Важнейшими параметрами световода является оптическое потери и соответственно затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность.
Затухание световодных трактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (
) и дополнительными потерями, так называемыми кабельными (
), обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля, т.е.
.
Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (
) и потерь рассеивания 
, т.е.
.
Под кабельными потерями понимают потери энергии на макроизгибы и микроизгибы:
Таким образом, полные потери в волоконном световоде составят:
.
Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода [2]:
, дБ/км
где n1 - показатель преломления сердечника;
- длина волны, мкм;
- тангенс угла диэлектрических потерь в световоде,
равный 
.
Затухание на рассеяние рассчитывается по формуле [2]:
, дБ/км
где К - постоянная Больцмана, К = 
Дж/К;
Т - температура перехода стекла в твердую фазу, Т =1500 К;
- коэффициент сжимаемости, 
м2/Н;
- длина волны, м.
Потери на макроизгибы обусловлены скруткой волоконных световодов по геликоиде вдоль всего оптического кабеля и для ступенчатых стекловолокон рассчитываются по формуле [5]:
, дБ/км
где 
- радиус сердечника, мкм;
- относительная разность показателей преломления,
d - диаметр скрутки, мм;
S - шаг скрутки, мм.
Отношение S/d называется параметром устойчивости скрутки, который в оптических кабелях находится в пределах 12 - 30.
Дополнительное затухание за счет излучения при микроизгибах для одномодовых световодов рассчитывается по формуле [4]:
, дБ/км
где - k - коэффициент, зависящий от длины и амплитуды
микроизгибов, k =10-15;
- радиус сердечника стекловолокна, мкм;
b - диаметр оболочки, мкм;
l - длина волны, мкм.
- радиус поля моды, мкм,
, 
.
4.4. Расчет дисперсии оптического волокна
В световодах при передаче импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга. Данное явление в теории световодов носит название дисперсии.
Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивает длину участка регенерации. Дисперсия ограничивает также пропускную способность волоконно-оптических систем передачи, которая предопределяет полосу частот, пропускаемую световодом, ширину линейного тракта и соответственно объем информации, который можно передать по оптическому кабелю.
Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и появление спектра 
, существование большого числа мод.
Первая называется хроматической (частотной) дисперсией, которая делится на материальную и волноводную. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и связана со световодной структурой моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.
Второй вид дисперсии носит название модовой, которая, однако, в одномодовых световодах отсутствует полностью.
В одномодовых световодах проявляются материальная и волноводная дисперсии, расчет которых производится по формулам [3]:
пс/км
пс/км
где - ширина спектра излучения источника,
при использовании в качестве источника излучения
полупроводникового инжекционного лазера
=0,1 - 4 нм;
- удельная дисперсия материала;
- удельная волноводная дисперсия.
Коэффициент удельной материальной дисперсии рассчитывается по формуле [2]:
,
где - длина волны, мкм;
с - скорость света, с =300000 км/с;
- показатель преломления сердечника;
и 
- коэффициенты выбираются из табл. 6 в зависимости от
состава стекла сердечника в полном соответствии с
предварительно выполненными расчетами 
.
Производная 
рассчитывается по формуле:
.
Коэффициент удельной волноводной дисперсии рассчитывается по формуле [3]:
пс/(км нм)
где - длина волны, мкм;
- относительная разность показателей преломления.
Полное уширение импульса за счет материальной и волноводной дисперсий, приходящееся на 1 км оптической магистрали, определится:
, пс/км.
Хроматическая дисперсия существенно ограничивает пропускную способность волоконных световодов. Максимальная ширина полосы пропускания на 1 км оптической линии приближенно определяется по формуле:
, Гц км.
4.5. Расчет коэффициента фазы, волнового сопротивления и скорости передачи по световодам
Волновое сопротивление волоконного световода может быть представлено через компоненты электромагнитного поля, определение которых получается довольно сложным. В практических расчетах пользуются предельными значениями волнового сопротивления сердечника и оболочки для плоской волны. При этом:
, Ом
где 
- волновое сопротивление идеальной среды,
- относительная магнитная проницаемость, 
, Гн/м;
- относительная диэлектрическая проницаемость,
, Ф/м.
В соответствии с основным уравнением передачи по волоконным световодам коэффициент фазы зависит от волнового числа среды и находится в пределах
, рад/км
где 
- волновое число оболочки;
- волновое число сердечника.
Волновое число идеальной среды k0 рассчитывается по формулам:
,
где 
- угловая частота, 1/с;
- длина волны, мкм.
В соответствии с основными положениями электродинамики в однородных средах плоская электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью 
и групповой скоростью 
.
Для недисперсионной среды фазовая скорость не зависит от частоты, и тогда групповая скорость равна фазовой скорости. Однако, в дисперсионных средах, где фазовая скорость электромагнитной волны является функцией частоты, и имеют разные значения.
Фазовая скорость рассчитывается по формуле:
, км/с
где 
- коэффициент фазы.
При больших значениях длин волн, близких к критической, энергия распространяется в оболочке с фазовой скоростью 
, при уменьшении длины волны вся энергия концентрируется в сердечнике, которой соответствует скорость распространения 
. Таким образом, с увеличением длины волны фазовая скорость уменьшается от значения скорости в оболочке до значения скорости в сердечнике световода.
Следует иметь ввиду, что скорость распространения волны по световоду всегда меньше скорости света, т.е. поверхностная волна всегда имеет замедленный характер распространения.
Групповая скорость распространения по световоду определяется выражением:
. км/с
4.6. Определение длины регенерационного участка
Исходя из экономичности оптической магистрали и качества передачи информации, желательно, чтобы длина участка регенерации была максимальной.
Длина регенерационного участка для выбранной аппаратуры передачи и заданном качестве связи определяется характеристиками оптического кабеля: затуханием и дисперсией. Затухание лимитирует длину участка по потерям в тракте передачи. Дисперсия приводит к расширению импульсов, которое возрастает с увеличением длины линии, что приводит к повышению вероятности ошибки передаваемой информации.
4.6.1. Определение длины регенерационного участка по затуханию оптического кабеля.
|
Уровень оптического сигнала с увеличением расстояния от начала регенерационного участка уменьшается в соответствии с графиком, представленным на рис. 1, из которого следует:
где 
. - минимально допустимая мощность на входе
фотоприемника, дБ м;
- уровень мощности генератора излучения, дБ м;
- потери в разъемном соединении используются для
подключения приемника и передатчика к оптическому
кабелю, дБ;
- потери при вводе и выводе излучения из волокна, дБ;
- потери в неразъемных соединениях, дБ;
- коэффициент ослабления оптического волокна, дБ/км;
- строительная длина оптического кабеля, км.
Величина 
носит название энергетического потенциала аппаратуры и определяется типом источника излучения и фотоприемника.
Из последнего выражения можно определить длину регенерационного участка, определяемого затуханием линии:
, км (1)
Современные способы сращивания оптических волокон, посредством сварки автоматическими устройствами, обеспечивают величину потерь на одном сростке в пределах 0,01-0,03 дБ.
Потери в лучших образцах разъемных соединителей (оптических коннекторах) составляют 0,35-0,5 дБ на одно соединение.
Расчет энергетического потенциала производится следующим образом.
Учитывая, что в аппаратуре STM в качестве источника излучения используется полупроводниковый инжекционный лазер, выходная мощность последнего составляет Pпер = 10 мВт.
При использовании способа кодирования с невозвращением в нуль из выходной мощности источника излучения вычитается 3 дБм, а при коде с возвращением в нуль - 6 дБм, что обусловлено уменьшением средней излучаемой мощности кодированного сигнала по сравнению с непрерывным режимом.
Потери при вводе света в волокно для полупроводникового лазера составляют 
=3-5 дБ, при выводе света на фотоприемник - 
=2-3 дБ.
Требуемую чувствительность приемника выбирают исходя из принятой скорости передачи информации (В) и величины коэффициента ошибок (рош). На рис. 2 приведены зависимости чувствительности наиболее распространенных фотоприемников от скорости передачи информации
(Рпр.мин.=f(В)) при рош=10-9.
4.6.2. Определение длины регенерационного участка по пропускной способности оптического кабеля.
Дисперсионные явления в волоконном световоде приводят к появлению межсимвольной интерференции, для уменьшения которой необходимо, чтобы выполнялось следующее условие [6]:
,
где В - скорость передачи информации;
- уширение импульса в кабеле длиной 1 км.
Тогда длина регенерационного участка определится:
, км (2)
где В - скорость передачи информации, Мбит/с;
- уширение импульса, пс/км.
Целью расчета является определение максимальной длины регенерационного участка 
при условии одновременного выполнения неравенств (1) и (2).