Расчет параметров волновых световодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет параметров волоконных световодов

Порядок выполнения курсовой работы

1. Произвести выбор материалов для сердечника и оболочки световода, рассчитать n1 и n2 при условии n1> n2 и обеспечении одномодового режима работы.

2. Определить числовую апертуру световода.

3. Определить коэффициент затухания световода.

4. Определить дисперсию световода и максимальную ширину полосы пропускания на 1 км.

5. Определить длину регенерационного участка.

6. Сделать выводы.

Общие данные для всех вариантов:

· Диаметр сердечника световода 2a=8,3 мкм;

· Диаметр оболочки световода b=125 мкм;

· Диаметр скрутки d=160 мм;

· Шаг скрутки S=80 мм;

· Коэффициент для расчета затухания на микроизгибах k=15;

· Строительная длина оптического кабеля lсд=2 км;

· Коэффициент ошибок pош=10-9;

· Скорость передачи информации B= 622 Мбит/с.

Таблица

Расчет показателя преломления компонентов волоконного световода

оптоволокно световод волоконный апертура

При оценке показателя преломления стекол необходимо учитывать его зависимость от длины волны, т.е. спектральную зависимость, которая для диапазона длин волн 0,6-2,0 мкм характеризуется трехчленной формулой Селмейера :

,

где и ( =1, 2, 3) - коэффициенты, значения которых находятся экспериментально; ? - длина волны, мкм.

Для изготовления световодов применяют кварцевые стекла с добавками окиси германия, фосфора, повышающими показатель преломления кварца, и добавками окиси бора, фтора, понижающими показатель преломления стекла. Значения коэффициентов и для стекол различных составов приведены в табл. 1.

При определении показателя преломления основных компонентов волоконного световода, необходимо учитывать, что в качестве материала светоотражающей оболочки, как правило, применяется чистое кварцевое стекло (SiO2), а для изготовления сердечника - легированный кварц.

Расчитаем значения квадрата коэффициента преломления для материалов из таблицы 1: (крайняя правая колонка).

Таблица 1: Значения коэффициентов и для стекол различных составов

Оптические свойства выбранных материалов сердечника и оболочки должны обеспечивать одномодовый режим работы волоконного световода. Для этого необходимо рассчитать значение нормированной (характеристической) частоты

,

где - радиус сердечника световода, мкм;

? - длина волны, мкм;

n1 - показатель преломления сердечника;

n2 - показатель преломления оболочки.

Выберем материалы для сердечника и оболочки световода. Если нормированная частота V<2,405, то в световоде распространяется лишь один тип волны НЕ11, и компоненты волоконного световода выбраны правильно. Если V?2,405, то в световоде устанавливается многомодовый режим работы. Тогда необходимо осуществить повторный выбор материалов сердечника и оболочки, которые обеспечивали бы существование лишь одной моды в оптическом волокне.

Расчет числовой апертуры световода

Важной характеристикой световода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), которая представляет собой синус от апертурного угла(). Апертурный угол - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, воздействующего на торец световода. Числовая апертура рассчитывается по формуле

,

NA = 0.11632759673

где - относительная разность показателей преломления.

От значения NA зависят эффективность ввода излучения лазера в световод, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

Чем больше у волокон ?, тем больше NA, чем легче осуществлять ввод излучения от источников света в световод. Оптические кабели применяемые для магистральной связи должны иметь числовую апертуру NA<0,2. В данном случае NA= 0.11632759673 ,что удовлетворяет условию.

Расчет затухания световодов

Важнейшими параметрами световода является оптическое потери и соответственно затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность. Затухание световодных трактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (ас) и дополнительными потерями, так называемыми кабельными (ак), обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля, т.е.

.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (аn) и потерь рассеивания ap, т.е.

.

Под кабельными потерями понимают потери энергии на макроизгибы и микроизгибы:

.

Таким образом, полные потери в волоконном световоде составят:

.

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода :

, дБ/км

an = 0.061239006 дБ/км

где n1 - показатель преломления сердечника; - длина волны, мкм; - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде, равный .

Затухание на рассеяние рассчитывается по формуле :

, дБ/км

?р= 0.11453286808 дБ/км

где К - постоянная Больцмана, К = Дж/К; Т - температура перехода стекла в твердую фазу, Т = 1500 К; - коэффициент сжимаемости, м2/Н; ? - длина волны, м.

Потери на макроизгибы обусловлены скруткой волоконных световодов по геликоиде вдоль всего оптического кабеля и для ступенчатых стекловолокон рассчитываются по формуле :

, дБ/км,

?macro= 0.20401403076 дБ/км

где - радиус сердечника, мкм; - относительная разность показателей преломления, d - диаметр скрутки, мм; S - шаг скрутки, мм.

Отношение S/d называется параметром устойчивости скрутки, который в оптических кабелях находится в пределах 12 - 30.

Дополнительное затухание за счет излучения при микроизгибах для одномодовых световодов рассчитывается по формуле

, дБ/км,

?micro= 0.02716294606 дБ/км

где k - коэффициент, зависящий от длины и амплитуды микроизгибов,

k=10-15; a - радиус сердечника стекловолокна, мкм; b - диаметр оболочки, мкм; ? - длина волны, мкм.

- радиус поля моды, мкм,

, .

?0= 5.31410952731 мкм

Таким образом, полные потери в волоконном световоде составят:

.

= 0.4069488509 дБ/км

Расчет дисперсии оптического волокна

В световодах при передаче импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга. Данное явление в теории световодов носит название дисперсии.

Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивает длину участка регенерации. Дисперсия ограничивает также пропускную способность волоконно-оптических систем передачи, которая предопределяет полосу частот, пропускаемую световодом, ширину линейного тракта и соответственно объем информации, который можно передать по оптическому кабелю.

Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и появление спектра , существование большого числа мод.

Первая называется хроматической (частотной) дисперсией, которая делится на материальную и волноводную. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и связана со световодной структурой моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.

Второй вид дисперсии носит название модовой, которая, однако, в одномодовых световодах отсутствует полностью.

В одномодовых световодах проявляются материальная и волноводная дисперсии, расчет которых производится по формулам

= -2.09564728858 пс/км,

= 2.91013113157 пс/км,

где - ширина спектра излучения источника, при использовании в качестве источника излучения полупроводникового инжекционного лазера, = 0,1 - 4 нм; - удельная дисперсия материала; - удельная волноводная дисперсия.

Коэффициент удельной материальной дисперсии рассчитывается по формуле

= -20.95647288584 пс/(км нм)

где - длина волны, мкм; с - скорость света, с = 300000 км/с;

- показатель преломления сердечника; и - коэффициенты выбираются из табл. 1 в зависимости от состава стекла сердечника в полном соответствии с предварительно выполненными расчетами .

Производная рассчитывается по формуле:

= -0.01201226732

Коэффициент удельной волноводной дисперсии рассчитывается по формуле :

= 29.1013113157 пс/(км нм)

где - длина волны, мкм; - относительная разность показателей преломления.

Полное уширение импульса за счет материальной и волноводной дисперсий, приходящееся на 1 км оптической магистрали, определится:

= 0.81448384299 пс/км.

Хроматическая дисперсия существенно ограничивает пропускную способность волоконных световодов. Максимальная ширина полосы пропускания на 1 км оптической линии приближенно определяется по формуле:

= 5.4021943319*1011 Гц км.

Определение длины регенерационного участка

Из последнего выражения можно определить длину регенерационного участка, определяемого затуханием линии:

lp = 123.1792182967 км (1)

Современные способы сращивания оптических волокон, посредством сварки автоматическими устройствами, обеспечивают величину потерь на одном сростке в пределах 0,01-0,03 дБ.

Потери в лучших образцах разъемных соединителей (оптических коннекторах) составляют 0,35-0,5 дБ на одно соединение. Расчет энергетического потенциала производится следующим образом. Учитывая, что в аппаратуре STM в качестве источника излучения используется полупроводниковый инжекционный лазер, выходная мощность последнего составляет Pпер. При использовании способа кодирования с невозвращением в нуль из выходной мощности источника излучения вычитается 3 дБм, а при коде с возвращением в нуль - 6 дБм, что обусловлено уменьшением средней излучаемой мощности кодированного сигнала по сравнению с непрерывным режимом.

Потери при вводе света в волокно для полупроводникового лазера составляют =3-5 дБ, при выводе света на фотоприемник - =2-3 дБ.

Требуемую чувствительность приемника выбирают исходя из принятой скорости передачи информации (В) и величины коэффициента ошибок (рош). На рис. 2 приведены зависимости чувствительности наиболее распространенных фотоприемников от скорости передачи информации (Рпр.мин.=f(В)) при рош=10-9.

Рис. 2. Зависимость чувствительных фотоприемников от скорости передачи информации: 1 - ЛФД (Ge); 2 - ЛФД (GaJnAs)

Определение длины регенерационного участка по пропускной способности оптического кабеля

Дисперсионные явления в волоконном световоде приводят к появлению межсимвольной интерференции, для уменьшения которой необходимо, чтобы выполнялось следующее условие

,

где, В - скорость передачи информации; - уширение импульса в кабеле длиной 1 км.

Тогда длина регенерационного участка определится:

lp = 493.47726650644 км (2)

где, В - скорость передачи информации, Мбит/с; - уширение импульса, пс/км.

Целью расчета является определение максимальной длины регенерационного участка lp при условии одновременного выполнения неравенств (1) и (2), значит берется меньшее значение, т.е.

lp<= 123.1792182967 км

Вывод

В ходе выполнения работы был определен выбор материалов для изготовления оптоволокна с заданными параметрами, исходя из экономичности оптической магистрали и обеспечения требуемого качества передачи информации, выбираем длину регенерационного участка - 123 км. Более протяженный участок приведет к увеличению дисперсии и расширению импульса, что может привести к повышению вероятности ошибки при передаче информации.

Размещено на Allbest.r