3. Расчет параметров оптического волокна магистрального оптоволоконного кабеля
Основой волоконно-оптического кабеля являются волоконные световоды из кварцевого стекла. Кварцевое стекло отличается весьма низкой механической прочностью и устойчивостью к внешним атмосферным воздействиям. Поэтому все остальные элементы конструкции оптических кабелей предназначены для обеспечения защиты волокон от внешних механических воздействий и влаги в тех условиях эксплуатации, на которые рассчитан оптический кабель. Световод имеет цилиндрическую форму и состоит из ряда концентрических слоев, основными из которых являются сердцевина и оболочка.
Выбор материала для оптического волокна заключается в выборе коэффициентов преломления сердцевины и оболочки, которые зависят от длинны волны, на которой работает данный кабель и самой длинны кабеля. Так как оптические волокна выполняются из кварца SiO2, а необходимо, что бы сердцевина и оболочка имели разные показатели преломления, то в стекла вводят различные добавки. Стекла, применяемые для изготовления световодов, отличаются друг от друга показателями преломления n.
3.1 Расчет параметров многомодового оптического волокна
со ступенчатым профилем показателя преломления
В данной работе для многомодового оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления выбираем сердцевину из кварца с показателем преломления n1=1.4469 на длине волны 1.55 мкм, а светоотражающую оболочку - из кварца с добавлением бария (86.5% SiO2+13.5%B2O3), что позволяет уменьшить показатель преломления до n2=1.4454.
Числовая апертура характеризует эффективность ввода лучей в сердцевину оптического волокна. Она определяется значениями показателя преломления сердцевины и светоотражающей оболочки: чем больше разность между показателями преломления, тем выше эффективность ввода, тем больше лучей распространяется в сердцевине волокна. Наибольшая эффективность будет наблюдаться при отсутствии светоотражающей оболочки, то есть сердцевина в воздухе, эффективность ввода составляет 100% - все лучи упавшие на торец волокна будут распространяться в нем.
Расчет числовой апертуры:
n1=1.4469
n2=1.4454
(1)
Критический угол падения луча:
В случае когда светоотражающая оболочка отсутствует:
n2=1
Расчет многолучевой межмодовой дисперсии:
Многолучевая временная дисперсия – это разность времен распространения самого быстрого (осевого) и самого медленного (предельного) луча в сердцевине волокна. Эта дисперсия является следствием того, что эти лучи на входе волокна введены одновременно, а после прохождения даже небольшого расстояния до первого отражения имеют разные времена, так как проходят разные пути. И это приводит к увеличению длительности распространения оптического сигнала в волокне, причем, чем больше длина волокна, тем больше длительность, а это приводит к ограничению скорости передачи цифровых сигналов.
Дисперсия
зависит от оптических свойств сердцевины
и светоотражающей оболочки. Чем больше
разница показателей преломления тем
больше дисперсия. Наибольшее значение
соответствует волокну с сердцевиной
без светоотражающей оболочки – в
воздухе. Наименьшая разность показателей
преломления ограничивается чувствительностью
волокна к макро и микро изгибам, они
приводят к тому, что меняется угол
полного внутреннего отражения на границе
раздела сердцевина – светоотражающая
оболочка и лучи света покидают сердцевину
(уходят в оболочку). Поэтому конструкция
кабеля, у которого разность показателей
преломления наименьшая, должна быть
жесткой, то есть исключать макро изгибы.
Многолучевая временная дисперсия для
волокна без светоотражающей оболочки:
Многолучевая временная дисперсия для волокна со светоотражающей оболочкой:
Пропускная способность многомодового оптического волокна без светоотражающей оболочки:
Пропускная способность многомодового оптического волокна со светоотражающей оболочкой:
Мы прокладываем линию длиной 150 км. Как видно из расчета сигнал в многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления передается на расстояние 1,29 км, то есть при использовании такого волокна нам нужно будет через каждые 1,29 км ставить усилитель сигнала.
Номинальная частота:
Число мод:
