Проектирование междугородной магистрали между городами Ростов-на-Дону и Ставрополь с использованием оптического кабеля

Простейшие ОВ представляют собой круглый диэлектрический (стекло или прозрачный полимер) стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины

всегда больше показателя преломления оболочки

где и - относительные диэлектрические проницаемости сердцевины и оболочки соответственно.

Для передачи сигналов по ОВ используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред (n1>n2) , при этом угол полного внутреннего отражения

sinn = n2/n1

С другой стороны величина угла полного внутреннего отражения зависит от соотношения диаметра сердцевины и длины волны

cosn = /dc

Таким образом, по ОВ будут эффективно передаваться только лучи, заключенные внутри телесного угла (как показано на вышеприведенном рисунке) , величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется числовой апертурой

NA = (n12 - n22)0.5 = (1,4992 - 1,4962)0,5= 0,09479 ? 0,1

Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода , при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Лучи попадающие в торец ОВ вне телесного угла, образуют так называемые пространственные волны, которые являются паразитными , отбирающими энергию волны сердцевины.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте мод ОВ разделяются на одномодовые и многомодовые. Число мод зависит от соотношения диаметра сердцевины и длины волны. В настоящее время принято при длинах волн 0,85-1,55 мкм. применять ОВ с диаметром сердцевины 8 - 10 мкм . для одномодовой передачи и 50 мкм. для многомодовой.

Важнейшим обобщенным параметром волоконного световода, используемым для оценки его свойств, является нормированная частота V:

V=2*?*a*NA/= 2*3.14*5*0,09479/1,55 = 1,92

где а-радиус сердцевины волокна.

Число передаваемых мод в световоде можно определить по формуле:

Nст = V2/2=1,92 2/2 = 1,843

Определим критическую длину волны и частоту:

fкр= с/(dc*NA) = 3*108/(10*10-5*0,09479) = 3,1649*1013 Гц

кр =(d*NA)/ n1= (10*10-5*0.09479)/1,499 = 6,3мкм.

Ослабление сигнала в ОВ обусловлено собственными потерями и дополнительными кабельными потерями , обусловленными неоднородностями конструктивных параметров, возникающих при деформации и изгибе световодов в процессе наложения покрытий и защитных оболочек при изготовлении кабеля. Коэффициент затухания (ослабления)

.

Величина в реальных условиях составляет 0,1-0,2 дБ/км. Собственные потери состоят из трех составляющих: ослабления за счет поглощения ; ослабления за счет наличия в материале ОВ посторонних примесей ; ослабления за счет потерь на рассеяние .

с=п+пр+р

Рассчитаем каждую составляющую собственных потерь:

п= (4,34*?*n1*tg)/= (4,34*3,14*1,499*10-11)/1,55*10-6=0,13 дБ/км

где tg- тангенс угла диэлектрических потерь.

Потери энергии также существенно возрастают из-за наличия в материале ОВ посторонних примесей, таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов и др. Из-за примесей возникают всплески ослабления на волнах 0,95 и 1,4 мкм.

При этом наблюдается три окна прозрачности световода с малыми ослаблениями в диапазонах волн 0,8 - 0,9 ; 1,2 - 1,3 ; 1,5 - 1,6 мкм.

Так как длина волны равна 1,55 мкм. (3-е окно прозрачности) , значит пр можно пренебречь. Рассеяние обусловлено неоднородностями электрических параметров материала ОВ, примесями, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления.

р = (4,34*8*?3 (n12-1) к*Т**103)/3*4 = (4,34*8*3,143*

(1,4992-1)*1,38*10-23*8,1*10-11*1500*103)/3*(1,55*10-6 )4= 0,1 дБ/км

где к- постоянная Больцмана.

Т - температура перехода стекла в твердую фазу.

- коэффициент сжимаемости.

Кабельные потери, главным образом обусловлены следующими факторами:

1. Дополнительное затухание, возникающее вследствие микроизгибов ОВ (при изготовлении ОК).

Дополнительное затухание, возникающее вследствие макроизгибов ОВ (при уложении ОВ в ОК).

3. Дополнительное затухание за счет потерь в защитной оболочке.

4. Дополнительное затухание, возникающее вследствие термодинамических воздействий (при изготовлении ОК).

5. Дополнительное затухание, возникающее при монтаже строительных длин.

к принимаем равным 0,1 дБ/км

Таким образом , суммарное затухание составило :

= 0,13 + 0 + 0.1+ 0,1 = 0,33 дБ/км

Дисперсия и пропускная способность ОВ

Полоса частот F, пропускаемая ОВ, определяет объем информации, который можно с заданным качеством передать по ОК. Теоретически по ОВ можно организовать огромное число каналов на большие расстояния, а практически F ограничена. Это обусловлено тем, что сигнал на другой конец приходит искаженным (импульс размывается, уширяется) вследствие различия фаз его составляющих. Данное явление оценивают величиной уширения передаваемых импульсов.

В многомодовых ОВ (МОВ) уширение импульса происходит в основном из-за модовой дисперсии и определяется как разность времени задержки в конце ОВ высшей и низшей из распространяющихся мод, прошедших по ОВ расстояние за самое большое и самое малое время соответственно. В геометрической интерпретации соответствующие этим модам лучи идут под разными углами к оси ОВ и проходят разные по длине расстояния.

В градиентных ОВ происходит выравнивание времени распространения различных мод за счет специально подобранного профиля показателя преломления: уменьшается от центра к периферии по параболическому закону. Это вызывает рефракцию - искривление траектории луча к осевой линии, что обуславливает волнообразный характер распространения лучей вдоль ОВ по винтовой линии. ГОВ подобно среде с распределенным линзовым эффектом, в которой световой пучок подвергается непрерывной подфокусировке.

Кроме модовой дисперсии в ОВ существует еще хроматическая (частотная) дисперсия (материальная, волноводная и профильная). Помимо ОВ в общее уширение импульса вносят свой вклад оптический излучатель (лазер, светодиод) и фотоприемник (фотодиод).

Причинами дисперсии является некогерентность источников излучения, определяемое хроматической дисперсией. В свою очередь хроматическая дисперсия делится на материальную (возникает вследствие частотной зависимости показателя преломления материала сердцевины) и волноводную (связана с частотной зависимостью продольного коэффициента). Еще одной причиной дисперсии является наличие большого числа мод.

= (мод2+(мат+в)2)0,5

Для одномодового волокна мод = 0.

Материальная и волноводная составляющие дисперсии расчитываются следующим образом :

мат = *М().

Для =1,55 мкм М()= -18 пс/(км*нм)

в = *В().

Для =1,55 мкм В()= 12 пс/(км*нм)

Ширина спектра излучения лазерного источника = 0,2…2 нм

Примем = 1 нм.

Получим:

рез = ((?мат+?в)2)0,5 =((-18+12)2)0,5=6 пс/км

5. Определение длины регенерационного участка