Выбор оптического кабеля связи

Оптические кабели (ОК) содержат 4, 8 и 16 волокон. Волокна классифицируются на ступенчатые, градиентные и одномодовые и используются на длинах волн 0.85, 1.3 и 1.55 мкм. Кабели могут изготовляться с металлическими элементами (оболочки, оплетки, армирующие стержни) и без них. Достоинствами ОК без металлических элементов являются существенно меньшие габаритные размеры и масса.

Выбор ОК осуществляется на основе:

а) заданного числа каналов магистральной связи;

б) типа аппаратуры связи;

в) назначения кабеля.

В соответствии с заданным числом каналов магистральной связи и типом волоконно-оптической системы передачи следует определить число волокон ОК. Например, при использовании цифровой системы передачи ИКМ-120 для организации 120 двусторонних каналов связи необходимо два волокна в ОК: одно -для организации 120 каналов связи в прямом, а другое - в обратном направлении.

Затем, исходя из типа системы передачи, типа оптического волокна и значения рабочей длины волны (λ, мкм), (см. таблицу 4), выбирается марка кабеля:

ОК - линейный оптический многомодовый градиентный кабель на длину волны 0.85 мкм;

ОЗКГ - линейный оптический многомодовый градиентный зоновый кабель с броней из круглых проволок для прокладки в грунт с оптический волокном на длину волны 1.3 мкм;

ОМЗКГ - оптический одномодовый кабель для магистральных и зоновых линий связи для прокладки в грунт с оптическим волокном на длину волны 1.3 мкм;

ОМЗВ - оптический одномодовый кабель для прокладки под водой с оптическим волокном на длину волны 1.3 мкм;

ОКЛ - линейный оптический одномодовый кабель для магистральных и зоновых линий связи с оптическим волокном на длину волны 1.55 мкм;

ОКВ - линейный оптический одномодовый кабель для прокладки под водой на глубину до 500м.

Маркировка оптических кабелей связи может быть записана условно в следующем виде: NNNPB - Н – n₁ – n₂ – n₃/n₄ – n₅/n₆ – А,

где n₁ - диаметр сердцевины оптического волокна, обычно равный 10 и 50 мкм для одно- и многомодовых оптических волокон соответственно (показатель в марке кабеля может быть опущен);

n₂ - номер разработки конструкции данного типа;

n₃ - максимальное затухание оптического волокна дБ/км;

n₄ - максимальная дисперсия оптического волокна, пс/(нм*км) (показатель в марке кабеля может быть опущен);

n₅ - число оптических волокон;

n₆ - число медных жил для дистанционного питания (показатель в марке кабеля может быть опущен);

NNN -назначение кабеля и рабочая длина волны оптического волокна;

Р - тип металлической оболочки (при отсутствии опускается);

В - тип бронепокровов (может быть опущено);

Н - наличие оболочки, не распространяющей горение (в противном случае опускается);

А - в оптических волокнах избирательность коэффициента широкополосности (например, от 500 до 800 МГц-км).

Маркировка некоторых оптических кабелей приведена в приложении 1.

В пояснительной записке следует:

1. Обосновать выбор марки ОК и числа волокон в ОК.

2. Воспользовавшись рекомендуемой литературой, изобразить конструкцию выбранной марки кабеля, указать все его конструктивные элементы, указать полную маркировку кабеля и ее расшифровку.

3. Указать марку ОК, используемого при переходе через водную преграду.

 

 

Расчет параметров световодов

 

Необходимо рассчитать следующие параметры волоконного световода:

- числовую апертуру;

- число мод в световоде;

- затухание световода;

- дисперсию световода.

 

 

Расчет числовой апертуры

 

Важной характеристикой световода является числовая апертура NА, представляющая собой синус максимального угла падения φ _пад лучей на торец световода, при котором в световоде луч на границу "сердцевина-оболочка" падает под критическим углом φ _кр. Если значение угла падения φ _пад, φ _кр, то в световоде происходит полное внутреннее отражение луча. Следовательно,

, (1)

где n₁ и n₂ показатель преломления соответственно сердцевины и оболочки (для многомодового световода - 1.53 и 1.5 соответственно; для одномодового световода - 1.46 и 1.457 соответственно).

Число мод определяет способность световода "принимать" свет. Чем больше мод, тем больше световой энергии можно ввести в световод от источника. С увеличением числа мод полоса передаваемых частот снижается. Чем меньше мод, тем лучше качество связи, и можно организовать большее число каналов.

Для расчета числа мод необходимо рассчитать нормированную частоту

, (2)

где а - радиус сердечника световода, мкм (определяется по маркировке кабеля);

λ - длина волны, мкм;

NА - числовая апертура.

Общее число передаваемых мод в световодах может быть определено по формулам:

N=V² - для ступенчатого профиля;

N=V²/2 - для градиентного профиля.

Для уменьшения числа мод следует уменьшить диаметр световода и разницу между показателями преломления сердцевины и оболочки. Геометрические размеры сердечника и оболочки являются важными параметрами световодов. У одномодового световода диаметр сердцевины задается таким, чтобы обеспечивались условия распространения только основной моды.

 

Расчет затухания световодов

 

Важнейшим параметром световода является затухание передаваемой энергии. Для заданных значений скорости передачи информации и вероятности ошибки мощность на входе фотодетектора должна быть больше некоторой определенной величины. Потери наряду с дисперсией определяют длину ретрансляционного участка волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), т.е. расстояние, на которое можно передавать сигнал без усиления. Данное расстояние соответствует расстоянию между НРП волоконно-оптической линии связи, размещенными на схеме трассы линии связи. В тех участках спектра, где существуют надежные источники излучения, световоды должны иметь минимально возможное затухание. Существуют две главные причины собственных потерь в световодах: поглощение и рассеяние энергии.

Затухание поглощения, связанное с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала световода . Расчет затухания поглощения производят по формуле, дБ/км:

, (3)

где λ - длина волны, м;

=10^-11 - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

В этой формуле приближенное вычисление объясняется тем, что показатели преломления и тангенс диэлектрических потерь зависят от частоты, а следовательно, и от длины волны, в связи с чем не могут быть заданы постоянными величинами при расчете.

Потери на рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Потери с увеличением длины волны уменьшаются. Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, а также тепловой флуктуацией преломления. Различают линейное и нелинейное рассеяние. При линейном рассеянии его мощность пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение потока энергии.

Потери на рассеяние, возникающие в результате флуктуации показателя преломления, называются рэлеевскими и определяются по формуле, дБ/км

, (4)

где λ - длина волны, мкм;

R_Р - коэффициент рассеяния, равный для кварца 1 дБ/км·мкм⁴ для одномодового световода и 1.5 дБ/км·мкм⁴ для многомодового световода.

Суммарное значение собственного затухания оптического волокна в общем случае

, (5)

где а _ПК - коэффициент затухания в инфракрасной области, расположенной в диапазоне длин волн свыше 1.6 мкм (для заданных длин волн не рассчитывается);

а _ПР - коэффициент затухания из-за наличия в материале волоконного световода посторонних примесей дБ/км (для многомодового и одномодового световодов приблизительно равен на λ= 0.85 мкм - 0.3 дБ/км, на λ =1.3 мкм - 0.1 дБ/км, на λ =1.55 мкм - 0.04 дБ/км).

Именно из-за нелинейности потерь а _ПР на заданных частотах за счет резонансных явлений возникают так называемые "окна" прозрачности световода, то есть существенное уменьшение собственного затухания оптического волокна при длинах волн 0.85, 1.3 и 1.55 мкм. Поэтому передача по ОК осуществляется именно на данных длинах волн. После расчета собственного затухания световода а _С, полученное значение необходимо сравнить с его верхней границей, указанной в маркировке кабеля ив дальнейших расчетах использовать наибольшее из них. Следует учитывать, что сравниваемые значения должны отличаться незначительно.

Кроме собственных потерь а _С надлежит учитывать также дополнительные

кабельные потери а _К. Они связаны с непостоянством размеров поперечного сечения волокна, наличием макро- и микроизгибов из-за скрутки, конструктивных и технологических неоднородностей и других причин. Установлено, что все кабельные потери существенно увеличивают затухание.

Приближенно а _К можно рассчитать по формуле, дБ/км

, (6)

где а _ГВ - дополнительное затухание за счет геометрии волокна (в среднем 0.15· а _С), дБ/км;

А_М - потери и на стыке оптических волокон в муфте (0.3 - на стык, дБ);

l _стр - протяженность строительной длины ОК, км.

Качество ввода зависит от соотношения площадей излучателя S_n и сердцевины световода S_c. Существенно качество ввода зависит и от апертуры световода (NÀ), т.к. только в пределах апертурного угла излучение эффективно вводится в световод. Обычно площадь излучателя больше площади сердцевины световода, поэтому не вся излучаемая энергия поступает в оптический тракт.

Потери энергии на вводе вычисляются по формуле, дБ,

, (7)

где m - коэффициент, учитывающийся при расчете энергетического потенциала аппаратуры.

Для расчетов могут быть приняты следующие данные: S_n - 3×50 мкм для лазера; 5×100 мкм для светодиода; мкм, где а - радиус сердцевины световода, мкм; m=2 для светодиода; m=10 для лазера.

Повышение эффективности ввода излучения достигается за счет применения согласующего оптического устройства в виде увеличительной линзы (или комбинации линз), которая устанавливается между излучателем и торцом световода. Эффективность согласующих устройств можно определить по справочным данным. В современных системах волоконно-оптической передачи благодаря применению излучателей с оптимальной диаграммой направленности и правильному их согласованию со световодом потери энергии при вводе не превышают 4% от мощности источника. Поэтому, учитывая дополнительные потери в разъемных и неразъемных соединениях на стыке аппаратуры и ОК, торцевые потери вычисляют:

, (8)

где q - поправочный коэффициент, равный 0.2 для многомодового световода и 0.1 для одномодового световода.

 

 

Расчет дисперсии световодов

 

В световоде при передаче импульсных сигналов (отличающихся друг от друга различной мощностью) после прохождения ими некоторого расстояния световые импульсы искажаются и расширяются во времени, т. е. время подачи одного импульса увеличивается. В результате наступает такой момент, когда соседние импульсы начинают перекрывать друг друга. Данное явление в теории световодов называют дисперсией.

Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивает длину ретрансляционного участка. Дисперсия ограничивает пропускную способность ВОЛС, которая предопределяет полосу частот АР, пропускаемую световодом, ширину линейного тракта и соответственно объем информации, который можно передать по ОК. Уширение определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе кабеля, нс/км:

. (9)

Причем значения берутся на уровне половины амплитуды импульсов.

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования световодов, она существенно снижает дальность передачи по ОК, т.к. чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса. Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и появление спектра , существование большого числа мод N. Первая называется хроматической (частотной) дисперсией, которая делится на материальную и волновую. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны. Волновая дисперсия обусловлена процессами внутри моды и связана со световодной структурой моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны. Кодовая дисперсия объясняется наличием большого числа мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой , материальной и волновой дисперсий определяется по формуле:

. (10)

Данная формула справедлива для многомодовых световодов. В одномодовых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляются волновая и материальная дисперсии:

. (11)

В приложении 2 приведены результаты расчета дисперсии. Следует при помощи имеющихся данных рассчитать результирующее значение дисперсии для заданного световода.

Дисперсия проявляется по-разному в различных типах волоконных световодов. В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая значений порядка 102-107 нс/км. В одномодовых ступенчатых световодах волновая и материальная дисперсии практически равны по абсолютной величине и противоположны по фазе. В силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия при λ = 1.2-1.7 мкм не превышает 1 нс/км.

В градиентных световодах происходит выравнивание времени распространения различных мод, и определяющим является дисперсия материала, которая уменьшается с увеличением длины волны.

Сравнивая дисперсионные характеристики световодов, можно отметить, что лучшими параметрами обладают одномодовые световоды. Хорошие данные также у градиентных световодов с плавным изменением показателей преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов. Это объясняется следующим.

В ступенчатом многомодовом световоде лучи зигзагообразно отражаются от границы "сердечник-оболочка". Причем пути следования лучей различны, поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала. В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям. Лучи, находящиеся близко от оси световода, проходят меньший путь в области с большим показателем преломления, а периферийные лучи имеют больший путь в среде с меньшим показателем преломления. В результате скорость распространения различных лучей выравнивается и они приходят к концу линии практически в одинаковое время. Вследствие этого искажения передаваемого сигнала в градиентных световодах меньше, чем в ступенчатых.

В пояснительной записке следует:

1. Привести подробный расчет параметров волоконного световода с указанием всех промежуточных значений и обоснованием используемых в расчетах показателей.

2. Составить сводную таблицу 5 результатов расчета.

 

Таблица 5 – Результаты расчета параметров световода

Параметры всетовода
NА	V, Гц	N	ап, дБ/км	ар, дБ/км	ас, дБ/км	ак, дБ/км	авв, дБ	ат, дБ	τ, мс/км