Проектирование волоконно-оптической линий связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.2 - Разрез оптического кабеля магистральной связи

 

 

5.6 Потери в оптическом  кабеле

 

 

 

Оценим потери, которые  возникают при стыковке одинаковых одномодовых световодов из-за поперечного смещения торца одного световода относительно торца другого, а также перекоса световодов [11].

Потери, вызванные поперечным смещением  световодов на величину х (х = 0,5 мкм):

        (5.14)

x₁, x₂ – безразмерные числа.

         (5.15)

        (5.16)

n_э – эффективный показатель замедления фазовой скорости моды:

          (5.17)

V_ф – фазовая скорость:

          (5.18)

с – скорость света (с = 3*10⁵ км/с);

n – средний показатель  преломления:

         (5.19)

J₀, J₁ – цилиндрические функции первого и второго порядков.

J₀(1,2705) = 0,56;

J₁(1,2697) = 0,4.

 дБ

Потери, вызванные перекосом  продольных осей на угол q (q = 0,3⁰):

W₀ – радиус моды  НЕ₁₁ световода:

 м

дБ

Типичное среднее значение дополнительных потерь в одномодовом  волокне при хорошем качестве сварки менее 0,1 дБ.

 

 

 

5.7 Характеристики приёмопередатчика

 

 

 

Скорость передачи, Мбит/с           622,08

Рабочий диапазон волн, нм         1530 … 1560

Передающий  блок

Тип источника лазер              QML 5S791

Средняя выходная мощность, дБ        -2

Максимальный коэффициент  модуляции, дБ              10

Спектральная ширина на –20 дБ, нм               0,1

Пороговый ток, мА          8 … 45

Модулирующий ток, мА        10 … 50

Частота модуляции, ГГц                0,8

Напряжение питания, В                 1,5

Приёмный  блок

Минимальная чувствительность, дБ           -29,5

Шумовая полоса, МГц               475

Темновой ток, А                10^-8

Полоса частот, ГГц                3,5

Коэффициент лавинного  умножения             10

 

 

5.8 Расчет максимальной  длины участка регенерации с  учетом затухания

 

 

Определим  максимально  возможную длину участка регенерации  по затуханию. Тогда длина участка регенерации будет определяться энергетическим запасом системы передачи и километрическим затуханием кабеля:

    (5.20)

где      Э – энергетический запас системы

L_рс – потери мощности сигнала на разъёмном соединении, на входе и выходе ОВ (0,5дБ);

n_рс – количество разъёмных соединений, (12), по одному на входе и на выходе;

L_зап – запас по затуханию ОВ на РУ (3…5 дБ);

L_к – километрическое затухание ОВ (0,22 дБ);

L_св – затухания ОВ на участке световод-световод (0,4 дБ).

Энергетический запас системы передачи определяется максимально возможными уровнями сигнала на передающем и приемном конце:

      (5.21)

 

дБ

тогда:

км

Таким образом длина  регенерационного участка с учетом километрического затухания составляет 78 км.

В результате проведенных  расчетов для одномодового волокна  остановим  свой выбор на типе кабеля производства Применение 
Прокладка в кабельной канализации, трубах, блоках, колллекторах ручным и механизированным способом. Кабель сертифицирован Госкомсвязи России.

 

 

5.9 Хроматическая дисперсия волокна

 

 

Если выбрать разность показателей преломления сердцевины и оболочки и радиус сердцевины таким образом, что V<2,405, то в волокне возможно распространение только одной моды. Какие трудности и выгоды сопряжены с применением одномодового волокна? Остановимся вначале на преимуществах. Прежде всего, ожидается резкое возрастание широкополосности волоконного тракта передачи из-за отсутствия межмодовой дисперсии, определяемой в моногомодовом волокне разностью скоростей мод. Но полоса возрастает не безгранично. Дело в том, что большинство реально применяемых в ВОПС источников света – полупроводниковых лазеров и особенно светоизлучающих диодов имеет достаточно широкий спектр излучаемых оптических частот. Даже когда используется источник с повышенной когерентностью, например РОС-лазер [8] уширение спектра происходит за счет модулирующего сигнала тем сильнее, чем больший объем информации стремятся передать.

В свою очередь, конечная ширина источника влечет за собой появление дисперсионных эффектов. В общем случае время прохождения излучением данной моды отрезка волокна можно связать с аналогичным временем, которое потребовалось в случае бесконечно узкого спектра источника излучения, сосредоточенного на длине волны . Ограничиваясь первыми членами ряда Тейлора в окрестностях , имеем

  (5.22)

Первый член характеризует  временное запаздывание, связанное  с конечностью скорости света. Второй член можно преобразовать, используя  формулу (4.29):

        (5.23)

где n_гр – групповой показатель преломления в волокне. Как уже известно, в дали от отсечки (V>>0) n_гр→n₁, т. е. стремится к групповому показателю материала сердцевины, а вблизи от V V_l n_гр→n₂ для мод с l=0,1. Для промежуточного случая, который как раз и интересует нас (в одномодовых волокнах обычно 1<V<2,4), перепишем (5.24) в виде

        (5.24)

где k₀ – волновое число в свободном пространстве. Уширение спектра источника оптических сигналов приводит к изменению длительности импульса :

     (5.25)

 

           (5.26)

Итак, внутримодовая (хроматическая) дисперсия  зависит от второй производной , входящей в дисперсионный коэффициент , выражаемый в пс/км ∙ нм.

Фазовый параметр В для случая (слабонаправляющее волокно) можно связать с постоянной распространения следующим образом:

 

        (5.27)

Следовательно, постоянная распространения β имеет два компонента. Один чисто материальный (k₀n₂), другой же зависит от свойств материала, так и от фазового параметра B, который, в свою очередь, зависит для каждой моды от параметра V волокна. Если теперь временно считать материальную дисперсию несущественной, т.е.dn₂/dk₀ , то можно получить из (5.27):

,     (5.28)

Следовательно,      

       (5.29)

 

и дисперсионный коэффициент S_ω, который в данном случае определяет волноводную дисперсию:

      (5.30)

 

т.е. определяется прежде всего выражением V²[d²(VB)/dV²]. Ход этой функции для одномодового волокна показан на рисунке 5.3 вместе с графиками других важных параметров волокна в диапазоне 0.6≤ V ≤ 2.4. В диапазоне 1,3<V<2,6 кривая V²[d²(VB)/dV² хорошо аппроксимируется формулой, вполне пригодной для инженерных расчетов [8]:

.     (5.31)

 

 

 

 

 

 

 

Если теперь временно пренебречь волноводной дисперсией, то дисперсионные свойства волокна  уже определяются только свойствами материала.

Спектральную зависимость  показателя преломления стекол в  диапазоне 0,6...2мкм можно описать  трехчленной дисперсионной формулой Селмейера [11]:

,       (5.32)

 

где коэффициенты  и  A_i, l_i - значения для стекол различных составов находят подгоночным методом, что бы данная функция соответствовала графику полученному экспериментальным способом, это необходимо для получения универсальной формулы рассчитывая дисперсию на других длинах волн., определяются экспериментально. Для изготовления световодов, используемых в области длин волн 0,8…1,8 мкм, применяются кварцевые стекла с добавками окиси германия, фосфора, повышающими показатель преломления кварца, и добавками окиси бора, фтора, понижающими показатель преломления стекла.

 

Из (5.32) можно получить выражение для группового показателя преломления стекла:

      (5.33)

.  (5.34)

Получаем:

.     (5.35)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.4 - Компенсация дисперсии

 

Из графика видно, что длина  нулевой хроматической дисперсии  находится в районе 1523 нм, следовательно  можно для формулы (5.35) найти коэффициенты A_i, l_i, из справочных данных выбираем диапазон изменения этих величин, при помощи программы приведенной в приложении С.

Подставляем численные значения найденные  выше изложенным способом:

 

 

3,49585585 пс/нм*км

Знак и величина материальной дисперсии зависят от типа материала, используемого для создания волоконного  световода.

                     

 

 

5.10 Расчет длины участка  регенерации с учетом дисперсии 

 

 

Зная удельное значение хроматической  дисперсии (S_∑) можно определить величину дисперсионных искажений световода:

В аппаратуре передача используется интерфейс АТМ 622 Мбит/с, подразумевающий  кодировку 8В/10В, что соответствует  частотной модуляции, при коэффициенте модуляции10/8=1,25 [12]:

 МГц

 

        (5.36)

где ∆λ - ширина импульса лазера, 0,1 нм

 пс/км

отсюда зная величину дисперсии можно определить значение  полосы пропускания.

         (5.37)

Получив значение дисперсионных  искажений определяем  полосу пропускания

 МГц* км

 

 км

Т.е. длинна участка, определяемая хроматической дисперсией на много  больше длинны регенерационного участка, определяемого затуханием волокна, т.е. L › L_ру, следовательно при данной длине регенерационного участка L_ру =78 км, вносимые искажения хроматической дисперсией будут незначительно сказываться на сигнале.

 

 

5.11 Расчет помехозащищенности  некогерентных ВОСП

 

Для скорости приёма 622,08 Мбит/с в данной аппаратуре используем лавинный фотодиод марки QDAX – 500 изготовлен из InGaAs/InGaAsP/InP со следующими техническими характеристиками:

диапазон длин волн ∆λ, нм          750 … 1700

полоса частот шума F_ш, МГц               475

чувствительность приёмного  модуля Р_мин, дБ           - 40

динамический диапазон (АРУ) L_АРУ,              28

темновой ток I_т, А                10^-8

коэффициент лавинного умножения  М                10

эквивалентная ёмкость (перехода) С_пер, пФ             0,5

полоса частот ∆F, ГГц                 3,5

напряжение смещения U_см, В                 50

монохроматическая токовая чувствительность S_i, А/Вт           10

 

Для качественного приема сигнала необходим определенный уровень соотношения Сигнал / Шум. Расчет производим для рабочей температуры Т = 300 К.

       (5.38)

Сигнальная составляющая тока.

I = S_i * H_C,          (5.39)

где  Р_с = 10 ^{0,1 * Рмин} = 10^-2,95 = 0,0011.

Квантовая эффективность:

        (5.40)

где ћ – постоянная Планка,6,62 * 10^-34 Вт с/Гц;

q = 1,6 * 10^-19 Кл;

f = с/λ_р = 3 * 10⁸ / 1,55 * 10^-6 =1,935 * 10^-14;

Эквивалентная емкость  С и сопротивление нагрузки фотодиода R связаны следующим соотношением с полосой пропускания прибора:

        (5.41)

Из формулы (5.41) находим R:

 

 Ом

Известно несколько  способов приема оптического сигнала; прямое фотодетектирование включает некогерентный  энергетический прием;

Другим методом приема является метод фотосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный).

Некогерентная ВОСП.

Отношение сигнал/шум:

 

 

 

 

 

 

5.12 Расчет порога чувствительности  ПРОМ (приемного оптоэлектронного  модуля) в ВОСП

 

 

 Порог чувствительности для цифрового ПРОМа рассчитываем по формуле [8]:

     (5.42)

где    коэффициент

        (5.43)

Q - аргумент функции  ошибок; Для Р_ОШ =10^-7 , Q = 5,2;

После подстановки  (для ЛФД);

Пороговая чувствительность ПРОМ позволяет принимать полезный сигнал без дополнительных усилителей , потому что минимальный уровень  приема сигнала приемника составляет 1,5 мкВт.

 

 

5.13 Надежность волоконно-оптических  систем передач

 

 

Надежность - одна из важнейших  характеристик современных сетей  связи. Особенно высокие требования по надежности предъявляются к кабельным  магистралям с большой пропускной способностью.

Основной задачей системы технического обслуживания оптических кабельных магистралей является обеспечение качественной и бесперебойной работы трактов и каналов связи. Данная задача решается в условиях воздействия на ВОЛС различных дестабилизирующих факторов, приводящих к появлению неисправностей, ухудшающих качество передачи информации и отказам связи в части каналов, отдельных трактов или к полному прекращению связи по ВОЛС [9].