Оптикалық талшық

                     (3.3)

 

бұл жердегі n₁ – жүрекшенің сыну көрсеткіші (кварц үшін n₁ = 1,4675); n₂ – қабықшаның сынуының көрсеткіші (n₂ = 1,4630).

           

Бір модалы талшықтар үшін, көлемі Δ = 0,003, ал санды апертураның мәні 0,1-ден 0,12 шамасында болу керек.

Жарық жетекшісінің санды апертурасын (2.2) формуласы бойынша анықтаймыз:

 

Бір модалы талшықта жолақ диаметрі 8-10 мкм-ды құрайды, жиірек кездесетін диаметр  – 10 мкм-ге тең.

Сәуле толқынының ұзындығы λ = 1,55 мкм болған кездегі нормаланған жиіліктің  мәнін (2.1) формуласы бойынша анықтаймыз:  

Сонда, баспалдақты ТІШ-і бар  талшықты-оптикалық жарық жетекшісінде және параметрлері: n₁ = 1,468, Δ = 0,0036, Na = 0,12, в = 125 мкм болса, және толқынның жұмыс ұзындығы λ = 1,55 мкм болса, онда бұл жерде бір модалы тәртіп болады.

 

3.5 Талшықты сәуле жолының шашырауын есептеу

 

Оптикалық талшықтың тағы басқа  маңызды параметрі – шашырау (дисперсия) болып табылады. Шашырау  – сәулелердің топпен таралу жылдамдығының  сәуле параметрлеріне тәуелділігі, яғни, қабылдау кезінде импульстің кеңеюіне әкелетін, оптикалық дабылдың спектралды және модалы біріктіру уақытында жеке-жеке орналастыру құбылысы. Шашыраудың үш түрі бар: модалы, материалды және толқын жеткізуші. Модалы шашырау көпмодалы талшыққа тән және, тарату уақыты әр түрлі болатын, модалардың үлкен санының бар болуымен ескеріледі. Бір модалы жарық жетекшілерінде модалы шашырау болмайды. Материалды шашырау, толқын ұзындығынан бастап, жүрекше материалының сыну көрсеткішінің тәуелділігімен ескеріледі. Толқынды шашырау моданың ішіндегі үрдістерімен ескеріледі және толқын ұзындығынан бастап, моданың тарату жылдамдығына тәуелділігімен сипатталады, себебі, Δλ көздің спектрлі енінің мәнімен сипатталатын, сәуле көзі λ бір толқын ұзындығын емес,  бірнеше толқын спектрін шашыратады.

Материалды шашырауды анықтайық:

 

  t_МАТ = Dl×М,                                                                      (3.4)

                                 

бұл жердегі Δλ – лазер сәулесінің спектрлі ені (Dl = 0,5нм), М – балқытылған кварц үшін  меншікті материалды дисперсия коэффициенті (М = 0,3098).

 

Толқынды шашырауды анықтайық:

 

,              (3.5)

 

 

Бір модалы талшықты-оптикалық жарық  жетекшісінің сомалы шашырауы материалды сома және толқынды шашырау болып  табылады.

Сомалы дисперсияны төмендегі  формула бойынша табайық:

,                                                                                     (3.6)

 

.

 

Толық шашыраудың көмегімен ∆F жарық жетекшісінің өткізу жолағының енін анықтауға болады – бұл бір километр қашықтықта, оның оптикалық талшық бойымен өту кезіндегі импульстің кеңею көлеміне кері көлем болып табылады. Өткізу жолағының анықталуы бойынша, шашырудың тапсырыс қашықтығына және тапсырылатын дабылдардың жоғарғы жиілігіне шектеу қоятынына көз жеткізуге болады. Өткізу жолағының ені мен жалпы шашырау төмендегі қатынасқа байланысты:

 

∆F =                                                                                    

 

.                                                           (3.7)

 

Регенерация учаскесінің ұзындығы екі фактормен анықталады: сәуле жолының шашырауы мен регенерация учаскесінің өшулігі.

Регенерация учаскесінің ұзындығын  сәуле жолының шашырау сипаттамасы бойынша анықтаймыз:

  ,

 

мұндағы DF- 1 км сәуле жолын өткізу жолағының ені;

      F_x – регенерация учаскесінің соңындағы өткізу жолағының ені;

       l - құрылыс ұзындығы (l= 6 км);

       lx – регенерация учаскесінің ұзындығы.

 

Келесі есептер  үшін DFx =155 МГц аламыз.

Регенерация учаскесінің ұзындығын анықтаймыз:

 

.                     (3.8)

Жарық жолын сынудың баспалдақты  профилімен талшықты-оптикалық кабельді қолданғанда регенерация учаскесінің ұзындығы шашыраумен шектеледі.

3.6 Талшықта  сәулеленудің таралуының сәулелік  талдауы

 

Талшық осімен таралатын сәуле  меридиональді деп аталады. Олардың  таралуының критикалық режимі мына шартқа сәйкес:

sinq_c = n₂/n₁,                                                                                        (3.9)

sinq_c = 1,4410/1,4675 = 0,98

q_c = arcsinq_c = arcsin0,98 = 78,5⁰

 

«Жүрекше – қабықша» бөлімінің шекарасында толық ішкі шағылу (ТІШ, ПВО) бұрышта болады:

q_с £ q £ p/2.                                                                                        (3.10)

 

(3.6) шартын қанағаттандыратын сәуле жүрекше бойымен ирек тәрізді жолмен таралады.

 ТІШ пайда болуы жоғалтулармен қатар жүрмейтіндіктен (3.6) шартын қанағаттандыратын сәуле жиынтығы жарық сигналдарын үлкен ара қашықтықтарда таратылуын қамтамасыз ете алады. Талшықта сансыз көп меридиональді кесілулер бар, олардың әрбіреуінде (3.6)  шартын қанағаттандыратын көп меридиональді сәулелер таралуы мүмкін және мына шамадағы q₁ бағыттаушы бұрыштарға ие (яғни, толқындық вектор мен талшық осі арасындағы):

 

0 £ q₁ £ p/2-q_с.                                                                              (3.11)

Яғни, талшықтың кесілген жерінде сыну көрсеткішінің n₀ мөлдір ортасымен қоршалған, оске белгілі бір меридиандық жазықтықтан сәуле  q₀ бұрышпен түседі, сонда талшықтағы толқын таралуы келесі шектеулі  q₀ түсу бұрышына сәйкес келеді:

 

q₀ £ arcsin(n₁²-n₂²/n₀)^1/2.                                                                    (3.12)

 

(3.12) мәні  Снеллиус заңынан кіріс кесілген жердің шекарасындағы сыну үшін алу қиын емес:

sinq_0c/sinq_1c = n₁/n₀  Þ n₀ = n₁sinq₁/ sinq₀.                                 (3.13)

 

Сонымен қатар (3.5) шарты және q_1c+q_с = p/2 қатынасы:

 

sinq_1c = 90-78,5 = 11,5⁰,

 

q_1c = 0,199,

 

n₀ = 1,4675х0,199/0,27 = 1,082,

 

q₀ £ arcsin(1,4675²-1,4410²/1,082)^1/2 = 29⁰.

 

Егер жарық кіріс кесілген жерге ауа ортасына  көп түсетін  болса ( бұл үшін қосылған талшық пен жарық көзі  арасындағы минималды саңылау жетеді), сонда n₀ = 1 және:

 

sinq_0c = (n₁²-n₂²)^1/2 = N_а = 0,27,                                                          (3.14)

q_0c = 15,7⁰.

(3.10) мәні талшықтың сандық апертурасын анықтайды.

Келтірілген есептер нәтижесінде  мен ЗАО «Москабель-Фуджикура» өндірісі кабелін таңдадым. Бұл оптикалық кабель сәуле жолдың тегістелген дисперсиясымен бірмодалы талшықтан тұрады. Мұның көмегімен материалдық толық компенсацияны және кез келген толқын ұзындығында толқындық дисперсияны ала аламызБұл кабельдің негізгі оптикалық сипаттамалары 3.4 кестесінде көрсетілген.

 

Кесте 3.4 - ОМЗКГМ-10-01-0,22–(20,0) кабелінің параметрлері

Параметрлер	Өлшемдері
1  бес модалық өрістің диаметрі	10,5 мкм ± 1 мкм
2  Жапқышпен талшық диаметрі	125 мкм ± 2 мкм
3  nl топтық коэффициентінің тиімлділігі	1,4675
4  Сандық апертура	0,13
5  Толқынның критикалық режимі	<1250нм
6  Өшулік	0,22 дБ/км
7  шашырау	<18 пс/нм –км
8  Толқын ұзындығы	1550 нм

 

 

7. ТОТЖ регенерациялық аймақтың ұзындығын есептеу 

 

Регенерация аймағының  ұзындығы бойынша екі мөлшерін есептеу  қажетті: L_{a max} – регенерация аймағының максималды жобалы ұзындығы; L_{a min} – регенерация аймағының минималды жобалы ұзындығы. Регенерация аймағының ұзындық мөлшерін бағалау үшін келесідегідей өрнектер пайдалануға болады:

 

                                                                      (3.15)

 

                                                                           (3.16)

 

мұндағы A_max, A_min (дБ) – ТОТЖ аппаратурасының қайта жабылып сөнуінің максималды және минималды мәндері.

                 A_ok(дБ/км) – кабельдің оптикалық талшықтарының километрлік сөну;

                 A_нс(дБ) – регенерация аймағындағы оптикалық сәулелену ажырамайтын оптикалық біріктіргіштің кабельдің құрылыстық ұзындығымен түйіскен жеріндегі  өшулік қуатының  орта мәні;

                 L_стр (км) –регенерация аймағындағы кабельдің құрылыстық ұзындығының орта мәні;

                А_pc (дБ) – ажырайтын оптикалық біріктіргіштегі оптикалық сәулеленудің өшулік қуаты;

                 n – регенерация аймағындағы ажырайтын оптикалық біріктіргіштер саны.

 Құрылыс ұзындықтарының түйіскен  жері қосымша өшулікті енгізбейтіндей, өшулік бойынша регенерация аймағындағы  мүмкін болатын максималды ұзындықты  анықтайық. Сонда регенерация  аймағының ұзындығы тарату жүйесінің энергетикалық қорымен және  кабельдің километрлік өшулігімен анықталатын болады:

,                                                                                                      (3.17)

 

мұндағы А – жүйенің энергетикалық қоры;

      Lk – кабельдің километрлік өшулігі.

 

Тарату жүйесінің энергетикалық  қоры таратылу және қабылдау соңдарында сигналдың максималды мүмкін болатын  деңгейлерімен  анықталады :

 

А=39+6=45,дБм    (3.18)

 

ОМЗКГМ кабелі  0,22 дБ/км тең болатын километрлік өшулікке ие.

 Сонда (3.17) формуласы бойынша:

 

Талшықты оптикалық  кабельді пайдалану кезіндегі дисперсияның шектеулі регенерациялық аймақ ұзындық  сәуле жолының сынуының  сатылы профильді  көрсеткіші 232 км құрайды.

Бұл кезде регенерация аймағының ұзындығы кабельдің өшулігімен, түйіскен жердегі сәулеленудің жоғалтуларымен анықталады: сәуле жол-таратқыш, сәуле жол - сәуле жол, сәуле жол – қабылдағыш, сондай-ақ сәуле жолының материалының ескіру есебіндегі қосымша жоғалтулар, лазерлі деградация:

 

.                                                                                  (3,19)

 

мұндағы А – жүйенің энергетикалық қоры;

        L_сж - сәуле жол – таратқыш түйісулеріндегі жоғалтулар;

      Lвыв - сәуле жол – қабылдағыш түйісулеріндегі жоғалтулар;

      Lст – ескертілген қосымша жоғалтулар өшулігі;

        Lm - сәуле жол – сәуле жол түйісулеріндегі жоғалтулар;

      Lk – кабельдің километрлік өшулігі;

      L – кабельдің құрылыстық ұзындығы.

 

Кабель 2 км ,4км, 6 км, 10км бойынша құрылыстық ұзындықтармен қойылады.

L = 6 км, А = 45 дБм, Lвв= 0,05 дБ, Lвыв = 0,05 дБ, Lct = 5 дБ, Lm = 0,05 дБ, Lк=0,22дБ/км шарттардағы регенерация аймағының мүмкін болатын максималды ұзындығын есептейміз:

 

 км,                                                                   (3,20)

 

Регенерация аймағы ұзындығының соңғы  мәні ретінде алынған талшықтың  дисперсиялық қасиетін (ол 232 км тең) және өшулікті (ол 219 км тең) есептегендегі ең аз мәнін таңдаймыз. Регенерация аймағының ұзындығы 219 км тең.

Осылайша, Ұржар және Қарақол ауылдарының аралықтары максималды 85 км құрайды, елді мекендердің арасындағы шамалы аралықтарды ескере отырып, регнератор мен оптикалық күшейткіштер қажет емес деп шешім қабылдаймыз.

 

3.8  SZ-құрылымының ТОК-дегі есептеулер.

 

360⁰  толық айналудағы өріс қадамы оралу қадамы S деп аталады.

Салынған элементтер мен кабельдің көлденең қиылуы арасындағы бұрыш оралу бұрышы a деп аталады. Кабельдің осі мен салынған элементтер ортасының арсындағы қашықтық оралу радиусы R деп аталады.

Қазіргі кабельдің түрі үшін оралу  қадамы  S=170мм және оралу радиусы R=4,3мм, сонда қосымша ұзындық Z тең болады:  

 

.                   (3.21)

 

Сондықтан кабельдің ұзындығының әр жүз метрінде салынған элементтер ұзындығы 1,25м құрайды.

Оралу бұрышы тең:  

 

.                                                          (3.22)

                                                 

Сәйкес қисық радиус тең:

 

.                                        (3.23)

         

ТОК температуралы диапазонында және берілген жүктеу диапазонындағы созылуында сәуле жолын бүлдіру қаупі  мен таратушы сипаттамалы жіберілмейтін  өзгерулер болмас үшін  иілумен  қатар талшықтағы сәуле жолының  сығылуы мен созылуын шектеу қажет. ТОК DL/L ұзындығының қатысты өзгеруі , яғни кабельдің жіберілетін созылуы Ек немесе Етк сығылуы тең болады: