Проект строительства внутризоновой ВОЛП на участке п.Маслянино – г.Черепаново

      3       Расчет передаточных  параметров оптического 

                                             волокна  (ОВ) и  выбор ОК 
 

       Волоконно-оптическая сеть способна в полной мере удовлетворить  все современные потребности  пользователей. Существует ряд преимуществ  функционирования сетей на волоконно-оптических кабелях:

1. очень малое затухание оптического сигнала в волокне;
2. широкая полоса пропускания, обусловленная высокой несущей частотой; 
3. высокая помехозащищенность;
4. высокая защищенность от несанкционированного доступа;
5. взрыво- и пожаробезопасность;
6. гальваническая развязка элементов сети.

     Существуют также некоторые недостатки:

1. высокая стоимость оптического доступа, обусловленная дорогостоящим оборудованием терминалов (LT и NT)  и эксплуатационным обслуживанием линии;
2. чувствительность к микро - и макроизгибам;
3. сложное и дорогостоящее оборудование для прокладки, монтажа и

измерений оптических волокон.                                

              Тип кабеля определяется заданной  длиной волны, допустимыми потерями  и дисперсией, а также условиями прокладки (категориями грунта, наличием переходов через водные преграды и т. д.). Учитывая, что оптическое волокно чувствительно к сильным электромагнитным полям, рекомендуется ОК прокладывать в некотором отдалении от ЛЭП. Если условия позволяют, желательно выбирать кабель, не содержащий металлических элементов. Выбор типа кабеля можно произвести, исходя из расстояний между узлами. В данном проекте для организации внутризоновой сети следует выбирать рабочую длину волны 1,55 мкм; потери в ОВ при этом малы (около 0.22 дБ/км), что позволяет организовывать связь на значительные расстояния (порядка 100 км.). Применяя оптические усилители, можно увеличивать дальность связи до    150 км и более;  однако, при этом уже сказываются (особенно при скоростях 2.5Гбит/с и более) дисперсионные искажения.  

      Основными параметрами оптического кабеля являются:

• числовая апертура (NA) , характеризующая эффективность ввода (вывода) световой энергии в ОВ и процессы их распространения в ОК;
• затухание (a), определяющее дальность передачи по оптическому кабелю и его эффективность;
• дисперсия (t), характеризующая уширение импульсов и пропускную способность ОК.

       Простейшее 0В представляет собой круглый  диэлектрический (стекло или прозрачный полимер) стержень, называемый сердцевиной, окружённый диэлектрической оболочкой (рисунок 3.1). Показатель преломления материала сердцевины всегда больше показателя преломления оболочки , где и — относительные диэлектрические проницаемости сердцевины и оболочки соответственно. Относительная магнитная проницаемость обычно постоянна и равна единице.

       Показатель  преломления оболочки обычно постоянен, а показатель преломления сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Для передачи сигналов по 0В используется известное  явление полного внутреннего  отражения на границе раздела двух диэлектрических сред ( ),при этом угол полного внутреннего отражения.

                 ,                                                          (3.1)

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

                    ,                                                                (3.2)

 откуда  

                      ,                                                        (3.3)

             Таким образом, по 0В будут эффективно передаваться только лучи, заключённые внутри телесного угла , величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения Этот телесный угол характеризуется числовой апертурой

                          ,                                                   (3.4) 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 3.1 – Распространение света в  волоконном световоде

 
 

1. Расчет  числовой апертуры, нормированной частоты  и числа

распространяющихся мод 
 

       Расчет  числовой апертуры производится по формуле [8]: 

                          ,                                           (3.5)

       где n₁ - показатель преломления сердцевины ОВ;

              n₂ – показатель преломления оболочки волокна.

       Исходя  из технического задания, имеем ∆ = 0,0009,  n₁=1,4675.

 ∆  - относительное значение показателей  преломления. Необходимо определить n_2.

                          ,                                                         (3.6)

       Из  формулы (3.6) определим выражения  для нахождения n₂.

                                      ,                                             (3.7)

       Подставляя  исходные данные в формулу (3.6) определим  n₂:

                          

       Зная  величины n₁=1,4675 и n₂=1,4656, по формуле (3.5) находим числовую апертуру:

                      

       Режим работы ОВ оценивается значением  обобщенного параметра, называемого  нормированной (безразмерной) частотой.

        Нормированную  частоту находим  по формуле:

    ,        (3.8)

      где      -  радиус сердцевины ОВ, мкм,

                 -  длина волны, мкм.

      При 0 < ν < 2,405 наблюдается одномодовый  режим распространения.

          Количество мод (волн), распространяющихся по ОВ, рассчитывается по формуле:

                        - одномодовое ОВ                     (3.9)

где u – показатель степени изменения профиля показателя преломления (для ступенчатого волокна u=¥, а для градиентного волокна u=2).

             

2. Расчет затухания сигнала в оптическом волокне

 

   Затухание и потери являются параметрами, определяющими  дальность передачи по оптическому  кабелю и его эффективность.

   Затухание световодных трактов волоконно-оптических кабелей характеризуется собственными потерями в волоконных световодах (a_с) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией ОВ процессе изготовления кабеля, скруткой и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля

    (a_к ):

                             a = a_с + a_к                                                           (3.10)

Собственные потери волоконных световодов состоят  в первую очередь из потерь поглощения a_п и потерь рассеяния a_р. Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется на рисунке  3.2 .

                               
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок  3.2 – Механизмы основных потерь в  световодах:

a_р – рассеяние на нерегулярностях;

 a_пп – поглощение из-за примесей;

       a_пм – поглощение в материале волокна

                                a_с = a_п+a_р+a_пр,                                         (3.11)

      Потери  на поглощение существенно зависят  от частоты материала и при  наличии посторонних примесей a_пр могут быть значительными. Примесями могут являть ионы металла ( никель, железо, кобальт и др.) и гидроксидные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания. В результате суммарные потери определяются из выражения [2]:

                             a=a_п+a_р+a_пр+a_к                                                  (3.12)

       Затухание в результате поглощения a_п связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растёт с частотой, существенно зависит от свойств материала световода (n и tg d) и определяется по формуле [8]:

                                дБ/км,                         (3.13)

       где     _n1- показатель преломления сердцевины;

                 l - длина волны, км;

          tgd - тангенс угла диэлектрических потерь световода,  tg d= 10^-12;

       Частотная зависимость затухания поглощения имеет линейный характер при постоянных значениях n₁.

                     

       Рассеяние обусловлено неоднородностями материала  волоконного световода, размеры  которого меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Потери на рассеяние часто называют рэлеевскими. Они определяют нижний предел потерь, присущих ОВ. Этот предел различен для разных длин волн и с увеличением длины волны уменьшается согласно выражению [8]:

                            a_р = ,                                                              (3.14)

       где: l - длина волны, мкм;

       К_р – коэффициент рассеяния, (для кварца равный 0,8 (мкм⁴×дБ/км);

                            a_р= 0,8/(1,55)⁴= 0,1386 дБ/км

       Кабельные потери в ОК обусловлены деформацией  ОВ в процессе изготовления, скруткой, изгибами волокон и так далее. В общем случае дополнительное затухание.

                                                a_к = å a_i ,                                                                  (3.15)

       где: a1 – затухание вследствие приложения к ОВ термомеханических воздействий в процессе изготовления кабеля; a2 – вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материала ОВ; a3 – вызывается микроизгибами ОВ; a₄ – затухание вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материалов ОВ; a₅ – затухание, возникающее вследствие кручения ОВ относительно его оси (осевые напряжения скручивания); a₆    –  возникает вследствие неравномерности покрытия ОВ; a₇ – возникает вследствие потерь в защитной оболочки ОВ.