2.4 Построение схемы энергетического баланса

Основным элементом оптического кабеля является волоконныйсветовод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконныйсветовод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n₁ и n₂.

Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших условий отражения на границе сердцевина оболочка и защита от помех из окружающего пространства.

Магистральные кабели предназначаются для передачи информации на большие расстояния и на большое число каналов. Они должны обладать малыми затуханиями и дисперсией и большой информационно — пропускной способностью⁹.

Оптический кабель характеризуется следующими параметрами:

1) относительная разность показателей преломления:

Δ=(n₁²-n₂²)/(2n₁²) 0,007 = (1,497² —n₂²)/ (2 ∙ 1,497²);

n₂=1,487

2) абсолютная разность показателей преломления

Δn=n₁-n₂=1,497—1,487=0,01

3) числовая апертура, которая характеризует световод с точки зрения условий ввода излучения в световод (ширина диаграммы направленности излучений источника) и вывода излучения из световода, которое определяет чувствительность фотоприемника.

NА =sinφ_a=√n₁²-n₂² = 0,15742.

Так как NA<0,2, то необходимо использовать низкотемпературные волокна.

4) нормированная или характеристическая частота: является важнейшим обобщенным параметром волоконного световода, используемым для оценки его свойств. Это частота, при которой процесс передачи энергии по световоду прекращается и только одна одномодовая волна НЕ₁₁ не имеет критической частоты, для нее нормированная частота находится по формуле:

V=2 ∙ π ∙ a ∙ NA / λ= 2 ∙ 3,14 ∙ 5 ∙ 0,15742 / 1,55=3,2.

5) при определенной длине волны наступает такой режим, когда луч падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны и энергия вдоль не переносится. Это соответствует случаю критической длины волны λ_кр и критической частоты f_кр.

Тогда критическая частота определяется по формуле:

f_кр = 2,405с / (π ∙ d ∙ NA) = 2,405 ∙ 3 ∙ 10⁸/ З,14 ∙ 10 ∙ 10^-6 ∙ 0,15742 = 1,4б ∙ 10¹⁴Гц

При частоте выше критической вся энергия поля концентрируется внутри сердечника световода и эффективно распространяется вдоль нее. Ниже критической частоты энергия рассеивается в окружающем пространстве и не передается по световоду.

б) критическая длина волны

λ_{кр =} π ∙ d ∙ NA / (2,405 ∙ n₁) = З,14 ∙ 10 ∙ 10^-6 ∙ 0,15742 / (2,405 ∙ 1,497) =

=1,З7мкм.

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной, меньше, чем λ_кр = 1,37 мкм.

7) коэффициент затухания

Ослабление световодных трактов волоконно-оптических кабелей α обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (α_с) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (α_к).

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения(α_п) и потерь рассеяния(α_р). Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (α_пр) могут быть значительными.

Дополнительные потери в оптических кабелях обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления кабеля, скруткой, изгибами волокон и технологическими неоднородностями в процессе изготовления волокна.

Их классифицируют по следующим составляющим:

α ₁- вследствие микроизгибов;

α₂ - вследствие макроизгибов ОВ и других нарушений прямолинейности;

α₃ - за счет потерь в защитной оболочке;

α₄ - вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля

α₁= α_п + α_р дБ/км, где

α _п= 4,34 ∙ π ∙ n₁ ∙ tgδ / λ = 4,34 ∙ 3,14 ∙ 1,497 ∙ 10^-12 / (1,55 ∙ 10^-9) = 0,0132 дБ/км

α_р= К_р/ λ⁴ = 1,25/ 1,55⁴ = 0,2166 дБ/км.

tgδ- тангенс угла диэлектрических потерь световода,

К_р- коэффициент рассеяния, равный для кварца 1 1,5 дБмкм

В итоге получаем:

α = 0,0132 + 0,2166 = 0,2298 дБ/км

8) Дисперсия

Под дисперсией понимается увеличение длительности импульса оптического излучения при распространении его по оптическому волокну. Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и существование большого количества мод. Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) τ_хр, она состоит из двух составляющих - материальной τ_м и волноводной (внутримодовой) τ_в дисперсий. Причина хроматической дисперсии - некогерентность источника излучения. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны¹⁰.

Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) τ_мод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Уширение импульсов в результате дисперсии, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяемое как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечении световода на расстоянии от начала в 1 км, может быть рассчитано по формуле:

τ_рез = √τ_мод² + τ_хр² =√ τ_мод² + (τ +τ )²пс/км

В одномодовых ОВ модовая дисперсия отсутствует. Результирующее значение дисперсии определяется хроматической дисперсией.

τ _в = Δλ ∙ В(λ) пс/км; В(1,55 мкм) = 12 пс/(нм км); Δλ = 2,5 нм;

τ _в = 2,5 ∙ 12 =30 пс/км.

τ _м = Δλ ∙ М(λ) пс/км; М(1,55 мкм) = -18 пс/ (нм км);

τ_м = 2,5 ∙ (-18) = -45 пс/км.

τ_рез =15 пс/км.

9) максимальная ширина полосы пропускания (ΔF)

Она определяет объем информации, который можно передавать по ОК. Ограничение ЛЕ применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Полоса частот связана с дисперсией соотношением:

ΔF = 0,44 / τ _рез = 0,44 / (15 ∙ 10¹²) = 29,33 ГГц ∙ км.

10) Границы изменения фазовой скорости.

с/n₁ = 3 ∙ 10⁵ / 1,497 =200401 км/с;

с/n₂ = 3 ∙ 10⁵ / 1,487 =201749 км/с.

Учитывая рассчитанные параметры оптического кабеля, имеем магистральный оптический кабель ОКС-1

По мере распространения оптического сигнала по линии происходит снижение уровня мощности и увеличение дисперсии его составляющих во времени. Определение длины регенерационного участка ВОЛС производится на основе заданного качества связи и пропускной способности линии после того, как выбраны типовая система передачи (SТМ-1) и оптический кабель (ОКЛС ОЗ).

Качество связи в первом приближении определяется уровнем флуктуационных шумов на выходе фотоприемника и межсимвольной интерференцией, то есть перекрытием импульсов при их уширении. С ростом длины линии уширение импульсов увеличивается и вероятность ошибки возрастает. Таким образом, длина регенерационного участка l_р ограничивается либо ослаблением, либо уширением импульса в линии для безискаженного приема сигналов достаточно выполнить требование:

L_в= О,44/(τ_р∙ F_т) = 0,44/ (15 ∙ 10¹² ∙ 155,52 ∙ 10⁶) = 188,6 км.

F_т - тактовая частота (скорость передачи линейного сигнала для ВОСП SТМ-1, равная 155,520 Мбит/с).

Длину регенерационного участка, определяемого затуханием линии, можно определить по следующей формуле:

L_pmax< (A_max – 2 ∙ a_ps - M)/(α + a_нс/l_стр)=(39 – 2 ∙ 0,5 – 7)/(0,23 + 0,1/2)=31/0,28= 110 км,

L_pmin> А_min / (α + a_нс/l_стр) = 7 /(0,23 + 0,1/2) = 7 / 0,28 = 25 км; где

А_max, А_min (дБ) - максимальное и минимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры ВОЛС, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более чем 1∙10 ^-10

α (дБ/км) — километрическое затухание в ОВ кабеля.

a_нс(дБ) — среднее значение затухания на стыке между строительными длинами на участке регенерации.

a_рс (дБ) — затухание разъемного оптического соединителя.

l_стр (км) — среднее значение строительной длины.

Рассчитанную длину регенерационного участка будем учитывать при распределении НРП и ОУП на нашей трассе Кострома — Галич.