Проектирование волоконно-оптической линий связи

5 РАСЧЕТ И ВЫБОР СРЕДЫ ПЕРЕДАЧИ

 

 

 

5.1 Расчет параметров волоконного  световода

 

 

 

Распространение мод  в волоконном световоде зависит  от формы профиля распределения  показателя преломления .

Для практического применения важными являются профили распределения показателя преломления описываемые по степенному закону [8]. Под ними понимаются профили показателя преломления, у которых кривая изменяется по радиусу, описывается как степенная формула радиуса:

 

      (5.1)

где        n²(r) = n₂² постоянная для r ³ ab оболочки;

n₁ – показатель преломления вдоль оси оптического волокна;

D - нормированная разность показателей преломления;

r – расстояние от оси оптического волокна;

а – радиус сердцевины;

g – показатель степени профиля;

n₂ – показатель преломления оболочки;

для ступенчатого профиля g ® ¥

При ступенчатом профиле  показатель преломления n(r) = n₁ в стекле сердцевины остается постоянным. Для всех других профилей показатель преломления n(r) в стекле сердцевины постепенно увеличивается от n₂ для стекла оболочки до n₁ у оси ВС. Поэтому такие профили называются градиентными профилями распределения показателя преломления. Это название особенно хорошо закрепилось за параболическим профилем, имеющим g =2. Так как оптические волокна с таким профилем имеют очень хорошие технические характеристики передачи света. Другой важной величиной для описания ВС является структурный параметр или нормированная частота V. Она зависит от радиуса r сердцевины, числовой апертуры NA стекла сердцевины и длины волны или волнового числа R света.         Нормированная частота является безразмерной величиной:

 

        (5.2)

 

Число N мод, распространяемых в сердцевине стекла, зависит от этого параметра и для любого профиля показателя преломления, описываемого по степенному закону, при показателе степени профиля g приблизительно равна:

.         (5.3)

Для того чтобы свет направлялся  в стенке сердцевины ВС со ступенчатым  профилем показателя преломления благодаря  полному внутреннему отражению необходимо иметь показатель преломления n₁ стена сердцевины немного больше показателя преломления n₂ стекла оболочки на границе раздела двух стеклянных сред. Здесь n₁ одинаков по всему поперечному сечению сердцевины [9]. При прохождении мод вдоль оси ВС моды низшего порядка с малым углом по отношению к оси световода за счет обмена энергией преобразуются в моды высшего порядка с более крутым углом по отношению к оси световода и наоборот. В следствие этого различие скоростей мод выравнивается, а величина уширения Dt введенного светового импульса становится пропорциональной не длине световода, т.е. Dt ~ L, а скорее, корню квадратному из длины Dt = . Эта модовая дисперсия может быть полностью исключена если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таки м образом, что в нем будет распространяться только одна мода, а именно – фундаментальная (основная) мода LP₀₁. Однако основная мода также уширяется во времени по мере прохождения ее по такому светводу. Это явление называется хроматической дисперсией и в диапазоне длин волн от 1200 до 1600нм она относительно мала [9].

 

 

5.2 Расчет параметров  волокна и выбор типа оптического  кабеля

 

 

Основным элементом волоконно-оптического  кабеля является волоконно-оптический световод, по которому распространяется излучение. Световод состоит из двух основных частей: сердечника и оболочки. Как сердечник, так и оболочка

 

изготавливаются из светопроводящих  материалов. Чаще всего для этих целей используется плавленый кварц. Сердечник имеет показатель преломления материала n1 и диаметр d, а оболочка n2 и b соответственно. Для того, чтобы излучение могло распространяться по волокну, необходимо выполнение условия n1 > n2 [9]. Этим условием обуславливается полное внутренне отражение (ПВО), возникающее при падении электромагнитной волны из более плотной среды (с большим показателем преломления) на границу раздела с менее плотной средой. Показатель преломления материала оболочки n2 – постоянен, а величина показателя преломления n1 в общем случае есть функция поперечной координаты. Эта функция называется профилем показателя преломления (ППП).

Для того, чтобы в волоконном световоде  существовал одномодовый режим, необходимо, чтобы нормированная частота V была меньше или равна 2,405:

         (5.4)

где  d – диаметр сердечника световода;

l   – длина волны излучения;

NA – числовая апертура волоконного световода.

Числовая апертура NA является важнейшей характеристикой световода. Физический смысл числовой апертуры состоит в том, что она показывает конус лучей, ось которого лежит на оси световода. Все лучи, падающие на торец световода, лежащие в этом конусе, будут направляться световодом. Числовую апертуру волоконного световода можно найти следующим образом:

,      (5.5)

где  n₀ – показатель преломления среды внешней по отношению к световоду;        

u – апертурный угол  световода;

n - относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки.

         (5.6)

Для выбранного одномодового световода, согласно рекомендациям ITU-T, величина n = 0,0025 для длины волны 1,55 мкм.

показателем преломления сердцевины n₁ = 1,468.

Определим значение показателя преломления  оболочки n₂:

        (5.7)

 

Определим числовую апертуру световода:

NА= (1,466²-1,462²)^1/2 = 0,10

По рекомендациям ITU-T, диаметр сердечника одномодового волоконного световода лежит в пределах от 8 до 10 мкм, а диаметр оболочки равен 125 мкм.

Определим значение нормированной  частоты по формуле, при l = 1,55 мкм:

Таким образом, в волоконном-оптическом световоде с параметрами: n₁ = 1,468, n = 0,0025, NА = 0,10555, а = 8,4 мкм, в = 125 мкм и рабочей длине волны l = 1,55 мкм будет существовать одномодовый режим.

 

 

 

5.3  Лучевой анализ  распространения излучения в  волокне

 

 

Лучи, распространяющиеся вдоль оси волокна, называются меридиональными. Критический режим их распространения соответствует условию:

         (5.8)

Полное внутреннее отражение (ПВО) на границе раздела «сердцевина  – оболочка» происходит при углах:

q_с £ q £ p/2         (5.9)

При этом луч, удовлетворяющий условию (5.9), распространяется вдоль сердцевины по зигзагообразной траектории. Поскольку явление ПВО не сопровождается потерями, то становиться очевидно, что набор лучей, удовлетворяющих условию (5.9), может обеспечить передачу светового сигнала на большие расстояния. Отметим, что в волокне имеется бесчисленное множество меридиональных сечений, в каждом из которых возможно распространение множества меридиональных лучей, удовлетворяющих условию (5.9) и, следовательно, имеющих направляющие углы q₁ (т.е. углы между волновым вектором и осью волокна) в пределах:

0 £ q₁ £ p/2-q_с         (5.10)

Т.о., если на торец волокна, окруженного прозрачной средой с  показателем преломления n₀, падают в какой-либо из меридиональных плоскостей лучи под углами q₀ к оси, то условию их волнового распространения в волокне соответствует следующее ограничение на угол падения q₀:

q₀ £ arcsin(n₁²-n₂²/n₀)^1/2       (5.11)

Выражение (5.12) нетрудно получить из закона Снеллиуса для  преломления на границе входного торца:

sinq_0c/sinq_1c = n₁/n₀  Þ n₀ = n₁sinq₁/ sinq₀    (5.12)

а также условия и  соотношения q_1c+q_с = p/2:

sinq_1c = 90-85,6 = 4,44⁰

q_1c = 0,077

n₀ = 1,468*0,077 / 0,10 = 1,129

q₀ £ arcsin(1,466²-1,462² / 1,129)^1/2 = 14,8⁰

Если, как чаще всего  бывает, свет падает на входной торец из воздушной среды (для этого достаточно даже минимального зазора между стыкуемыми волокнами или источником света и волокном), то n₀ = 1 и :

sinq_0c = (n₁² - n₂²)^1/2 = N_а = 0,10555                                (5.13)

q_0c = 5,7⁰

Выражение (5.5) определяет ранее известную уже величину – числовую апертуру волокна.

Явление зависимости  групповой скорости распространения  излучения от параметров излучения  называется дисперсией, т.е. явление  уширения импульса при распространении  по световоду. Любой ВО световод имеет дисперсию. Существует  три вида дисперсии волоконного световода: межмодовая, материальная и волноводная. Модовая дисперсия возникает при распространении в световоде нескольких мод. В одномодовых световодах модовая дисперсия отсутствует. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления материала сердечника от длины волны [9]. Волновая дисперсия объясняется зависимостью постоянной распространения от длины волны, т.к. источник излучения излучает не строго одну длину волны λ, а некоторый спектр волн, который характеризуется значением спектральной ширины источника Δλ.

 

 

 

 

5.4 Выбираем оптическое  волокно со смещенной ненулевой  дисперсией TrueWave® RS.

Оптическое волокно TrueWave® RS [10] — волокно с ненулевой дисперсией и уменьшенным наклоном дисперсионной характеристики. Предназначено для для кабелей оптических систем связи, с волновым уплотнением DWDM и с оптическим усилением, работающих в третьем (1525...1565 нм) и четвёртом (1565...1620 нм) окнах прозрачности.

Ненулевая дисперсия волокна TrueWave® RS обеспечивает подавление нелинейного эффекта четырехволнового смешения благодаря тому, что при его использовании появляется возможность управлять величиной хроматической дисперсии в области рабочих длин волн, соответствующих третьему и четвёртому окнам прозрачности. Величина хроматической дисперсии волокна TrueWave® RS достаточно мала, чтобы передавать сигналы на большие расстояния одновременно на нескольких длинах волн со скоростью 10-40 Гбит/с без компенсации дисперсии (с минимальными затратами на компенсацию дисперсии). Осуществлена передача сигналов 40 Гбит/с по 40 каналам одновременно с суммарной емкостью 1600 Гбит/с по волокну TrueWave® RS.

Волокно TrueWave® RS предназначено применение в оптических кабелях типа G.655 для городских, зоновых и магистральных сетей передачи.

Волокно может использоваться в  кабелях модульного типа, кабелях  с центральным модулем, кабелях  с профильным сердечником, ленточного типа, с пучковым сердечником. Волокно  может использоваться в кабелях, предназначенных для подземной прокладки, подвесных кабелях, в кабелях для прокладки в специальных трубах, внутриобъектовых кабелях, оптических соединительных шнурах. Может использоваться в кабелях с повышенными требованиями к минимальной рабочей температуре окружающей среды, в том числе для полностью диэлектрических подвесных самонесущих кабелей.

С использованием TrueWave® RS могут также  изготовляться кабели составной  конструкции, т.е. с частичным применением  одномодовых волокон другого  типа.

Затухание

Максимальный коэффициент затухания в дБ/км может быть задан в пределах от 0,22 … 0,25 дБ/км, причем это значение выдерживается в диапазоне от 1550 до 1600 нм.

Затухание в зависимости от длины  волны 

Максимальное затухание в области  длин волн 1525...1620 нм не может превышать затухание на длине волны 1550 нм более чем на 0,05 дБ/км.

Диаметр сердцевины, мк           8,4

n1              1.468

n2           1.4642

Нулевая дисперсия данного волокна  находится на длине волны равной 1523 нм.

 

5.5 Тип кабеля

 

 

Кабель магистральной связи (марка ОМЗКГм) производится по заказу с необходимым числом волокон.

Кабель типа ОМЗКГм содержит 24 одномодовых  волокон, расположенных  в пазах профилированного пластмассового сердечника. Так как кабель предназначен для непосредственной прокладки в грунт, он имеет защитный броневой покров из стальных проволок диаметром 1,2 мм. Дистанционное электропитание регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным проводникам, расположенным в броневом покрове кабеля. Снаружи кабель имеет полиэтиленовую оболочку.

Изготавливаются также  оптические кабели магистральной связи, в которых цепи дистанционного питания  отделены от броневых проволок алюминиевым  экраном и расположены внутри кабеля.

Таблица 5.1 - Основные характеристики кабеля ОМЗКГм

Параметр	МС
Размеры волокна, мкм:
сердечник	8,4
оболочка	125
покрытие	500
Температурный диапазон, С°	-40°до +50°
Число волокон	≤ 72
Длина волны, мкм	1,55
Коэффициент затухания, дБ/км	0,22…0,25
Полоса пропускания, Мгц×км	500-800
Тип волокна	Одномодовое Lucent Technologies G.652 Matched Cladding или по заказу G.655 TrueWave® RS ; Allwave™
Строительная длина, м	6400
Регенерационный участок, км	98
Диаметр кабеля, мм	17
Масса, кг/км	370
Допустимое растягивающее  усилие, Н	7000
Стойкость к раздавливанию, кН/см	≤ 1
электрическое сопротивление  изоляции, МОм*м	км  ≤ 2000
Радиус изгиба, мм	250