Расчет затухания световодов





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

пр.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).

 





Читайте также:
Гражданская лирика А. С. Пушкина: Пушкин начал писать стихи очень рано вскоре после...
Назначение, устройство и принцип работы автосцепки СА-3 и поглощающего аппарата: Дальнейшее развитие автосцепки подвижного состава...
Опасности нашей повседневной жизни: Опасность — возможность возникновения обстоятельств, при которых...
Основные факторы риска неинфекционных заболеваний: Основные факторы риска неинфекционных заболеваний, увеличивающие вероятность...

Рекомендуемые страницы:


Поиск по сайту

©2015-2020 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:

Обратная связь
0.027 с.