1.2 Конструкция и характеристика оптических кабелей связи

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько оптических волокон. Оптическое волокно (ОВ) – это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только оптоволокна, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси оптоволокна используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Оптическое волокно (ОВ) изготавливается обычно с внешним диаметром 100 – 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0.5 – 1.5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

а

n2

b

Рисунок 1

- Конструкция оптического волокна

Передача излучения по любому ОВ может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода

Если неравенство не удовлетворено, то в ОВ устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик оптического волокна (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого излучения. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

,где

- длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 – показатели преломления материалов ОВ.

Различают оптические волокна со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рисунок 2).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в ОВ зависят от частоты, то есть оптоволокно является дисперсной системой.

Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовое ОВ можно ввести большую мощность.

n2

n2

а

n2

b

n2

а

b

Рисунок 2

- Показатели преломления ступенчатого

и градиентного оптических волокон

1.4 Система передачи ИКМ-30-4

Технические данные

Система передачи	ИКМ-30-4
Число стандартных каналов ТЧ	30
Скорость передачи, кбит/с	2048
Линейный коды	MCMI
Тип оптического волокна	Многомодовые (МОВ)
Длина волны, мкм	1,3
Тип источника излучения	ЛД
Энергетический потенциал, дБм	39
Тип приемника излучения	ЛФД
Затухание ОВ, дБм/км	0,7
Максимальная длина регенерационного участка, км	35

Состав

В состав аппаратуры ИКМ-30-4, доукомплектованный блоками оборудования волоконного – оптического тракта ОЛТ-10 по ВОК, входят (рисунок 1):

Рисунок 1- Состав аппаратуры ИКМ-30-4

-блок оборудования канальных окончаний (ОКО-14), предназначенный для согласования канальных окончаний (ОКО-14), предназначенный для согласования устройств каналов ТЧ с оборудованием ТАС при использовании их в качестве соединительных линий;

- блок аналого-цифрового оборудования (АЦО-11);

- блок оборудования линейного тракта (ОЛТ-14), осуществляющий в тракте передачи преобразование параметров электрического сигнала к виду, удобному для его передачи, а в тракте приема – регенерацию и коррекцию электрического сигнала;

блок ОЛТ-10, состоящий из платы передачи, в которой происходит преобразование электрического сигнала в коде КВП-3 в оптический в коде MCMI, и платы приема, предназначенной для обратного преобразования;

-устройство сигнализации и обслуживания (УСО-01). Длина волны оптического излучения блока ОЛТ-10 составляет 1,3 мкм.

1.5 Технические характеристики ОКЗ-С-8(3,0)Сп-48(2)

Где:

1 - центральный силовой элемент

2. оптический модуль,

3. оптическое волокно

4. гидрофобный заполнитель

5. бандажная лента

6. внутренняя оболочка

7. водоблокирующий элемент

8. броня

9. внешняя оболочка

ОКЗ - С- оптический кабель защищен стальной гофрированной лентой для прокладки без дополнительной защиты в кабельную канализацию, 8 оптических модулей (3,0 - номинальный внешний диаметр); центральный силовой элемент -стеклопластиковый пруток или стальной трос; 48 стандартных одномодовых волокон. Защищен наружной полиэтиленовой оболочкой.

Предназначен для прокладки в коллекторах, тоннелях, зданиях и сооружениях.

Может прокладываться в кабельную канализацию без дополнительной защиты.

Устойчив к повреждению грызунами.

Кабели марки ОКЗ – С :

Число оптических волокон в кабеле, шт. 6—96

Число модулей в кабеле, шт. 6,8

Число оптических волокон в одном модуле, шт. 2, 4, 6, 8, 10, 12

Тип одномодовых G.652

оптических волокон G.653

по рекомендации ITU-T... G.655

Коэффициент затухания, дБ/км, на длине волны: X = 1310 нм X = 1550 нм < 0,36 < 0,22

Диапазон типовых значений длины волны отсечки, нм < 1270

Хроматическая дисперсия, пс/(нм • км), в диапазоне длин волн: X = 1285—1330 нм Х = 1525—1575 нм < 3,5 < 18,0

Номинальный наружный диаметр кабеля, мм 12,7—19,8

Температура эксплуатации, °С - 60+60

Температура монтажа, °С >-10

Строительная длина, км > 2,0

Расчетная масса кабеля, кг/км 182—349

Длительное допустимое растягивающее усилие, кН 1,5; 2,0; 3,0; 4,0

Прочность на разрыв, кН 3,0; 6,0; 10,0; 12,0

1.6 Расчёт длины регенерационного участка

Характеристики системы передачи " ИКМ-30-4"

Система передачи – ИКМ-30

Скорость передачи – 2 МБит/с

Длинна волны - 1,3 мкм

Энергетический потенциал – 39 дБ

Тип линейного кода – 1В2В

Тип источника излучения – Лазерный диод (ЛД)

Тип приемника излучения – PIN-FD

Тип оптического волокна - Одномодовое

Выбор оптического кабеля связи.

Оптические кабели (OK) 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.

Расчет параметров световодов.

Важной характеристикой световода является числовая апертура NA, 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 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 a - радиус сердечника световода, мкм;

А - длина волны, мкм;

NA - числовая апертура;

при V<2,405 можно передавать только одну моду в световоде.

Расчет затухания световода.

Важнейшим параметром световода является затухание передаваемой энергии. Для заданных значении 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, α_п связанное с потерями на диэлектри­ческую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно зави­сит от свойств материала световода tgδ.

Расчет затухания поглощения:

, (3)

где λ - длина волны, м;

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

дБ/км

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,

(4)

где λ - длина волны, мкм;

R_р - коэффициент рассеяния, равный для одномодового световода 1 дБ/км·мкм⁴

Суммарное значение собственного затухания оптического волок­на в общем случае

α_с=α_п+α_р+α_пк+α_пр (5)

где α_пк - коэффициент затухания в инфракрасной области, расположенной в диапазоне длин волн свыше 1,6 мкм;

α_пр - коэффициент, затухания из-за наличия в материале волоконного световода посторонних примесей, дБ/км (одномодового световодов приблизительно равен на λ=1,55 мкм – 0,04 дБ/км)

α_с=0,3+0,35+0,04=0,69 дБ/км

После расчета собственного затухания световода α_с полученное значение необходимо сравнить с его верхней границей, указан­ной в маркировке кабеля и в дальнейших расчетах использовать наи­большее из них.

Кроме собственных потерь α_с надлежит учитывать также дополнительные кабельные потери α_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 можно рассчитать,

(6)

где α_гв - дополнительное затухание за счет геометрии во­локна, (в среднем 0,15·α_с), дБ/км;

А_м - потери на стыке оптических волокон в муфте (0,3-на стык, дБ);

l_стр - протяженность строительной длины ОК, км.

дБ/км

Качество ввода зависит от соотношения площадей излучателя S_n и сердцевины световода S_c. Существенно качество ввода зависит и от апертуры световода (NA), 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

(7)

где m=10 для лазера;

S_c=π·а², мкм;

S_n=150 мкм.

дБ

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

α_т=g·α_вв (8)

где g - поправочный коэффициент, равный 0,1 для одномодового световода

α_т=0,1·16,36=1,64 дБ

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 ΔF, 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:

(9)

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 Δλ, 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. Модовая дисперсия объясняется наличием большого числа мод, каждая из которых расп­ространяется со своей скоростью. Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой τ_мод, материальной τ_мат и волновой τ_вв дисперсий. Для одномодовых световодов из-за отсутствия модовой дисперсии формула будет иметь вид:

τ=τ_о=τ_мат+τ_вв=-0,036+0,085=0,049 нс/км (10)

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.

Определение длины регенерационного участка на основе расчета затухания и дисперсии.

Длина регенерационного участка l_р.у ВОЛС определяется пе­редаточными характеристиками кабеля: его коэффициентом затухания α и дисперсией τ.

Затухание кабеля приводит к уменьшению подаваемой мощности, что соответственно лимитирует длину регенерационного участка. Дисперсия кабеля приводит к наложению передаваемых импульсов и как следствие к их искажению, и чем длиннее линия, тем больше вносимые искажения импульсов, что, в сою очередь, также накладывает ограничения на пропускную способность кабеля ΔF.

Длина регенерационного участка должна удовлетворять значения как затухания так и дисперсии. Поэтому производится расчет длинны регенерационного участка сначала исходя из допустимого значения по затуханию l^з_р.у, затем исходя из требуемых значений дисперсии и пропускной способности l^д_р.у. Из полученных двух значений длин регенерационного участка выбирается наименьшее значений как отвечающее условиям затухания и дисперсии.

Допустимая длинна регенерационного участка ВОЛС по затуханию определяется исходя из энергетического потенциала аппаратуры Э:

(11)

где А_з – энергетический запас системы (5 дБ)

км

Для расчета длины регенерационного участка по пропускной способности l^д_р.у определим расчетную пропускную способность световода на 1 км длины (Мбит·км/с):

(12)

где τ – дисперсия, нс/км.

бит·км/с

Длина регенерационного участка по пропускной способности l^д_р.у определяется из выражения:

(13)

(14)

где ΔF – скорость передачи волоконно-оптической системы, Мбит/с

км

Из полученных данных выбираем наименьшее значение l_р.у=37,32 км которое и будет значение длинны регенерационного участка.