Практические / Пр3-Р
.pdf
Дисциплина НТС Практическая работа № 3-Р
Расчет затухания и дисперсии оптического волокна
Требования к оформлению
1.Условие задания и исходные данные своего варианта переписываются полностью и помещаются перед решением задания.
2.Расчетные формулы приводятся в том виде, как они даны в методических указаниях или основном учебнике. Ссылка на номер формулы при этом обязательна. Если требуется рассчитать заданный параметр в диапазоне частот, то он подробно рассчитывается на одной частоте с обязательной подстановкой численных значений входящих в формулу параметров. На других частотах приводятся в форме таблиц только окончательные значения расчетного параметра.
3.Результаты расчетов обязательно сравниваются с нормами, если рассчитываемый параметр нормируется и указывается размерность каждого рассчитываемого параметра.
4.Все страницы, чертежи, рисунки и таблицы должны соответствовать требованиям предъявляемым к оформлению ВКР бакалавра, которые опубликованы на сайте МТУСИ.
5.В конце работы приводится список использованных источников с указанием издательства и года издания. Методические указания также входят в этот список.
ЗАДАНИЕ
Рассчитать затухание и дисперсии оптического волокна для заданных параметров, исходные данные взять из таблиц 1 - 4.
Номер варианта задания определяется двумя последними цифрами номера студенческого билета. Например, если номер студенческого билета No 22175, то вариант задания 75.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1 – Исходные данные
Предпоследняя цифра студенческого билета
Параметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
λ, нм |
810 |
950 |
1100 |
1200 |
1300 |
1310 |
1400 |
1500 |
1550 |
1680 |
Таблица 2 – Исходные данные
Последняя цифра студенческого билета
Параметр
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
n1 |
1,41 |
1,42 |
1,43 |
1,44 |
1,45 |
1,46 |
1,47 |
1,48 |
1,49 |
1,50 |
tgδ |
2·10-12 |
3·10- |
4·10- |
5·10- |
6·10- |
7·10- |
8·10- |
9·10- |
10-11 |
2·10- |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
11 |
1
Таблица 3 – Исходные данные |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Параметр |
|
|
Предпоследняя цифра студенческого билета |
|
|
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
||
|
|||||||||||
Δλ, нм |
1 |
2 |
3 |
20 |
25 |
30 |
35 |
3 |
2 |
1 |
|
L, км |
10 |
12 |
14 |
16 |
17 |
18 |
20 |
22 |
24 |
26 |
|
Таблица 4 – Исходные данные |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Параметр |
|
|
Последняя цифра студенческого билета |
|
|
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
||
|
|||||||||||
λ, нм |
1000 |
1200 |
1300 |
1400 |
1550 |
1600 |
1800 |
1600 |
1550 |
1400 |
|
М(λ), |
40 |
10 |
-5 |
-5 |
-18 |
-20 |
-25 |
-20 |
-18 |
-5 |
|
пс/(км.нм) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В(λ), |
6 |
7 |
8 |
8 |
12 |
14 |
16 |
14 |
12 |
8 |
|
пс/(км.нм) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
П(λ), |
0 |
1,5 |
2,5 |
4 |
5,5 |
6,5 |
7,5 |
6,5 |
5,5 |
4 |
|
пс/(км.нм) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Методические указания к выполнению
Затухание является важнейшим параметром оптических кабелей (ОК). Затухание в оптическом волокне – это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны.
Затухание в ОВ выражается в дБ. Коэффициент затухания ОВ – это затухание на единице длины волокна, выражается в дБ/км.
Затухание в оптическом волокне
|
|
|
|
|
Затухание ОВ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
= с + к |
||||
|
|
Собственные потери с |
|
|
|
Кабельные потери к |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Потери на поглощении П |
|
|
|
Потери на рассеянии Р |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||||||
с = П + Р
Рисунок 1 – Затухание в оптическом волокне
Затухание обусловлено собственными потерями с в оптическом волокне и дополнительными потерями к, называемыми кабельными, обусловленными скруткой, деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления ОК (рисунок 1).
= с + к.
2
Собственные потери оптического волокна складываются из потерь поглощенияП и потерь рассеяния Р :
|
|
|
. |
(1) |
Потери, возникающие при |
распространении сигнала в волокне, объясняются тем, |
|||
с = П |
+ Р |
|
|
|
что часть мощности, поступающей на вход, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на неоднородностях, а другая часть мощности поглощается как самим материалом оптического волокна, так и примесями в его составе. Суммарно потери определяются выражением:
= П + Р + пр + к. Потери при рассеянии излучения в оптическом волокне:
Р = |
(,*(∙,-!./"#012 |
, |
(2) |
3$ |
|
где n1 – показатель преломления сердцевины (таблица 2); λ - длина волны (таблица 1), м;
|
= 1,38·10-23, Дж/К – постоянная Больцмана; |
|
= 8,1·10-11, м2/Н – коэффициент сжимаемости для кварца; |
|
|
|
= 1 500 К – температура затвердевания стекла при вытяжке. |
|
|
Потери при поглощении мощности излучения оптическим волокном: |
|
|
П = 8,69 -3/" , |
(3) |
где λ - длина волны, км; |
|
|
tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь в оптическом волокне (таблица 2).
Дисперсия в оптическом волокне
Дисперсия
Модовая |
|
Хроматическая |
|
Поляризационная |
τ |
|
τ |
|
τ |
мод |
|
хром |
|
пол |
Материальная |
|
Волноводная |
|
Профильная |
τ |
|
τ |
|
τ |
мат |
|
вв |
|
пр |
Рисунок 2 – Дисперсия в оптическом волокне
Одним из важных явлений процесса распространения импульсных сигналов по оптическим кабелям является дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ, а в конечном счете – к ограничению пропускной способности кабеля (рисунок 2).
Уширение импульсов возникает и при прохождении сигнала через соединители, модулирующие, демодулирующие устройства. Но наибольшие искажения в сигнал вносит оптический кабель.
Существует целая группа причин возникновения дисперсии.
3
Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Следует раздельно рассматривать процесс возникновения модовой дисперсии в ступенчатых и градиентных волокнах.
Хроматическая (частотная) дисперсия. Данная дисперсия вызвана наличием спектра частот у источника излучения, характером диаграммы направленности и его некогерентностью. Хроматическая дисперсия, в свою очередь, делится на материальную, волноводную и профильную (для реальных волокон).
Материальная дисперсия довольно значительно проявляется при применении некогерентного источника излучения. Данная дисперсия объясняется тем, что коэффициент преломления материала волокна изменяется с длиной волны = ( ).
Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициент распространения моды от длины волны.
Причинами возникновения профильной дисперсии являются малые поперечные и продольные отклонения геометрических размеров и формы волокна (например, небольшая эллиптичность поперечного сечения волокна).
В данной работе будем рассматривать только хроматическую дисперсию, которая определяется суммой материальной, волноводной и профильной дисперсий, размерность в пс:
хром = мат + вв +, пр, |
(4) |
(5) |
|
мат = ∙ ∙ М(, ) |
(6) |
вв = ∙ ∙ В( ), |
(7) |
пр = ∙ ∙ П( ) |
|
где Δλ - ширина спектра излучения источника, обычно соответствует для лазерного излучателя 1-3 нм и для светоизлучающих диодов 20-40 нм (таблица 3);
L – длина линии, км (таблица 3);
М(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(км.нм) (таблица 4); В(λ) – удельная волноводная дисперсия, пс/(км.нм) (таблица 4); П(λ) – удельная профильная дисперсия, пс/(км.нм) (таблица 4).
Порядок выполнения задания
•Для исходных данных варианта, используя формулы (2), (3) и (1), рассчитайте затухание сигнала в оптическом волокне.
•Используя формулы (5), (6), (7) и (4), рассчитайте хроматическую дисперсию для оптического волокна. Определите какой вид дисперсии является преобладающим.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.Дементьев, А. Н. Направляющие системы связи : учебное пособие / А. Н. Дементьев, Н. А. Трефилов, А. В. Шпак. — Москва : РТУ МИРЭА, 2023. — 99 с. — ISBN 978-5- 7339-1691-0. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/329012
2.Э.Л. Портнов Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконнооптических линий связи: Учебное пособие для вузов М.: Горячая линия -Телеком, 2018.
– 464 с.
4
3.Э.Л. Портнов Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи: Учебное пособие для вузов М.: Горячая линия-Телеком, 2017. – 544 с.
4.Э.Л. Портнов Волоконная оптика в телекоммуникациях: Учебное пособие для вузов М.: Горячая линия-Телеком, 2018. – 392 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1.4 из [2] - Скорости передачи систем СЦИ уровней СТМ- 1...СТМ-256
5