Взаимные влияния и помехозащищенность цепей в линиях связи

Влияния в оптических кабелях

Взаимные влияния между ОВ (световодами) оптических кабелей связи вызываются следующими причинами:

• воздействием регулярного электромагнитного поля излучения соседних ОВ;

• отражением световых сигналов от неоднородностей в волокне и излучением отраженных волн в окружающее пространство;

• микро- и макроизгибами ОВ, которые также вызывают излучение электромагнитных волн;

• излучением энергии сигналов в местах сращивания оптических волокон, их коммутации, разветвления и фильтрации;

• рэлеевским рассеянием в оптических волокнах.

Электромагнитное поле световодов имеет в основном закрытый характер, т. е. почти вся энергия сигнала распространяется в сердечнике ОВ. Лишь небольшая часть ее проходит по оболочке волокна (рис.27).

Рис. 27. Кривые распределения энергии световых сигналов в поперечном сечении оптического кабеля: 1— сердечник; 2—оболочка

Функция распределения интенсивности поля в оболочке ОВ в зависимости от радиуса оболочки имеет сходный характер с функцией распределения энергии поля во внешнем проводнике коаксиального кабеля при резко выраженном поверхностном эффекте (когда >5). Таким образом, по аналогии с коаксиальным кабелем можно говорить о “поверхностном эффекте” в оболочке ОВ.

Вследствие ограниченной когерентности оптических источников — полупроводниковых лазеров (ПЛ) и светодиодов (СД) спектр несущего колебания чрезвычайно широк. Так, у полупроводниковых лазеров =300...1200 ГГц, что соответствует отношению =0,1...0,4%, у светодиодов =10...15 ГГц при =3...4%. Если принять, что спектр информационных сигналов<3О ГГц, то и при этом условии спектр модулируемого излучения будет намного превышать спектр сигнала, т.е. . Поэтому распределение интенсивности поля в оболочке оптического волокна практически определяется длиной волны несущего колебания и шириной спектра излучателя. С увеличением длины волны или с уменьшением радиуса сердечника (r) глубина проникновения света в оболочку возрастает. В результате, если , световод становится открытой системой, т. е. поле мод, распространяющихся по ОВI (см. рис. 27), захватывает сердцевину ОВII и наоборот.

Таким образом, в отличие от обычных ЛС взаимные влияния между волокнами ОК практически не зависят от спектра информационных сигналов, а определяются конструкцией ОК и ОВ, а также параметрами источников излучения. Наибольшие влияния между ОВ имеют место в объектовых ОК, характеризующихся большим числом ОВ, плотным их расположением и малыми толщинами оболочек и защитных покровов, и в системах передачи, использующих светодиоды, поскольку их полоса излучения () в 15...20 раз шире, чем у полупроводниковых лазеров.

Для создания заметной связи частота мод должна быть близка к критической. Значительная часть их полной мощности распространяется в покрытии ОВ в виде поверхностной волны (при ) либо вытекающей (при ), поэтому коэффициент затухания этих мод существенно выше, чем у остальных, и в установившемся модовом режиме они выбывают. В результате регулярная связь между световодами практически отсутствует из-за избирательного поглощения тех групп мод, между которыми она могла бы осуществиться.

Нерегулярные связи между световодами ОК возникают главным образом вследствие рассеяния на молекулярных неодно-родностях (рассеяние Рэлея), нерегулярностях границы между сердечником и оболочкой и на микроизгибах. Эти поля являются основной причиной возникновения взаимных помех.

Рассеянию Рэлея подвержены все распространяющиеся моды примерно в одинаковой степени. Микроизгибы и микронеоднородности приводят преимущественно к излучению мод с высшими граничными частотами и одновременно создают связи между всеми направляющими модами. Интенсивность каждого механизма рассеяния определим величиной, соответствующей составляющей коэффициента затухания , а его характер—диаграммой направленности рассеянного излучения по мощности (рис.28) на i-й неоднородности.

Рис.28. Схема образования влияний между световодами

Общий коэффициент затухания рассеяния .

Рассмотрим связь между световодами за счет i-го рассеяния в первом ОВ и -го—во втором (рис.2). Диаграмма направленности рассеяния описывает в соответствии с принципом взаимности одновременно и диаграмму направленности приема. Диаграммы направленности излучений из оптических волокон зависят от причины рассеяния.

Рассеяние на микроизгибах и микроскопических нерегулярностях имеет выраженную направленность в сторону распространения волны и аппроксимируется уравнениями

;

. (*)

Уравнение диаграммы направленности молекулярного рассеяния Рэлея:

.

В (*) т—число лепестков диаграммы направленности в первом квадранте; —угол между осью оптического волокна и максимумом главного лепестка диаграммы направленности, соответствует

Рис.29. Диаграммы направленности для рассеяния Рэлея (а), микроскопических неоднородностей (б)

первому экстремуму (*) и . Рассеяние Рэлея по диаграммам направленности наиболее опасно, так как при нем рассеянная мощность проходит в покрытии оптических волокон минимальный путь. Существенная доля взаимных помех определяется и рассеянием на макро- и микроизгибах.

На рис.29 для примера показаны суммарные диаграммы направленности для рассеяния Рэлея (кривая а) и для рассеяния микроскопических неоднородностей при т=6 (кривая б). Кривая а во втором квадранте симметрична показанной в первом квадранте, потому что рассеяния Рэлея в прямом и обратном направлениях одинаковы.

Процесс вычисления переходных затуханий на ближнем и дальнем концах ВОЛС весьма сложен и выполняется обычно с помощью ЭВМ. Переходные затухания, дБ, вычисляются по формулам

,

где и  — мощность светового сигнала на ближнем и дальнем концах первой линии; и — мощность помехи на ближнем и дальнем концах второй линии.

Влияние на ближнем конце создается обратным рассеянием, интенсивость которого характеризуется так называемым коэффициентом связи обратной волны влияющего световода с сердцевиной световода, подверженного влиянию. На дальнем конце помехи создаются рассеянием, характеризующимся коэффициентом связи с прямой волной влияющего световода и сердцевиной световода, подверженного влиянию.

Экспериментальные исследования показывают, что некачественно выполненные стыки между строительными длинами ОК могут быть причиной создания нежелательных связей между световодами. Часто уровень помех, наводимых в стыках, значительно превышает уровень помех на регулярных участках линии.

Таким образом, взаимные влияния в ОК связи представляют собой случайные величины и при необходимости их значения должны определяться путем проведения измерения переходных затуханий.

Защита оптических трактов от взаимных помех

Взаимные влияния между световодами ОК вследствие самоэкранирования направляющей системы, образуемой ОВ, весьма незначительны и носят в основном случайный характер. Эти влияния еще более ослабляются вследствие экранирующего действия защитных покрытий из полиамидных смол, фторопласта, селиковых резин, полиэтилена и других синтетических материалов, предназначенных в основном для усиления механической прочности ОВ, их защиты от внешних воздействий, улучшения температурных характеристик параметров передачи ОВ, облегчения технологии изготовления ОК и монтажа ОВ. Одновременно эти защитные оболочки, а также раздельное размещение ОВ в оптическом кабеле повышают защищенность оптических трактов от взаимных помех. Для оценки степени дополнительной защиты световодных трактов от взаимных помех определим прохождение волны через систему “оболочка— покрытие”. Рассмотрим наиболее неблагоприятную с точки зрения взаимных влияний конструкцию ОК, когда ОВ скручены в повивную скрутку так, что расстояние между ними определяется двойной толщиной защитного покрытия (рис.30), а передача сигналов осуществляется во встречных направлениях.

Рис.30. Схема расположения оптических волокон в ОК

Если защитные покрытия ОВ соприкасаются друг с другом (наиболее неблагоприятный случай), то электромагнитная волна при прохождении через защитное покрытие пройдет через две границы отражения: оболочка ОВ I()—покрытие (); покрытие ()—оболочка ОВ II(). Здесь п — показатель преломления среды . В защитном покрытии происходит затухание электромагнитных волн вследствие поглощения энергии () и возникают дополнительные потери за счет взаимодействия многократно отраженных волн ().

Таким образом, ,

где и — коэффициенты ослабления поля вследствие отражения.

Основное ослабление влияющей волны происходит за счет поглощения энергии в защитном покрытии, величина которого

где , дБ/м; —угол диэлектрических потерь материала диэлектрического покрытия;  — толщина защитного покрытия ОВ; —волновое число; —длина волны, м ; —показатель преломления покрытия.