Проектирование оптической трассы между Курском и Брянском

- расчет затухания;

- расчет дисперсии;

- расчет потерь на изгибах.

2.1 Расчет затухания

Оптические волокна характеризуются важнейшими параметрами - затуханием и дисперсией. Затухание б - это уменьшение мощности сигнала в процессе прохождения его по ОК. Оно определяет длину регенерационных участков (расстояние между регенераторами). Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как потери на поглощении, потери на рассеянии и кабельные потери.

Потери на поглощение и на рассеяние вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Основные типы потерь в волокне.

Затухание в оптическом волокне -- это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание в ОВ выражается в дБ. Коэффициент затухания ОВ -- это затухание на единице длины волокна, выражается в дБ/км. оптический волокно кабель монтаж

Коэффициент затухания ОВ обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде:

,

где б_рр, б_пм, б_ик, б_пр -составляющие коэффициента затухания за счет релеевского рассеяния, поглощения в материале волокна, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях ОВ соответственно.

Таким образом, коэффициент затухания в ОВ определяется двумя факторами: рассеянием энергии в окружающее пространство (а_рр) и потерями энергии в материале волокна (а_пм).

В общем виде потери энергии в материале волокна зависят от поглощения световой энергии, наличия посторонних примесей, таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов (железа, кобальта, никеля, меди) и других включений, а также от проявления потерь на поглощение передаваемой мощности в инфракрасной области сектора.

Общие потери на поглощение в ОВ определяются формулой:

Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется на рис. 3.2.

Рис.3.2. Механизм основных потерь в световодах.

Часть мощности, поступающей на вход световода, Р_вх рассеивается из-за изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство (а_рр), другая часть мощности поглощается материалом ОВ (а_пм) в виде поляризации диполей ОВ, посторонними примесями, что проявляется в виде джоулева тепла (а_пр). В результате мощность на входе Р_вых уменьшается.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными. Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допустимых потерь в ОВ.

Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала ОВ, размеры которых меньше длины волны, а с другой -- тепловыми флуктуациями показателя преломления.

Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит свой вклад в затухание ОВ даже в том случае, когда потери света на поглощение равны нулю.

Составляющую коэффициента затухания ОВ а_рр, дБ/км, за счет релеевского рассеяния можно определить из выражения:

,

гдеn₁-показатель преломления сердцевины; стоянная Больцмана, = 1,38 · 10^-23 Дж/К; Т - температура затвердевания стекла при вытяжке, Т=1500К; в - коэффициент сжимаемости, в=8,1·10^-11 м²/Н (для кварца).

Затухание за счет поглощения, дБ/км, связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, поглощение части мощности посторонними примесями и выделения ее в виде тепла, существенно зависит от свойств материала световода (tgд) и рассчитывается по формуле:

,

где n₁ - показатель преломления; tg = 10^-12 - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде; л - длина волны излучения.

Составляющую б_ик, дБ/км, обусловленную электронным и атомным резонансами в инфракрасной части спектра за счет колебания атомов в кристаллической решетке, можно определить из выражения:

,

где C и k - постоянные коэффициенты, равные, например, для кварца к = (0,7…0,9)·10^-6 м, C = 0,9.

На рис. 3.3 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны. Как видно из графика, релеевское рассеивание б_рр ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение б_ик -- в правой части спектра волн.

Рис. 3.3. Составляющие потерь энергии.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. При дальнейшем увеличении длины волны из-за значительных величин а_ик в ОВ проводится замена кварца на другие материалы. В частности, сообщается об испытаниях фирмой «Хьюз Эйркрафт» волокон, выполненных из поликристалла бромистого и бромо-йодистого таллия и имеющих на длинах волн 4...5 мкм коэффициент затухания равный 0,01 дБ/км.

На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галогенидные, халькогенидные и фтористые стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков. С появлением ОВ из новых материалов становится реальным создание ВОЛС без регенераторов. Известны проекты строительства подводной оптической линии через Атлантический океан протяженностью 6000 км без регенераторов, в которых анализируется возможность применения ОВ из тетрафторида, циркония и фторида бериллия.

Потери на релеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных длин волн и с увеличением длины волны уменьшается.

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волокна, тепловой флуктуации показателя преломления и наличием в сердцевине микродефектов.

Определим потери на рассеяние для волн длиной: л = 1,55 микрон, л = 1,3 микрон, л = 0,85 микрон.

Так же определим рассеяние для волн с показателем преломления n₁= 2; n₁= 1,5; n₁= 1,45; n₁= 1,4; n₁= 1;

Рассчитаем потери на рассеяние для разных длин волн с разным показателем преломления:

Потери на рассеяние при л = 1,55 микрон при n₁= 2 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,55 микрон при n₁= 1,5 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,55 n₁= 1,45 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,55 n₁= 1,4 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,55 n₁= 1,1 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,3 n₁= 2 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,3 микрон при n₁= 1,5 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,3 микрон при n₁= 1,45 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,3 микрон при n₁= 1,4 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,3 микрон при n₁= 1,1 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 0,85 микрон при n₁= 2 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 0,85 микрон при n₁= 1,5 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 0,85 микрон при n₁= 1,45 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 0,85 микрон при n₁= 1,4 определяем по формуле:

дБ/км

Потери на рассеяние при л = 1,85 микрон при n₁= 1,1 определяем по формуле:

дБ/км

Результаты расчетов потерь на рассеяние при разных коэффициентах преломления занесены в таблицу 2.1.1.

Таблица 2.1.1

л, мкм	n1	брр, дБ/км
0,85	2	3,45
	1,5	1,44
	1,45	1,26
	1,4	1,1
	1,1	0,24
1,3	2	0,63
	1,5	0,26
	1,45	0,23
	1,4	0,2
	1,1	0,04
1,55	2	0,31
	1,5	0,13
	1,45	0,11
	1,4	0,09
	1,1	0,02

По данным из таблицы 2.1.1 построим график зависимости потерь на рассеяние от коэффициента преломления для разных длин волн.

Рис.3.4. График зависимости потерь на рассеяние от коэффициента преломления для разных длин волн.

Исходя из графика мы видим, чем больше длина волны и чем меньше коэффициент ее преломления, тем меньше потери на рассеяние.

Далее рассчитаем потери энергии на поглощение для вол длиной: л = 1,55 микрон, л = 1,3 микрон, л = 0,85 микрон, с показателями преломления n₁= 2; n₁= 1,5; n₁= 1,45; n₁= 1,4;n₁= 1.

Рассчитаем потери энергии на поглощение при л = 1,55 микрон, n₁= 2:

дБ/км;

Рассчитаем потери энергии на поглощение при л = 1,55 микрон, n₁= 1,5:

дБ/км;

Рассчитаем потери энергии на поглощение при л = 1,55 микрон, n₁= 1,45:

дБ/км;

Рассчитаем потери энергии на поглощение при л = 1,55 микрон, n₁= 1,4:

дБ/км;

Рассчитаем потери энергии на поглощение при л = 1,55 микрон, n₁= 1,1:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 1,3 микрон, n₁= 2:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 1,3 микрон, n₁= 1,5:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 1,3 микрон, n₁= 1,45:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 1,3 микрон, n₁= 1,4:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 1,3 микрон, n₁= 1,1:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 0,85 микрон, n₁= 2:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 0,85 микрон, n₁= 1,5:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 0,85 микрон, n₁= 1,45:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 0,85 микрон, n₁= 1,4:

дБ/км;

Потери энергии на поглощение при л = 0,85 микрон, n₁= 1,1:

дБ/км;

Результаты расчетов потерь на рассеяние занесены в таблицу 2.1.2.

Таблица 2.1.2

л, мкм	n1	бпм, дБ/км
0,85	2	0,064
	1,5	0,048
	1,45	0,047
	1,4	0,046
	1,1	0,035
1,3	2	0,042
	1,5	0,031
	1,45	0,03
	1,4	0,029
	1,1	0,023
1,55	2	0,035
	1,5	0,027
	1,45	0,026
	1,4	0,025
	1,1	0,019

По значениям таблицы 2.1.2 построим график зависимости потерь энергии на поглощение от коэффициента преломления волны на разных длинах волн.

Рис. 3.5. График зависимости потерь энергии на поглощение от коэффициента преломления волны .

Из графика зависимости потерь энергии на поглощение от коэффициента преломления волны на разных длинах волн мы видим, что потери на поглощении так же как и потери на рассеяние уменьшаются при увеличении длины волны и уменьшении коэффициента преломления.

Рассчитаем составляющую б_ик, дБ/км, обусловленную электронным и атомным резонансами в инфракрасной части спектра

при л = 1,55 микрон:

дБ/км

Рассчитаем составляющую, обусловленную электронным и атомным резонансами в инфракрасной части спектра для разных длин волн:

при л = 1,3 микрон:

дБ/км

при л = 0,85 микрон:

дБ/км

Результаты расчетов потерь на резонансы в инфракрасной части спектра занесены в таблицу 2.1.3.

Потерями за счет посторонних примесей а_пр можно пренебречь, дополнительные потери в оптическом кабеле составляют 0,1 0,5 дБ/км. Для проекта выбран кабель, изготовленный по высокой технологии, в котором кабельные потери очень незначительны.

Рассчитаем коэффициент затухания при л = 1,55 микрон и коэффициенте преломления n₁= 1,5 :

дб/км

Рассчитаем коэффициент затухания для разных длин волн и коэффициенте преломления n₁= 1,5:

При л = 1,3 микрон:

дб/км

При л = 0,85 микрон:

дб/км

Результаты расчетов коэффициента затухания при коэффициенте преломления n₁= 1,5 занесены в таблицу 2.1.3.

Таблица 2.1.3

л, мкм	брр, дБ/км	бпм, дБ/км	бик, дБ/км	б, дБ/км
0,85	1,44	0,048	0,0023	1,4903
1,3	0,26	0,0312	0,0017	0,2927
1,55	0,13	0,0264	0,0015	0,1579

Из таблицы 2.1.3 видим, что при уменьшении длины волны увеличивается коэффициент затухания. В нашем случае, при л = 1,55 микрон, полученное значение коэффициента затухания не превышает паспортного значение километрического затухания кабеля (0,22 дБ/км) и указанного в задании дипломного проекта (0,3 дБ/км).



2.2 Расчет дисперсии

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становятся невозможным их выделение при приеме. Данное явление носит название дисперсии, которая обусловлена различием времени распространения различных мод в световоде и наличием зависимости показателя преломления от частоты.

Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, т.е. уширение импульсов -- имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле:

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон световодов, но и существенно снижает дальность передачи по оптическому кабелю, так как с увеличением длины линии возрастает дисперсия и увеличивается уширение импульса.

Рис. 3.6 Виды дисперсии.

Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами:

- различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой ф_мод);

- дисперсией направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией ф_вв);

- свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией ф_мат).

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну.

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км и измеряется в пс/нм•км.

Дисперсия, возникающая из-за существования большого числа мод, называется межмодовой, время распространения которых различно. В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи отражаются под разными углами, проходят различные пути в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой.

В одномодовых волокнах межмодовая дисперсия отсутствует (передается одна мода). Уширение импульса обусловлено хроматической дисперсией, возникающей из-за не когерентности источников излучения и поглощения спектра, которую разделяют на материальную и волноводную рис. 3.7.

Рис. 3.7. Материальная и волновая дисперсии в одномодовом волокне.

Различные виды дисперсий проявляются по-разному в различных типах волоконных световодов. В световодах со ступенчатым профилем показателя преломления при многомодовой передаче доминирует межмодовая дисперсия. В одномодовых ступенчатых световодах проявляется волноводная и материальная дисперсии, но они могут быть сделаны почти одинаковыми по значению и противоположными по знаку в широком диапазоне длин волн. В градиентных световодах происходит выравнивание времени распространения различных мод, и определяющей является материальная дисперсия, которая уменьшается с увеличением длины волны.

Результирующая хроматическая дисперсия ф для одномодового световода определяется из формулы:

Для расчета дисперсии одномодового световода ф_вв и ф_мат часто пользуются упрощенными формулами и экспериментальными данными.

Волноводная дисперсия ф_вв обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

Материальная дисперсия ф_мат обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны:

где: Дл = 4 нм - ширина полосы длин волн оптического излучения;- длина линии; В(л), М(л) - удельные волноводная и материальная дисперсии соответственно;

Рис. 3.8. График зависимости коэффициентов волноводной, материальной дисперсии от длины волны.

Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важно то, что при определенной длине волны (примерно 1310±10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация, а результирующая дисперсия ф_рез обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии А₀. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться А₀ для данного конкретного волокна.

Для длины волны л = 1,55 мкм: В(л) = -21пс/нм · км; М(л) = 22пс/нм · км.

Рассчитаем материальную и волноводную дисперсии на 1 км длины кабеля:

пс/нм•км;

пс/нм•км.

Результирующая хроматическая дисперсия равна сумме материальной и волноводной дисперсий:

пс/нм•км.

2.3 Расчет потерь на изгибах ОВ

При изготовлении и прокладке оптического кабеля в волокнах появляются также дополнительные потери. Эти потери обусловлены структурой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе производства кабеля или изгибы кабеля, связанные с изменением направления трассы.

Для оценки дополнительных потерь вводят понятия макро- и микроизгибов ОВ.

Под макроизгибами понимают все макроскопические отклонения оси оптического волокна от прямой.

Они возникают:

1) из-за изгиба кабеля при его намотке на кабельный барабан на заводе-изготовителе;

2) при прокладке и монтаже кабеля. Поэтому в ТУ на кабель всегда приводится минимально допустимый радиус изгиба кабеля. На рисунке 3.4,а) показано, как на макроизгибе направляемая мода 1 превращается в вытекающую моду 2.

Рис. 3.4. Потери на изгибах волокна: а -- потери на макроизгибе; б -на микроизгибе.

Под микроизгибами понимают случайные микроскопические искривления, сопровождающиеся местными смещениями оси волокна на несколько микрометров (рис. 3.4,б). Микроизгибы волокна обусловлены локализованными поперечными нагрузками, распределенными по всей длине ОВ. Они могут быть результатом деформации ОВ в процессе изготовления и прокладки, а также изменениями геометрических размеров материалов элементов кабеля, которые вызваны вариациями температуры. Чувствительность к микроизгибам является функцией разности показателей преломления сердцевины и оболочки, а также диаметров сердцевины и оболочки. На рис. 3.4,б показан вариант возникновения микроизгибов, вызванных деформацией границы раздела сердцевина -- оболочка ОВ. Микроизгибы могут вызывать значительные потери на излучение и взаимодействие мод.

Потери на макроизгибах оптического волокна определяются по выражению:

где 2a-диаметр сердцевины ОВ; n₁ - показатель преломления сердцевины; R - радиус макроизгиба в ОВ, мкм; NA - числовая апертура.

Рассчитаем потери на макроизгибах при n₁= 1,5; 2a = 10 микрон, и разных значениях R и NA:

При R = 2,5; NA=0,1:

дБ

При R = 2,5; NA=0,05:

При R = 2,5; NA=0,01:

При R = 5; NA=0,1:

дБ

При R = 5; NA=0,05:

При R = 5; NA=0,01:

Результаты расчетов потерь на макроизгибах занесены в таблицу 2.2.1.

Таблица 2.2.1

R, см	NA	бмакро, дБ
2,5	0,1	0,0027
	0,05	0,0104
	0,01	0,2687
5	0,1	0,0013
	0,05	0,0052
	0,01	0,1322

По результатам таблицы 2.2.1 построим график дополнительных потерь на макроизгибах.

Рис. 3.9. График дополнительных потерь на макроизгибах.

Из графика на рис 3.9 мы видим, что дополнительные потери оптического кабеля на макроизгибах оптических волокон зависят от радиуса изгиба и числовой апертуры. Чем больше радиус изгиба волокна и чем больше апертура - тем меньше дополнительных потерь сигнала в оптическом кабеле.

Потери на микроизгибах оптического волокна определяются по оценочному выражению:

где N - число микроизгибов на 1 км ОК; h - высота(радиус) микроизгиба, мкм; a - радиус сердцевины ОВ, мкм; n₁ - ПП сердцевины; b - радиус ОВ (по светоотражающей оболочке), мкм; NA - числовая апертура ОВ.

Рассчитаем потери на микроизгибах при n₁= 1,5; a = 5 микрон; h = 1 микрон; b = 125 микрон; NA = 0,1; 0,05; 0,01; N = 10, 20, 30, 50, 100:

Потери на микроизгибах при NA = 0,1

Число микроизгибов N=10

Число микроизгибов N=20

Число микроизгибов N=30

Число микроизгибов N=50

Число микроизгибов N=100

Потери на микроизгибах при NA = 0,05

Число микроизгибов N=10

Число микроизгибов N=20

Число микроизгибов N=30

Число микроизгибов N=50

Число микроизгибов N=100

Результаты расчетов потерь на микроизгибах занесены в таблицу 2.2.2.

Таблица 2.2.2

NA	N	бмикро, дБ
0,1	10	0,0295
	20	0,0589
	30	0,0885
	50	0,1475
	100	0,2948
0,05	10	1,8887
	20	3,7752
	30	5,6661
	50	9,4435
	100	18,8874

Таким образом, исходя из результатов расчетов в таблице 2.2.2 мы видим, что при возрастании количества микроизгибов в оптическом волокне на длине 1 км при меньшей числовой апертуре - увеличиваются дополнительные потери сигнала в оптическом кабеле. Следовательно, избыточные потери в ОК из-за микроизгибов могут быть значительно снижены с увеличением диаметра оболочки ОВ, числовой апертуры NA, и уменьшением количества микроизгибов.

Для примера снижения потерь в оптическом кабеле из-за микроизгибов: увеличим диаметр оболочки ОВ до 500 микрон, числовая аппретура будет равна NA = 0,01, число микроизгибов составит 10 шт. на 1 км. Тогда потери составят:

Рассчитаем потери в оптическом кабеле из-за микроизгибов при диаметре оболочки ОВ 500 микрон, увеличим числовую апертуру до NA = 0,05, а число микроизгибов составит 5 шт. на 1 км. Произведем расчет:

Исходя из примера, мы наглядно видим, что избыточные потери в ОК из-за микроизгибов могут быть значительно снижены с увеличением диаметра оболочки ОВ и числовой апертуры NA.

В данной главе мы рассмотрели передаточные характеристики оптического волокна. Из расчетов и графиков стало видно, что при увеличении длины волны и минимальном количестве изгибов оптического волокна, сигнал проходит с наименьшими потерями, что обеспечивает наилучшее качество передачи информации и увеличивает длину участка регенерации.



Глава №3. Расчет регенерационного участка

В электрических кабелях с медными проводниками полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируется затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности не является ограничивающим фактором.

Длину регенерационного участка оптического кабеля ограничивает один из двух факторов: затухание или дисперсия. При определении длины регенерационного участка необходимо на первом этапе найти максимально допустимое расстояние (ограниченное затуханием светового тракта), на которое можно передать сигнал, а затем его восстановить. Вторым этапом определяют пропускную способность оптического кабеля и находят длину трассы, на которую еще возможно передавать оптические сигналы с заданной скоростью.

В одномодовых ОВ длина регенерационного участка лимитируется затуханием.

Длина регенерационного участка волоконно-оптической системы передачи зависит от многих факторов, важнейшим из которых является:

энергетический потенциал (Э) волоконно-оптической системы передачи, равный:

Э = Р_пер - Р_пр, дБ,

где: Р_пер - абсолютный уровень мощности оптического сигнала, дБм;

Р_пр - абсолютный уровень мощности оптического сигнала на входе приёмного устройства, при котором коэффициент ошибок или вероятность ошибки Р_ош одиночного регенератора не превышает заданного значения, дБм;

Э - энергетический потенциал определяет максимально-допустимое затухание оптического сигнала в оптическом волокне, разъёмных и неразъёмных соединителях на регенерационном участке, а также в других узлах волоконно-оптической системы передачи.

Дисперсионные явления в ОВ приводят к расширению во времени спектральных и модовых составляющих сигнала, то есть к различному времени их распространения, что приводит к изменению формы и длительности оптических импульсных сигналов, к их уширению. Так как в задании нашего дипломного проекта используются одномодовые оптические волокна, а в них дисперсия практически отсутствует, длина регенерационного участка будет лимитироваться только затуханием.

При определении длины регенерационного участка, лимитированного затуханием, следует пользоваться выражением:

км,

Для расчета регенерационного участка, как пример, возьмем систему передачи Сопка-5, энергетический потенциал которой составляет 33 дБ.

где Э = 33 - энергетический потенциал системы передачи, дБ;

С = 3 - энергетический запас системы, дБ;

А_э = 3- дополнительные потери в пассивных компонентах ВОЛС (на вводе/выводе), дБ;

б_к = 0,22- коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

б_с = 0,2641- потери в неразъемном соединении, дБ;

_с.д. = 4 - строительная длина оптического кабеля, км.

Расстояние между Курском и Брянском 280 км, следовательно необходимо три регенерационных пункта.



Глава №4. Конструктивный расчет оптического кабеля

Магистральные и оптические кабели подвергаются целому комплексу внешних воздействий, включающих, на пример, такие, как размотку, изгибы, кручение и раздавливание при отрицательных температурах. Кроме того, воздействие солнечного излучения, широкого интервала температур от -60^оС до +80^оС, минимальная масса и габаритные размеры заставляют очень тщательно выбирать конструкцию и применяемые материалы.

В настоящее время существует ряд конструкций оптических кабелей, которые отличаются друг от друга способами защиты волокон от механической деформации, взаимным расположением элементов сердечника, наличием или отсутствием в составе сердечника кабеля металлических проводников для дистанционного питания и вспомогательных функций (контроль и автоматика, служебная связь, резерв и так далее), составом внешних покровов кабеля.

Основные преимущества световодов малое затухание и широкополосность - обеспечивается выбором конструктивных параметров световодов, их сердцевины и оболочки.

По заданию нашего дипломного проекта необходимо применить для прокладки кабель с восемью оптическими волокнами. Следует также заметить, что при затухании одномодового волоконно-оптического кабеля порядка 0,2 дБ/км(не более) и потерях в неразъёмных соединениях не более 0,1 дБ/км в диапазоне 1,55 мкм, допускается длина участка регенерации не менее 70км.

Из всего выше перечисленного, целесообразней всего использовать одномодовый кабель с восемью волокнами и затуханием 0,22 дБ/км, например, кабель ОКБ-М2Т-Н8-8.

Данный кабель предназначен для прокладки в кабельных канализациях, трубах, блоках, коллекторах, в грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, через водные преграды ручным и механизированным способами. Количество оптических волокон от 2 до 144 штук. В данном дипломном проекте рассматривается кабель с 8 волокнами. Коэффициент затухания одномодового волокна до 0,22 дБ/км, допустимое растягивающее усилие 7-80 кН, температурный диапазон от -50^оС до + 50^оС, наружный диаметр кабеля 12,5 мм-19,0 мм, вес 1 км кабеля 230-640 кг. Строительная длина этого кабеля составляет 4 километра. Конструкция кабеля приведена на (рис.4).

Рис. 4. Конструкция оптического кабеля ОКБ-М2Т-Н8-8.

Для того чтобы произвести конструктивный расчет кабеля необходимо задаться размерами элементов конструкции кабеля:

- Диаметр силового элемента (d_сэ) составляет 3,6 мм,

- Диаметр оптического модуля (d_ом) составляет 2,2 мм,

- Толщина слоя скрепляющей ленты (t_сл)составляет 0,2 мм,

- Толщина внутренней полиэтиленовой оболочки (t_впэ) составляет 0,5 мм,

- Толщина слоя брони из стальной проволоки (t_б) составляет 1,5 мм,

- Толщина внешней полиэтиленовой оболочки (t_пэв) составляет 2,2 мм.

Для определения наружного диаметра кабеля воспользуется формулой:

r_каб = d_сэ / 2 + d_ом + t_сл + t_впэ + t_б + t_пэв,

которая позволяет вычислить радиус кабеля, для того, чтобы найти диаметр кабеля значение r_каб надо умножить на два.

r_каб = 3,6 / 2 + 2,2 + 0,2 + 0,5 + 1,5 + 2,2 = 8,4 мм.

d_каб = r_каб * 2 =8,4 * 2 = 16,8 мм.

Номинальный диаметр кабеля (d_каб) ОКБ-М2Т-Н8-8 должен составлять 12,5 мм-19 мм. Отсюда видно, что конструктивный расчет кабеля произведён верно.

Теперь произведем расчет веса кабеля для прокладки:

Для определения веса кабеля воспользуется формулой:

P_каб = P_сэ + P_ом + P_ов +P_сл + P_впо + P_б+ P_внпо

Расчет вес каждой оболочки будет выглядеть как:

где S_i - площадь i-ой оболочки кабеля; удельный вес материала, l-длина кабеля.

Площадь i-ой оболочки кабеля рассчитывается:

,

где R - больший радиус оболочки, r-меньший радиус оболочки, р=3,14.

Рассчитаем вес каждой из оболочек длиной 1 метр:

P_сэ=0,1·7,9·100 = 79 г

P_ом =0,2·1,1·100 = 22 г

P_ов=0,000125·2,48·100 = 0,031 г

P_сл= 0,02·1,3·100 = 2,6 г

P_впо=0,14·0,93·100 = 13 г

P_б =0,42·7,7·100 = 346,5 г

P_внпо= 0,9·0,93·100 = 83,7 г

Произведем расчет веса кабеля для прокладки длиной 1 м:

P_каб =P_сэ + P_ом + P_ов +P_сл + P_впо + P_б+ P_внпо = 79 г + 22 г + 0,031 г + 2,6 г + 13г + 346,5 г + 83,7 г = 546,831 г

Вес кабеля на длине 1 км составляет 546,831 кг. Номинальный вес кабеля ОКБ-М2Т-Н8-8составляет 230- 640 кг. Отсюда видно, что расчет веса кабеля на 1 км произведен верно.



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

Растягивающие нагрузки оптического кабеля делятся на постоянные и переменные, статические и динамические. Прочность оптического волокна определяется в основном наличием поверхностных трещин, которые произвольно располагаются вдоль всей его длины. Величина прочности зависит от длины образца оптического волокна, скорости приложения нагрузки и условий окружающей среды. Если к волокну не прикладывать нагрузок, то его механические и оптические свойства остаются неизменными, даже если на волокно воздействуют влага, вода, кислоты большой концентрации или другие химические вещества. Если к волокну прикладывать напряжение, то трещины на его поверхности могут увеличиваться. Таким образом, волокна, которые подвергаются растягивающему напряжению, кручению или перегибам, подвергаются воздействию статической усталости, что со временем приводит к ухудшению их прочностных характеристик.

Обычно при изготовлении оптические волокна подвергаются тестированию на механическую прочность, т.е. испытаниям на перемотку под натяжением по всей их длине. В результате использование волокон с низкой механической прочностью для изготовления оптических кабелей исключается.

Для выбора конструкции оптического кабеля необходимо помнить, что в процессе прокладки и эксплуатации кабель подвергается комплексному воздействию различных механических нагрузок. Рассмотрим важнейшие из них.

Постоянные статические нагрузки действуют, например, на кабель, намотанный под натяжением на барабан. Этот вид нагрузок вызывает усталостные напряжения, которые особенно в присутствии влаги могут вызвать разрушение оптического волокна при нагрузках, значительно меньших обеспечиваемых прочность материала, из которого оно изготовлено. Существующие модели, описывающие поведение кварцевого оптического волокна при воздействии статических усталостных напряжений, не дают возможность осуществить долгосрочное (свыше одного года) прогнозирование его поведения. На рис. 5 представлена зависимость момента наступления разрыва от относительной влажности и начальной деформации, полученная в рамках одной из разработанных моделей.

Рис. 5. Зависимость времени наступления разрыва от приложенной нагрузки: 1 - относительная влажность 2%; 2 - относительная влажность 97%

Статические усталостные напряжения можно предотвратить, регулируя отношение напряжения растяжения волокна к максимальному кратковременному разрушающему напряжению. Применение специальных мер по защите волокна от влаги, таких как желеобразные, заполнения или металлические оболочки, также значительно увеличивает стойкость кабеля к данному виду нагрузок.

Переменные статическая и динамическая нагрузки воздействуют на оптический кабель при его прокладке или опускании в скважину. При этом величина такой нагрузки определяется тяговым усилием лебедки (спускаемого груза), прикладываемым к концу кабеля, и собственного веса кабеля с учетом коэффициента трения кабеля о поверхность трубы (скважины). Динамические нагрузки возникают при заклинивании кабеля в трубе или скважине, резком ускорении или торможении тяговой лебедки и пр. Инженерный расчет допустимого растяжения кабеля:

,

где: F -- допустимого растяжения оптического кабеля, Н;

д -- коэффициент допустимого продольного растяжения конструкции кабеля;

к_i -- коэффициент, учитывающий расположение i-го элемента относительно оси конструкции кабеля;

E_i -- модуль продольной упругости материала i-го элемента конструкции кабеля, Па;

S_i -- поперечное сечение i-го элемента конструкции кабеля, м².

Для дальнейшего решения необходимо учитывать, что механическая нагрузка при растяжении конструкции оптического кабеля будет прикладываться в первую очередь к силовым элементам и к оболочке, где k_i = 1. При приложении нагрузки к оптическому модулю с углом подъема (скрутки) относительно центрального упрочняющего элемента Ш_i = 35^o, величина коэффициента будет равна:

k_i = cos Ш_i = cos 35^o = 0,8.

Определим допустимые значения растяжения отдельных компонентов оптического кабеля.

Допустимое растяжение центрального силового элемента состоящего из стального троса, равно:

Допустимое растяжение оптического волокна равно:

Допустимое растяжение фторопластовой трубки оптического модуля равно:

Допустимое растяжение скрепляющей ленты из поливинилхлорида равно:

Допустимое растяжение внутренней полиэтиленовой оболочки равно:

Допустимое растяжение силового элемента, состоящего из стальной проволоки равно:

Допустимое растяжение внешней полиэтиленовой оболочки равно:

Общее значение допустимого растяжения ОКБ-М2Т-Н8-8 равно:

F = F₁+ F₂+ F₃+ F₄+ F₅+ F₆+ F₇ =

= 2000+ 0,086+ 72 + 4,8 + 2,1 + 10200 + 15,1= 9283 Н.

Длительно допустимая растягивающая нагрузкаОКБ-М2Т-Н8-8 равняется 7-80 кН, это означает, что расчет произведен, верно.



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

В этой главе мы рассмотрим, каким образом осуществляется прокладка оптического кабеля в грунт.

Прокладка кабеля кабелеукладчиком.

При строительстве волоконно-оптической линии связи, как и при строительстве обычных линий связи, выполняются следующие работы: разбивка линий, доставка кабеля и материалов на трассу, испытание, прокладка, монтаж кабеля и устройство вводов. При прокладке кабеля в пределах города сооружается кабельная канализация, в полевых условиях кабель кладется непосредственно в землю на глубину 1,2 метра. Однако в организации и технологии строительство волоконно-оптической линии связи по сравнению с работами на традиционных кабелях имеются существенные отличия. Оптические кабели имеют меньшие габаритные размеры и массу, меньшее допустимое тяговое усилие и большую строительную длину. Необходимость прокладки больших строительных длин при малом допустимом усилии является принципиальным отличием, требующим нового подхода к технологии прокладки кабеля.

Особенно тщательно проводится подготовка к прокладке, выполняется маршрутная съемка для определения местоположения сростков, выбора способов прокладки, приемлемых для соответствующего типа грунта, а также для учета вероятных непредвиденных проектом особых ситуаций.

Прокладка оптического кабеля в грунт, как и в случае электрического кабеля, может производиться бестраншейным и траншейным способами.

Прокладка кабеля с помощью кабелеукладчика (бестраншейная прокладка) является наиболее распространенным способом и широко применяется на трассах в различных условиях местности. В этом случае ножом кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель и кабель укладывается на её дно.

В целом бестраншейная прокладка кабеля - процесс динамичный, кабель испытывает механические нагрузки, связанные с воздействием массы кабелеукладчика на кабель при изменении сопротивления грунта в процессе прорезания щели, несоответствием скорости движения кабелеукладчика и скорости подачи кабеля в кассету, а также неравномерным движением тяговых средств и нарушением поперечной и продольной устойчивости кабелеукладчика.

В кабелеукладочном оборудовании особое внимание должно быть уделено системе подачи кабеля и направляющей кассете.

Известны два варианта системы прокладки оптических кабелей:

1. Традиционная система прокладки с размещением кабельных барабанов сзади трактора, при этом кабель подается прямо с барабана в кассету без какого-либо изгиба и без необходимости прохождения через ролики или направляющие трубки. Устройство системы удобно в работе и позволяет водителю одновременно управлять кабелеукладчиком и барабаном. При необходимости кабелеукладчиком можно прокладывать одновременно два кабеля. Достоинством данного варианта является то, что кабель прямо с барабана подается в кассету без изгибов и не испытывает дополнительных напряжений.

На ряду, с указанным способом, получила применение также прокладка оптического кабеля кабелеукладочным комплексом, состоящим из специально оборудованного бульдозера и вибрационного кабелеукладчика. При прокладке кабеля обе машины соединяют тяговым тросом. Назначение бульдозера - планирование и выравнивание трассы. Достоинством вибрационного кабелеукладчика является малое тяговое усилие, высокая маневренность в стеснённых условиях (населенные пункты, вблизи дорог, леса) и возможность эффективной работы в различных грунтах.

2. Специализированная система прокладки (созданная специально для ОК), в которой кабельный барабан монтируется спереди трактора, и кабель проходит над кабиной трактора через квадратную конструкцию с роликами или направляющими трубками, а затем через блок с гидроприводом, обеспечивающий размотку кабеля с барабана и подачу его в кассету. Кабель должен сделать один полный виток вокруг блока.

Эта система прокладки, как правило, состоит из опорной конструкции, на которой устанавливаются барабаны, роликов, блока и направляющей кассеты, располагаемой сзади на кабелеукладчике.

Последнее время для прокладки и измерения тонких ОК применяются малогабаритные кабелеукладочные установки. Установка имеет вид небольшого фургона. Она состоит из базовой рамы на колесах, барабана с кабелем, динамометра и контрольно - измерительной аппаратуры. Достоинством такой мобильной установки является возможность непрерывного контроля за величиной натяжения и оптическими характеристиками кабеля в процессе прокладки.

Рис.6.1. Кабелеукладчик. 1-кабель; 2-кабельный барабан; 3-направляющий блок; 4-поддерживающие ролики; 5-кассета; 6-нож; 7-трактор;

Траншейная прокладка кабеля.

Траншейный способ прокладки оптического кабеля в грунт аналогичен прокладке электрических кабелей. Кабель укладывается в заранее отрытую траншею. Ширина траншеи наверху 0,3 м, на дне 0,1…0,2 м. Глубина прокладки кабеля 1,2 м.

Траншея отрывается механизмом или вручную. Прокладка кабеля производится с барабанов, установленных на кабельные транспортеры или автомашины. По мере движения транспорта и вращения барабана кабель сматывается и укладывается непосредственно в траншею или вдоль неё по бровке, а затем в траншею.

Если рельеф местности не позволяет использовать технику, прокладку производят путем выноски вручную прокладываемой длины оптического кабеля вдоль траншеи ,вкладыванием кабеля на бровке грунта и затем постепенным опусканием его на дно подготовленной траншеи. Такой способ требует привлечения большого числа персонала, который должен обеспечивать правильное обращение с оптического кабеля во время всего цикла прокладки (выдерживать допустимые пределы растяжения оптического кабеля, его изгибов, закручивания и истирания оболочки). Кроме того, при таком способе прокладки возникают организационные трудности по управлению персоналом на трассе большой протяженности, проходящей по пересеченной местности, охране в течение длительного времени раскопанной траншеи и предохранению оптического кабеля от возможных повреждений.

После укладки ОК на дно траншеи производятся фиксация его трассы в рабочих чертежах и засыпка траншеи специальными траншее засыпщиками, бульдозерами или вручную.

Сравнивая траншейный способ прокладки с бестраншейным с помощью кабелеукладчика следует отдать предпочтение последнему. Так как он более производителен и сокращает трудоемкость в 10…20 раз. При использовании кабелеукладчика практически одновременно производятся образование траншей, размотка и укладка кабеля. Поэтому траншейный способ применяется лишь там, где использование кабелеукладчика невозможно по условиям местности (населенные пункты, сложная трасса и т. д.).

Рис.6.2. Траншейный способ прокладки оптического кабеля в грунт.

Способы монтажа кабеля

После прокладки ОК производят соединение строительных длин. Для этого в ходе строительства на трассе оборудуются рабочие места, в которых производится монтаж муфт. Надежность соединительной муфты определяется состоянием швов, соединяющих отдельные части муфт, швов между муфтой и оболочкой кабеля. Основные операции при монтаже ОК :

* нахождение на трассе концов сращиваемых ОК ;

* осмотр защитных оболочек, а также концов ОК защищенных от попадания влаги ;

* установление служебной связи, закрепление сращиваемых концов, удаление защитного покрытия, проверка целостности ОВ ;

* сварка ОВ, контроль качества сростков ;

* восстановление элементов сердечника ;

* восстановление защитных покровов ;

* выкладка запаса кабеля и муфт в колодце, маркировка муфт.

Монтаж муфт производится в монтажно-измерительной лаборатории, которая оборудуется внутри кузова автомобиля. В этой лаборатории происходит сварка оптических волокон в сварочном устройстве.

После сварки здесь же производят контроль рефлектометром обратного рассеивания, который находится в начале строительной длины. Затухание одномодового волокна должно быть не более 0,3 дБ.

Далее сваренные ОВ выкладывают и производят окончательную проверку затухания во всех волокнах. При положительном результате заполняют и вкладывают паспорт муфты, производят восстановление кабельного сердечника и защитных покровов ОК. Для зоновых линий производится проверка герметичности муфт давлением порядка 98 кПа.



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

7.1 Требования безопасности при прокладке, монтаже и сращивании ОК

Трасса проектируемой магистрали проходит как в населенных пунктах, в кабельной канализации, так и вне их. То есть, прокладка вне населенных пунктов производится кабелеукладчиком, а где это невозможно то ручным способом.

До начала работ в подземных сооружениях канализации производится проверка на присутствие в колодцах опасных газов. Наличие газа проверяется в колодце, где будет проводится работа и в двух ближайших смежных с ним колодцах.

Прокладку кабеля в канализации осуществляют с помощью лебедки, следя за тем, чтобы в колодцах не находились люди.

По окончании прокладки кабеля осуществляются мероприятия для его безопасной эксплуатации.

Всех работников, обслуживающих канализационные сооружения по трассе кабеля, оповещают о наличии дистанционного питания, напряжение которого опасно для жизни.

Прокладку кабеля осуществляют по утвержденным чертежам, на которых указаны все опасные сближения и пересечения подземных коммуникаций, расположенных на трассе. В местах пересечения прокладку кабеля осуществляют ручным способом.

Все остальные участки - кабелеукладчиком, если это позволяет рельеф местности. Во время буксировки и транспортировки кабелеукладчика находиться на нем обслуживающему персоналу запрещается.

Трактор для прицепки кабелеукладчика должен подъезжать задним ходом, осторожно, без рывков. Кабелеукладчик прицепляют к трактору только через специальные приспособленные серьги или дышла.

Фиксация прицепных устройств может быть осуществлена только после полной остановки трактора.

Расстояние между специальными тракторами должно быть не менее 5 метров. Во избежание травмы при случайном обрыве троса нельзя приближаться к колонне, прокладывающий кабель, на расстояние менее длины троса сцепления каждого механизма.

При погрузке барабанов с кабелем на кабеле укладчик и выгрузке пустых барабанов, следует использовать автокран.

Выполнять какие либо работы под кабельным барабаном, установленным на опоры запрещается. При необходимости выполнения работ под барабаном он должен быть снят с кабелеукладчика.

При погрузке, перевозке и разгрузке барабанов с кабелем надо выполнять следующие требования:

- погрузку барабанов с кабелем на автомобили и разгрузку этих барабанов необходимо механизировать и выполнять, по возможности, на ровной местности. Разгрузка барабанов вблизи канав и оврагов запрещается;

- если барабан с кабелем грузится или разгружается подъемным краном, то необходимо закрепить трос на вставленной в барабан оси, причем концы троса должны быть заранее заделаны в виде петель (стропы) и проверены.

Размотка и укладка кабеля в траншею должна производиться следующим образом. Перед разматыванием кабеля барабан со вставленной в него осью приподнимается над землей козлами, домкратами, которые должны твердо стоять, не качаясь во время вращения барабана. Размотка кабеля с движущихся транспортеров должна выполняться вблизи траншеи, при этом кабель укладывается с некоторой слабиной, необходимой для того, чтобы его можно было поднести и уложить в траншею. При размотке кабеля трактор или автомобиль должен передвигаться с минимальной скоростью. Конец кабеля, остающийся на барабане, дополнительно укрепляется, чтобы избежать круговых ударов при вращении барабана.

При прокладке кабеля механизированным способом используются кабелеукладчики. Накатка выполняется при помощи оси, вставленной в барабан, и двух лебедок, расположенных в передней части кабелеукладчика по металлическим покатам. Последние должны быть установлены в соответствии с шириной барабанов; высота их должна быть такой, чтобы при подъеме барабана на наивысшую точку ось его находилась на уровне боковых упоров кабелеукладчика. Перед накаткой барабана бригадир должен осмотреть заделки концов тросов и проверить, будет ли направление щек накатываемого барабана совпадать с направлением поката. Подъём барабана на кабелеукладчик должен выполняться равномерно обоими тросами; при этом необходимо наблюдать, чтобы не происходил перекос барабанов на покатах. Рабочим запрещается находиться перед барабаном. До подъема барабана первые клинья на опорах должны быть установлены на место. После того, как накатка барабана на раму кабелеукладчика закончена, ось барабана закрепляется вторыми клиньями. Барабан должен быть установлен в центре упора; края барабана необходимо закрепить на оси обоймами, которые затягиваются болтами.