Проектирование оптической трассы между Курском и Брянском

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава № 1. Существующие типы оптических волокон (ОВ) оптических кабелей (ОК)

1.1 Конструкция и типы оптических волокон

1.2 Обзор существующих типов оптических кабелей для магистральной сети

Глава № 2. Расчет передаточных характеристик оптического волокна

2.1 Расчет затухания

2.2 Расчет дисперсии

2.3 Расчет потерь на изгибах

Глава № 3. Расчет регенерационного участка

Глава № 4. Расчет конструкции оптического кабеля

Глава № 5. Расчет дополнительных механических усилий при прокладке оптического кабеля

Глава № 6. Обзор процесса прокладки и монтажа волоконно-оптического кабеля

Глава № 7. Разработка вопросов по экологии и безопасности жизнедеятельности при эксплуатации ВОЛС

7.1 Требования безопасности при прокладке, монтаже и сращивании ОК

7.2 Безопасность жизнедеятельности при работах в колодцах

7.3 Расчёт сопротивления заземляющего устройства

Глава № 8.Технико-экономическое обоснование проекта

Заключение

Список литературы



Введение

С начала развития компьютерной техники прошло немного немало шестьдесят лет. За это время мы получили такие скорости вычислений, такие скорости передачи данных, о которых шестьдесят лет тому назад нельзя было и мечтать. К концу столетия человечество получило потрясающую миниатюризацию компьютерной техники, сокращения расстояния между компьютером и человеком, тотальное проникновение компьютерных технологий в бытовую сферу. 1986 год - рождение Интернета, глобальной сети, охватившей практически все страны мира, поставляющей каждому пользователю текущую информацию. Получив настолько быструю обработку данных, люди пришли к выводу, что можно перестать терять время и деньги на передачу этих данных, а также увеличить скорость доступа, и скорость передачи данных. Это стало возможным благодаря использованию новых видов связи, таких как оптическое волокно, пришедших на замену банальным алюминиевым и медным проводам.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (LaserMag.-1993.-№3; LaserFocusWorld.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU:J. AsiaElectron. Union.-1992.-№5).Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США, через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург -Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, давно уже нашли широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности.

Тема об оптоволоконной линии связи, является актуальной на данный момент времени, так как число людей на планете растет, и потребности в улучшение жизни то же увеличиваются. Ещё с древних времён человек совершенствуется: улучшает свои знания, стремится улучшить жизнь, создавая и моделируя предметы быта. И сейчас многие фирмы создают телевизоры, телефоны, магнитофоны, компьютера и многое другое, то есть - бытовую технику, которая упрощают жизнь человека. Но для внедрения этих новых технологий нужно изменять или улучшать старое. В пример этому можно привести наши линии связи на коаксиальном (медном) кабеле. Их скорость мала, даже для передачи видеоинформации. Достоинствами же оптических кабелей по сравнению с применяемыми традиционными металлическими являются:

- экономия меди;

- возможность передачи большого потока информации;

- низкие потери при передаче сигнала позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования;

- независимость сигнала от частоты в широком диапазоне частот;

- высокая защищенность от внешних электромагнитных помех;

- малые габариты и масса;

- надежная техника безопасности;

- легкость прокладки и долгие сроки работы кабеля практически в любых условиях;

- секретность.

Важность каждого из этих преимуществ зависит от конкретного применения. В некоторых случаях широкая полоса пропускания и низкие потери являются определяющими факторами. В других случаях важнее безопасность и секретность, достигаемые при использовании волоконной оптики. Ниже каждое из перечисленных преимуществ рассматривается более детально.

Потенциальные возможности передачи информации возрастают с увеличением полосы пропускания передающей среды и частоты несущей. За время существования радио, используемые для передачи частоты выросли от примерно 100 КГц до приблизительно 10 ГГц. Изобретение лазера, в котором свет используется в качестве несущей, за один шаг увеличило потенциальный диапазон на четыре порядка - до 100 000 ГГц (или 100 терагерц, ТГц). Волоконная оптика теоретически может работать в диапазоне до 1 ТГц, однако используемый в настоящее время диапазон еще далёк от этого предела.

Телефонные компании все чаще используют цифровую связь. Более широкая полоса пропускания оптических систем обуславливает более высокую скорость передачи битов и, следовательно, большее количество звуковых каналов, приходящихся на одну линию. Совместимость различных телефонных линий достигается согласованием скоростей передачи информации. К достоинствам волоконной оптики относится широкая полоса пропускания, значительно перекрывающая полосу пропускания, необходимую для передачи звуковых сигналов, что обеспечивает передачу телевизионного сигнала или организацию телеконференций, для которых требуется информационная емкость в 14, а иногда и в 100 раз большая, чем для цифрового кодирования звуковых сигналов. Полоса пропускания волоконной оптики допускает мультиплексирование различных сигналов, например, звуковых, видео или передачу данных. Поэтому волоконно-оптические линии связи начинают применяться не только для передачи на большие расстояния, но и в коммерческих и бытовых системах. Как пример перспективного использования уникальных возможностей оптического волокна приведем возможности передачи информации со скоростью 10 Гб/сек за время в одну секунду:

-- 1000 книг;

-- 130 000 звуковых каналов;

-- 16 телевизионных каналов высокого разрешения (HDTV)

Для систем на коаксиальном кабеле подобные перспективы отсутствуют, поэтому оптические системы становятся незаменимыми для передачи сигналов на большие расстояния и с большой скоростью. Широкополосность оптических сигналов, обусловлена чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. А это означает, что до сих пор при столь сильной загруженности нашего интернета не нашлось столько информации, которая при одновременной передачи привела бы к уменьшению скорости передаваемого потока данных.

Потери (затухание) определяют расстояние, на которое может передаваться сигнал, иными словами потеря сигнала за счет сопротивления материала проводника. По мере того как сигнал перемещается по передающей линии, его амплитуда уменьшается. Это уменьшение амплитуды называется затуханием. В оптическом кабеле затухание не зависит от частоты и остается постоянным в определенном диапазоне частот, вплоть до очень высоких и, как правило, неиспользуемых частот. Лучшие образцы российского волокна имеют столь малое затухание, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с. Сочетание в волоконно-оптических системах широкой полосы пропускания с низкими потерями приводит к их широкому использованию в телефонной индустрии. Такие системы позволяют не только передавать больший объем информации, но и требует меньшего количества повторителей - дорогостоящих электронных устройств, требующих существенных затрат на установку и обслуживание. Уменьшение количества повторителей приводит к снижению стоимости системы.

Важнейший результат нечувствительности оптического волокна к наводкам от электромагнитного излучения заключается в том, что световые сигналы не искажаются под влиянием электромагнитных наводок (ЭМН). Цифровая передача предполагает пересылку сигнала без ошибок. Всплеск ЭМН может привести к возникновению пика, в то время как в исходном сигнале никакого пика не было. Таким образом, оптические волокна открывают новые возможности для передачи сигнала без искажений.

Оптическое волокно весит значительно меньше медного проводника. Волоконно-оптический кабель той же информационной ёмкости, что и медный, весит меньше, поскольку последний требует большего количества линий. Волокно является диэлектриком и не проводит ток. Его использование безопасно с точки зрения искро - и пожаробезопасности. Более того, волокно не притягивает молнии.

Волоконно-оптический кабель может также использоваться в опасных местах, в которых из соображений безопасности вообще не применялись кабели. Например, волокно можно проложить прямо через топливный бак.

Одним из важнейших достоинств оптического волокна является секретность. Существует несколько путей подслушивания или добывания секретной информации: один из них - подслушивание, заключается в подсоединении к проводу. Другой путь -- перехват радиоволн, излучаемых работающим оборудованием или кабелем. Несколько лет назад США обнаружили такого рода прослушивание переговоров своих посольств. Чувствительная антенна, спрятанная в близко стоящем здании, улавливала радиоволны, излучаемые электронным оборудованием, работающим в посольстве. Улавливаемый радиосигнал содержал сверхсекретные данные. Бизнесмены ежегодно затрачивают миллионы долларов на защиту своих секретов, например на шифрование передаваемых сообщений. Оптическое волокно является сверхбезопасной средой для передачи информации. Оно не излучает волны, которые могут быть получены близкорасположенной антенной. Кроме того, подсоединиться к оптоволокну крайне тяжело. Правительства и деловые круги рассматривают оптическое волокно как информационную среду, обеспечивающую секретность передачи информации.

Оптические системы и кабели в наши дни широко используются в отрасли связи (телефонная городская и междугородняя связь, кабельное телевидение, радиовещание, вычислительная техника, технологическая связь и т.д.). Кроме того, они получили применение в машиностроении, медицине, для связи с подвижными объектами, в энергосистемах. В целом, область возможных применений ВОЛС весьма широка - от линии городской, сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи на большие расстояния с высокой информационной емкостью.

Темпы роста производства волоконной оптики и оптических кабелей за рубежом опережает темпы роста производства электрических кабелей, и составляют 40% в год. Ряд стран уже сейчас отказываются от традиционных металлических кабелей, и строительство новых линий связи переводит на оптический кабель. В мире идет интенсивный процесс совершенствования, как оптических кабелей, так и оптоэлектронной аппаратуры. Получают широкое развитие оптические кабели с одноподовыми волокнами, осваиваются новые диапазоны инфракрасного диапазона (2...6 мкм) и новые материалы с малыми потерями (фтор композиции и др.).

В настоящее время ведется строительство волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) магистрального, зондового и городского назначения. Намечается строительство транссибирской оптической линии (ТСЛ), связывающей Японию, Россию и Европу, которая завершит создание глобального кольца цифровой связи, охватывающего страны Европы, Америки, Азии и Австралии.

На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть многоцелевого назначения - для телефонной и телеграфной связи, телевидения, передачи данных. Весьма перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов.

В данном дипломном проекте, посвящённом проектированию линии связи Курск - Брянск на основе волоконно-оптического кабеля, мы рассмотрим следующие вопросы:

- актуальность выбранной темы;

- виды оптических волокон;

- виды оптических кабелей;

- расчет параметров передачи оптического кабеля;

- расчет длины регенерационного участка;

- расчет конструкции оптического кабеля;

-расчет дополнительных механических усилий при прокладке

оптического кабеля;

Волоконная оптика является новой технологией, только начинающей своё развитие, но уже доказана необходимость ее применения как среды передачи для различных прикладных задач, а характеристики волоконной оптики позволят в будущем существенно расширить область ее применения. В настоящее время оптоволокно находит свое применение преимущественно в теле - и интернет- коммуникациях. Но считается, что сегодняшнее использование оптоволокна лишь вершина айсберга его применения.

Обоснование проектирования трассы.

Курск -- город в России, административный центр Курской области. Расположен в 525 км к югу от Москвы. Город один из культурных, религиозных центров России. Население 428741человек по итогам переписи на 2013 год. Климат города умеренно-континентальный, средняя температура днем в летние месяцы около +24…+25° (максимальная +39°), средняя минимальная температура в зимние месяцы около ?5…-9° (минимальная ?35°). Курск обладает крупным промышленным комплексом, научно-образовательными центрами. Курск -- транспортный узел центральной России. Доступный Интернет появился в городе в марте 2007 года, с появлением новых провайдеров. В настоящий момент аудитория интернет - пользователей в Курске стремительно развивается. Растёт число сетевых СМИ, освещающих жизнь курского региона, открываются крупные сетевые проекты. Также появилось немалое количество кафе, магазинов и торговых центров, которые предоставляют возможность доступа в интернет посредством соединения WI-FI. Нужно отметить, что во многие учебные учреждения города Курска внедряются информационные технологии, учащихся обеспечивают бесплатным доступом к сети интернет для облегчения поиска информации. На 2006 год в городе действовало 7 гостиниц, 7 стадионов, 2 спортивных клуба, спортивная школа, плавательный бассейн, ипподром, кордодром, аквапарк. Имеется шахматный клуб.

Брянск -- город в Российской Федерации, административный центр Брянской области и Брянского района. Брянск расположен на западной окраине Среднерусской возвышенности, на обоих берегах реки Десны при впадении в неё Балвы и Снежите. Население -- 410 837 человек на 2013год. Климат умеренно континентальный. Зима отличается неустойчивой погодой: от сильных морозов до продолжительных оттепелей, лето влажное и тёплое, но сильная жара бывает редко. Брянск -- крупный промышленный центр. Основные отрасли промышленности: машиностроение, металлообработка. Также развиты химическая, электротехническая, электронная, деревообрабатывающая, текстильная, пищевая промышленность. Более 1200 предприятий выпускают: тепловозы, тепловозные дизели, грузовые вагоны, автогрейдеры, асфальтоукладчики и другую дорожную технику, сельскохозяйственную технику, строительные материалы, швейные изделия, другую промышленную продукцию.

Курск и Брянск - два крупных города, расстояние между которыми 280 км. Рассмотрим возможные варианты прокладки трассы:

Варианты прокладки трассы

В данном дипломном проекте производится предварительное проектирование трассы волоконно-оптической линии связи Курск - Брянск.

На трассе преобладает глинистые и суглинистые почвы, на некоторых участках трассы имеется болотистая почва. На территории трассы преимущественно растет смешанный лес.

После подбора и исследования картографического материала было определено три варианта прокладки трассы: два вдоль железной дороги и один вдоль автомобильной дороги:

- первый вариант прокладки трассы вдоль железной дороги, через Золотухино, протяженностью 310 км. имеет 12 речных переходов,5пересечений с железной дорогой, 22 пересечений с автомобильными дорогами;

- второй вариант прокладки трассы вдоль автомобильной дороги, через Шаблыкино, протяженностью 290 км. имеет 20 речных переходов,3пересечения с железной дорогой, 15 пересечений с автомобильными дорогами;

- третий вариант прокладки трассы вдоль автомобильной дороги, через Орел, протяженностью 280 км. имеет 19 речных переходов,4пересечения с железной дорогой, 16 пересечений с автомобильными дорогами.

В результате анализа трех вариантов прокладки кабеля (один вдоль ж/д и два вдоль автодороги) преимущества третьего варианта состоит в том, что прокладка вдоль автомобильной дороги М-2 и Р-120 имеет протяжённость кабельной магистрали на 10 и 30 км. короче и проходит через большее количество населенных пунктов. С учетом того, что эта автодорога М-2 и Р-120, будет легче добраться до места повреждения волоконно-оптической линии связи.

Исходя из технико-экономических показателей, удобства строительства и эксплуатации волоконно-оптической линии связи окончательно выбираем третий вариант прокладки.



Глава № 1. Существующие типы оптических волокон (ОВ) и оптических кабелей (ОК)

В данной главе мы рассмотрим существующие типы оптических волокон (ОВ) и существующие типы оптических кабелей(ОК) применяемые для магистральной сети.

1.1 Конструкция и типы оптических волокон

Рис. 1.1 Структура световода.

Современное волокно имеет двухслойную структуру: сердцевину диаметром от нескольких до нескольких десятков микрометров и внешний слой диаметром 125 мкм и более (рис.1.1). Как будет показано ниже (рис.1.2), для нормальной передачи сигналов коэффициент преломления сердцевины должен быть больше коэффициента преломления внешнего слоя: n₁>n₂. В русской литературе для обозначения внешнего слоя сложилось название “оболочка”, хотя на самом деле поверх двухслойного стекла имеется ещё несколько покрытий, которые являются настоящей изолирующей оболочкой. В англоязычной литературе наружный слой стекла обозначается термином “cladding” (“кладка”).

Рис.1.2

Коэффициент преломления в волокне может меняться скачком при переходе границы между оболочкой и сердцевиной, и такое волокно называется ступенчатым. Если коэффициент преломления в сердцевине не остаётся постоянным, а изменяется плавно, например, по параболе, то такое волокно называется градиентным.

На рисунке 1.3 представлена схема распространения света по волокну. Свет заводится внутрь волокна под углом больше критического к границе «ядро -- оптическая оболочка» и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет ив дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.

Рис 1.3. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне.

Свет, попадающий на границу под углом меньше критического будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обычно не предназначена для переноса света, и свет в ней достаточно быстро затухает. Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль обычного оптического волокна. В этом анализе, однако, учитываются только меридианные лучи, проходящие через центральную ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными, движутся вдоль волокна, не проходя через его центральную ось. Траектория асимметричных лучей представляет собой спираль, накручивающуюся вокруг центральной оси. Асимметричные лучи, как правило, игнорируются в анализе большинства волоконно-оптических процессов. Специфические особенности движения света вдоль волокна зависят от многих факторов, включая:

-- размер волокна;

-- состав волокна;

-- процесс инжекции света внутрь волокна.

Понимание взаимного влияния этих факторов проясняет многие аспекты волоконной оптики. Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. Поперечные сечения и диаметры для ядра и оптической оболочки четырех наиболее распространенных видов волокон следующие:

Рис 1.4. Типичные диаметры ядра и оптической оболочки.

Для наглядного представления мизерности этих размеров укажем, что человеческий волос имеет диаметр около 100 микрон. При указании размеров волокна вначале приводится значение диаметра ядра, а затем оптической оболочки: итак, 50/125 означает диаметр ядра 50 микрон и диаметр оптической оболочки 125 микрон. Таким образом, именно столь малые размеры позволяют передавать тысячи телефонных переговоров.

Оптические волокна могут быть классифицированы двумя способами по параметрам:

- материал, из которого сделано волокно;

- индекс преломления в ядре и модовая структура света.

Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверхпрозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. Если морская вода была бы столь прозрачной, как волокно, то можно было бы увидеть дно самой глубокой океанской впадины -- Марианской (11 022 метра),расположенной в Тихом океане. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Кроме того, в стекле присутствуют другие примеси, не извлеченные в процессе очистки. Они также влияют на свойства волокна, увеличивая затухание, обусловленное рассеянием и поглощением света.

Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой (PCS) имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Их характеристики, хотя и не столь хорошие, как у полностью стеклянного волокна, являются вполне приемлемыми. Пластиковые волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку. По сравнению с другими видами волокон пластиковые имеют ограниченные возможности с точки зрения затухания и полосы пропускания. Однако низкая себестоимость и простота использования делают их привлекательными там, где требования к величинам затухания и полосе пропускания не столь высоки. Электромагнитная невосприимчивость и секретность передачи информации по пластиковым волокнам делают их применение оправданным. Пластиковые волокна являются достаточно прочными, с малым радиусом изгиба и способностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Этот тип волокон находит применение в автомобилестроении, музыкальных системах, различной бытовой технике.

Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi mode fiber).

Рис. 1.5.Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления.

В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну. Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило 0,85 мкм.

Рис. 1.6. Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления.

Многомодовое градиентное оптоволокно отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутри объектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber). В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии л0 - смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей “полностью оптических сетей” - сетей, на узлах которых не происходит опто-электронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Рис. 1.7.Одномодовое оптическое волокно.

В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн л1 = 1,31 мкм и л2 = 1,55 мкм. Одномодовое волокно позволяет легко достичь ширины полосы пропускания от 50 до 100 ГГц-км. В настоящее время волокна имеют полосы пропускания в несколько гигагерц и позволяют передавать сигнал на десятки километров. Характеристики одномодовой системы ограничены возможностями электроники, а не волокна. Еще одно преимущество одномодового волокна заключается в том, что оно может быть проложено один раз с тем, чтобы в дальнейшем возможности передающей линии возрастали по мере развития и замен электронных устройств. Это позволяет экономить средства на прокладке новой наиболее современной передающей линии и добиваться увеличения скорости передачи наиболее экономным способом.

Характеристики оптического волокна.

Дисперсия.

Дисперсия - расплывание светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания и информационную емкость кабеля. Скорость передачи битов должна быть при этом достаточно низкой, чтобы избежать перекрытия различных импульсов. Чем ниже скорость передачи сигналов, тем реже располагаются импульсы в цепочке и тем большая дисперсия допустима. Существует три вида дисперсии:

-- модовая дисперсия;

-- молекулярная дисперсия;

-- волноводная дисперсия.

Модовая дисперсия

Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам. Она возникает из-за того, что лучи проходят различные пути и, следовательно, достигают противоположного конца волокна в различные моменты времени. Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя способами:

1) использование ядра с меньшим диаметром, поддерживающим меньшее количество мод. Ядро диаметром 100 микрон поддерживает меньшее число мод, чем ядро в 200 микрон; 2) использование волокна со сглаженным индексом, чтобы световые лучи, прошедшие по более длинным траекториям, двигались со скоростью, превышающей среднюю, и достигали противоположного конца волокна в тот же момент, что и лучи, движущиеся по коротким траекториям;

3) использование одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

Материальная дисперсия

Лучи с различными длинами волн также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Показатель преломления равен n = c/н, где c - скорость света в вакууме, н - скорость, соответствующая длине волны в веществе. Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости н в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии определяют два фактора:

1) диапазон длин волн света, инжектируемого в волокно. Как правило, источник не может излучать одну длину волны; он излучает несколько. Диапазон длин волн, выраженный в нанометрах, называется спектральной шириной источника. Светодиод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер, около 35 нм для светодиода и от 2 до 3 нм для лазера;

2) центральная рабочая длина волны источника. В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна длиной 1560 нм движется медленнее, чем волна длиной 1540 нм. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300 нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией. Материальная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. Напротив, в многомодовых системах наиболее существенной является модовая дисперсия, так что материальной дисперсией можно пренебречь. Во многих случаях модовая дисперсия не играет никакой роли при конструировании волоконных систем. Скорости слишком малы или расстояния слишком незначительны. Диапазон длин волн от 820 до 850 нм часто используется для передачи во многих волоконно-оптических системах. В этом диапазоне длин волн материальная дисперсия равна примерно 0,1 пс/нм•км ширины спектра.

Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия (наиболее важный вид дисперсии в одномодовых волокнах) обусловлена тем, что оптическая энергия движется как по ядру, так по оптической оболочке. А так как они имеют различные показатели преломления, то излучение движется со слегка различающимися скоростями в ядре и оптической оболочке. Изменение внутренней структуры волокна позволяет существенно влиять на волноводную дисперсию, тем самым изменяя специфицированную общую дисперсию волокна. Это является одним из перспективных направлений разработки одномодовых систем.

Затухание (рассеяние, поглощение)

Затуханием называется потеря оптической энергии по мере движения света по волокну. Измеряемое в децибелах на километр, оно изменяется от 300дБ/км для пластикового волокна до примерно 0,21 дБ/км для одномодового волокна.

Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, а которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На заре своего развития оптические волокна работали в окне прозрачности от 820 до850 нм. Второе окно относится к области нулевой дисперсии вблизи 1300 нм, третье окно -- в области 1550 нм. Типичное волокно со структурой показателя преломления 50/125 имеет затухание 4 дБ/км при 850 нм и 2,5 дБ/км при1300 нм, что соответствует увеличению эффективности передачи на 30 %.Области высокого затухания находятся вблизи 730, 950, 1250 и 1380 нм. Лучше избегать работы в этих диапазонах. Регулирование потерь в волокне может быть достигнуто выбором соответствующей длины волны для передачи. Снижение потерь в волокне требует, чтобы источник света работал в области длин волн с наименьшим затуханием. Пластиковое волокно лучше всего работает в видимом диапазоне около 650 нм.

Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. В медных кабелях затухание увеличивается с частотой сигнала: чем больше частота, тем больше затухание. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, некоторое может быть послан сигнал. Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание. Затухание в волокне определяется двумя эффектами: рассеянием и поглощением.

Рассеяние

Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью волокна и его геометрической структурой. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях, и свет перестает быть направленным. Релеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе его производства. Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный 2,5 дБ при 820 нм, 0,24 дБ при 1300 нм, 0,012 дБ при 1550 нм.

Рис. 2.1. Рассеяние

Поглощение

Поглощением называется процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют ее в тепло. При этом свет становится более тусклым. Области существенного затухания сигнала волокна связаны с молекулами воды и большим поглощением света гидроксильными молекулами. К другим неоднородностям, обуславливающим поглощение, относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия и хрома. Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне одной миллиардной. Современная технология производства волокна позволяет добиваться этого в контролируемых условиях особо чистого окружения. Поэтому проблема поглощения света в волокне не столь важна, как несколько лет назад.

Микроизгибные потери

Этот вид затухания связан с небольшими вариациями профиля границы ядро / оптическая оболочка. Данные вариации границы могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений. При этом свет покидает волокно. Микро неоднородности границы могут возникнуть при производстве волокна. Развитие технологий производства направлено на уменьшение этих микро неоднородностей.

Рис. 2.2. Потери и изгибы волокон.

Числовая апертура

Числовой апертурой (Numeric aperture -- NA) называется способность волокна собирать лучи. Только лучи, которые инжектируются в волокно под углом больше критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материалов волокна и определяется показателями преломления ядра и оптической оболочки:

Таким образом, числовая апертура является безразмерной величиной. Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно. Входной конус связан с NA:

,

где и -- половина угла ввода.

NA волокна является важной характеристикой, так как она указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с большим значением NA хорошо принимает свет, в то время как в волокно с малым значением NA можно ввести только узконаправленный пучок света. Как правило, волокна с широкой полосой пропускания имеют малые значения NA. Таким образом, они допускают существование малого числа мод, означающее малую дисперсию и более широкую рабочую полосу. Значения NA изменяются от 0,5 в пластиковом волокне до 0,2 в волокне со сглаженным профилем показателя преломления. Большое значение NA подразумевает большую модовую дисперсию и, как следствие, большее количество возможных световых траекторий. Свет в одномодовом волокне не испытывает отражения или преломления, он не распространяется под углом к границе волокна. Аналогично в случае одномодового волокна свет не заводится под углами внутри входного конуса до полного внутреннего отражения. Таким образом, в одномодовом волокне NA может быть определена чисто формально, особенного значения для практики она не имеет.

Источники и приемник также имеют свои апертуры. NA источника определяет угловую апертуру выходного света. NA детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника. Для источника особенно важно иметь NA, согласованную с NA волокна, чтоб весь свет, излучаемый источником, проникал в волокно и распространялся по нему. Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.

Рис. 2.3. Числовая апертура.

Прочность

Стекло принято считать хрупким. Оконное стекло действительно не гнется. Однако стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра или завязать в свободный узел. Предел прочности характеризует способность волокна или провода противостоять натяжению или изгибу без повреждения. Предел прочности волокна на разрыв превосходит ту же величину для стальной нити идентичного размера. Более того, медный проводник должен иметь вдвое больший диаметр, чтобы обеспечить тот же предел прочности, что и волокно. Основная причина, обуславливающая хрупкость волокна, -- наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. При этом поверхностные трещины более существенны. Поверхностные дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки, возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения, механические и химические воздействия, обычное старение также приводят к появлению дефектов.

Влияние ионизирующего излучения

Радиационная прочность определяет способность оборудования противостоять ядерным эффектам. Волокна в отличие от проводников не накапливают статические заряды под воздействием радиации. Волокна противостоят росту затухания в условиях постоянного радиоактивного облучения высокой интенсивности. Радиационное облучение усиливает поглощение на неоднородностях волокна. Рост затухания зависит от величины накопленной дозы и интенсивности облучения.

Вывод: Для целей нашего дипломного проекта, мы выбрали одномодовое оптическое волокно с характеристиками:

- рабочая длина волны л = 1,55 мкм;

- чрезвычайно малый диаметр -- от 5 до 10 микрон;

- стандартный диаметр переходного слоя составляет 125 микрон;

- данный размер совпадает с размером оптической оболочки для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, что обеспечивает стандартизацию размеров волокон.

- поскольку данное волокно переносит только одну моду, модовая дисперсия в нем отсутствует.

- одномодовое волокно позволяет легко достичь ширины полосы пропускания от 50 до 100 ГГц-км.

1.2 Обзор существующих типов оптических кабелей для магистральной сети

По назначению оптические кабели (ОК) в отличие от электрических кабелей достаточно классифицировать на две основные группы:

- линейные - для прокладки вне зданий (для наружной прокладки и эксплуатации);

- внутриобъектовые - для прокладки внутри зданий (для внутренней прокладки и эксплуатации).

Современные одномодовые оптические волокна (ОВ), выполняющие в ОК роль среды передачи, имеют малое затухание, слабую его частотную зависимость и не являются ограничивающим фактором применения линейных ОК на сетях связи (магистральной, зоновых или местных).

Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации. Оптические кабели позволяют создавать сети во всех средах: на суше, в воде и воздухе. С учетом этого линейные ОК можно классифицировать на три группы:

- подземные;

- подвесные;

- подводные.

Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две группы:

- распределительные;

- станционные (монтажные).

Волоконно-оптический кабель связи выполнен на основе волоконных световодов (fiber optic) и используется для связи в диапазоне частот 1013 - 1015 Гц. Оптический кабель характеризуется невосприимчивостью к различного рода помехам, низкими потерями. В системах многоканальной оптической связи он позволяет образовать сотни тысяч телефонных каналов. Число оптических волокон в кабелях обычно составляет от 4 до 216. Срок службы волоконно-оптических кабелей: как правило, не менее 25 лет.

Типы конструкций магистральных волоконно-оптических кабелей:

Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.

Кабель оптический типа ОКГ

Кабель волоконно-оптический диэлектрический с одномодовым или многомодовым волокном без бронепокровов.

Кабель предназначен для прокладки в зданиях, в кабельной канализации, при отсутствии опасности механических повреждений, а также в защитных трубах методом пневмозадувки. Количество оптических волокон от 2 до 144 штук, Коэффициент затухания одномодового волокна до 0,22 дБ/км, допустимое растягивающее усилие 1,5 кН, температурный диапазон от -60^оС до + 60^оС, наружный диаметр кабеля 13,6 мм, масса 1 км кабеля 150 кг.

Превосходство этого вида ОК над другими в его сравнительно легком весе, а недостатки в прихотливости места прокладки и малое допустимое растягивающее усилие - 1,5 кн. Поэтому предназначен для прокладки в кабельной канализации, при отсутствии опасности механических повреждений, а также в защитных трубах.

Кабель оптический типа ОКЛ.

Кабель волоконно-оптический с одномодовым или многомодовым волокном с броней из гофрированной стальной ленты.

Предназначен для прокладки в кабельной канализации, в трубах, блоках, коллекторах. Количество оптических волокон от 2 до 144 штук, Коэффициент затухания одномодового волокна до 0,22 дБ/км, допустимое растягивающее усилие 1,5- 3,5 кН, температурный диапазон от -40^оС до + 60^оС, наружный диаметр кабеля 14,4 мм, масса 1 км кабеля 196 кг.

Преимущества данного вида кабеля в относительно легком весе и небольшом диаметре, оптимальная жесткость и низкий коэффициент трения оболочки, низкая температура прокладки и эксплуатации, удобство прокладки и монтажа, большой срок службы. Из недостатков, пожалуй, стоит отметить невозможность прокладки в грунте, малое допустимое растягивающее усилие - 1,5-3,5кН.

Кабель оптический типа ОКК.

Кабель волоконно-оптический диэлектрический самонесущий с одномодовым или многомодовым волокном с силовым элементом и броней из высокомодульных арамидных нитей.

Кабель предназначен для подвешивания на опорах воздушных линий связи, электрифицированных железных дорог и линий электропередач напряжением до 110 кВ, внутри зданий, в специальных трубах Duroline. Количество оптических волокон от 2 до 144 штук, Коэффициент затухания одномодового волокна до 0,22 дБ/км, допустимое растягивающее усилие до 20 кН, температурный диапазон от -40^оС до + 60^оС, наружный диаметр кабеля 13,6 мм, масса 1 км кабеля 150 кг.

Большое допустимое растягивающее усилие до 20 кН при малом весе и диаметре, этого вида ОК, делают его очень востребовательным. Но предназначен этот ОК только для прокладки внутри зданий в специальных трубах, либо для подвешивания на опорах воздушных линий.

Кабель оптический типа ОКБ

Кабель волоконно-оптический с одномодовым или многомодовым волокном и броней из стальных оцинкованных проволок.

Кабели линейные (магистральные) предназначены для прокладки в кабельных канализациях, трубах, блоках, коллекторах, в грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, через водные преграды ручным и механизированным способами. Кабель выпускается как с одномодовым, так и с многомодовым оптическим волокном и защищен стальной проволокой. Количество оптических волокон от 2 до 144 штук, Коэффициент затухания одномодового волокна до 0,22 дБ/км, допустимое растягивающее усилие 7-20 кН, температурный диапазон от -40^оС до + 60^оС, наружный диаметр кабеля 15,6 мм, масса 1 км кабеля 450 кг.

Недостатки этого кабеля в его большом весе, но самое главное преимущество - прокладка в кабельных канализациях, трубах, блоках, коллекторах, в грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, через любые водные преграды.

Оптический одномодовый кабель 9/125 обеспечивает абсолютную скорость передачи данных и независимость от электромагнитных помех. Применяется для сетей Fast Ethernet и Gigabit Ethernet и для прокладки на большие расстояния (2000м), где многомодовый кабель (500м) и витая пара не применима (предел 100м). Варианты оптического кабеля: для внешней и внутренней прокладки с разным количеством жил. Пропускная способность одномодового оптоволокна превышает 10 Гбит/с.

Так, как по заданию, в нашем дипломном проекте используется магистральный оптический кабель, мы возьмем ОКБ-М2Т-Н8-8, что означает - оптический кабель с броней из круглых стальных проволок, имеет 2 модуля, осевой элемент стальной трос, с 8-ю одномодовыми волокнами, максимально допустимое растягивающее усилие кабеля 8кН. Оптический кабель типа ОКБ-М, изготавливаемый по ТУ 3587-001-92193892-2011, предназначен для применения на единой сети электросвязи России для прокладки в грунтах, при пересечении рек и водных преград, в кабельной канализации, по мостам и эстакадам, а также в туннелях, коллекторах, зданиях.

Кабели содержат центральный оптический модуль, на который наложен бронепокров из стальных оцинкованных проволок, поверх бронепокрова наложена наружная оболочка из полиэтилена. Свободное пространство в оптическом модуле и межпроволоконное пространство заполнено гидрофобным заполнителем.

Конструкция ОКБ-М2Т-Н8-8.

* сердечник в виде повива оптических модулей вокруг диэлектрического или металлического центрального силового элемента и (при необходимости) полимерных кордельных заполнителей; 

* внутренняя оболочка из полиэтиленовой композиции;

* наложенный на внутреннюю оболочку один или несколько повивов круглых стальных оцинкованных проволок;

* наружная оболочка из полиэтиленовой композиции. Для прокладки в коллекторах, туннелях, внутри зданий оболочка изготавливается из композиции, не распространяющей горение (ОКБН);

* оптические модули, внутри которых расположены оптические волокна, выполнены из полибутилентерефталатных композиций;

* внутреннее свободное пространство оптических модулей, сердечника и повива стальных оцинкованных проволок содержит элементы гидроизоляции в виде гидрофобного заполнителя либо иные водоблокирующие элементы. Для дополнительной гидроизоляции возможно наложение алюмополиэтиленовой оболочки на сердечник кабеля (ОКБЗ).

Спецификация

Кабель ОКБ-М2Т-Н8-8

Количество волокон....................................................................8 волокон

Размеры кабеля.........................................................................12.5 - 19.0 мм

Номинальный вес..................................................................230 - 640 кг/км

Растягивающее усилие ............................................................7.0 - 80.0 кН

Раздавливающее усилие........................................................0.4 - 1.0кН/см

Температурный диапазон эксплуатации.......................От -50°С до +50°С

Температурный диапазон монтажа и прокладки ручным и механизированным способами........................................................Не ниже -10°С

Срок службы, не менее ........................................................................25 лет

Диаметр модового поля...................................................................10.4 мкм

Коэффициент затухания в дБ/км на длине 1550 нм...................0.22 дБ/км

Модуль.......................Центральная трубка из полибутилентерефталата

Броня.................................Круглые стальные оцинкованные проволоки

Защитный шланг........................................................................Полиэтилен

Устойчивость кабеля к воздействию плесневых грибов, росы, дождя, инея..................................................................................................................... Да

Допустимый радиус изгиба при монтаже, не менее

При эксплуатации:..........................................20 номинальных диаметров

При прокладке и монтаже:................................................................250 мм



Глава № 2. Расчет передаточных характеристик оптического волокна

В данной главе мы рассмотрим и рассчитаем передаточные характеристики одномодового оптического волокна, такие как: