotovoltaicos de luz láser (PVLPC, por sus siglas en inglés) con la mayor eficiencia fotovoltaica del mundo (>70%), como parte de un sistema de telealimentación único, integrado en enlaces radio sobre una única fibra óptica analógica multinúcleo con tasas de transmisión y envío de energía récord (300 W Gbps km).

Objetivos del proyecto

Presentamos a continuación los objetivos a conseguir en este proyecto.

Desarrollo y fabricación de convertidores fotovoltaicos de luz láser en primera y tercera ventana de transmisión de fibra óptica

Los convertidores fotovoltaicos en primera ventana que queremos desarrollar tienen que tener una combinación de características entre las que citaremos: superar el 70% de eficiencia de conversión, suministrar una densidad de potencia de decenas de W/cm², alcanzar un voltaje de circuito abierto (V_oc) de al menos 3 V y, por último, trabajar bajo luz láser de 808 nm.

Para los convertidores fotovoltaicos en tercera ventana, destinados a los sistemas de telealimentación por fibra óptica a distancias de kilómetros, el objetivo fundamental es superar 1 W de potencia entregada trabajando con láseres de 1480 nm.

Distribución de energía, monitorización y datos en la fibra óptica

En relación a este segundo objetivo, se propone el uso de varios núcleos de una fibra multinúcleo para, por un lado enviar energía al convertidor fotovoltaico, y por otro, transmitir datos móviles con señales de radio analógica con portadoras RF a 70 GHz, junto con grandes anchos de banda de señales 5G-NR sobre múltiples portadoras ópticas. Nos proponemos alcanzar tasas récord de 30 Gbps junto con telealimentación a distancias de 2 km.

Por otro lado, los niveles de energía a transmitir suelen ser elevados y por tanto es preciso hacer una monitorización que a la vez sea compatible con el envío de datos. Para ello, en este proyecto se van a proponer nuevas técnicas de monitorización basadas en fenómenos de scattering Rayleigh o back-crosstalk a partir de redes de Bragg grabadas en algunos de los núcleos de la fibra.

Además, abordaremos el estudio de una solución disruptiva basada en metalentes hechas con nanopartículas de silicio para acoplar la luz entre fibras de diferentes características, pasando de una multimodo con un diámetro de 105 micras a otra monomodo de unas 9 – 10 micras con menor apertura numérica.

Integración de sistemas de telealimentación segura y datos

La integración de los dos objetivos anteriores se planteará en un sistema para el cual se utilizará una figura de mérito (FoM) que tenga en cuenta la potencia suministrada por el convertidor fotovoltaico, la tasa de transmisión de datos y la longitud de enlace o distancia a la que se transmite la energía. Los valores publicados para estos sistemas alcanzan valores de 98 W·Gbps·km, 50 W·Gbps·km, ó 145 W·Gbps·km. Nuestro objetivo es alcanzar los 300 W·Gbps·km.