Методические указания к выполнению задания 1 и краткая теория вопроса

Важной характеристикой световода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), которая представляет собой синус от апертурного угла (θ_А). Апертурный угол - это угол между оптической осью и одной из образующих оптического конуса, воздействующего на торец световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Числовая апертура характеризует эффективность ввода (вывода) световой энергии в оптическое волокно. Расчет числовой апертуры производится по формуле:

,                                                                         (3.1)

где  - показатель преломления сердцевины оптического волокна;

- показатель преломления оболочки волокна.

Оболочку оптического волокна изготавливают из окиси кварца. А сердцевина волокна изготавливается из того же материала, к которому для увеличения коэффициента преломления добавляются специальные присадки. Поэтому всегда чуть больше на величину . Значения  и заданы в таблице 3.1.

Значение  определяется с учетом заданного соотношения между  и по формуле:

,                                                                       (3.2)

где    - заданное превышение  над  в процентах.

Режим работы оптического волокна оценивается значением обобщенного параметра, называемого нормированной частотой.

Расчет нормированной частоты производится по формуле:

,                                                                           (3.3)

где       a - радиус сердцевины ОВ, мкм;

      - рабочая длина волны, мкм;

числовая апертура.

Если  - режим работы ОВ одномодовый, при  - режим работы многомодовый.

 

Пример выполнения задания 1

 

Задание 1

Рассчитать параметры оптического волокна: числовую апертуру, нормированную частоту и определить, в каком режиме будет работать данное волокно – одномодовом или многомодовом режиме.

Расчёт необходимо произвести для двух рабочих длин волн: 1,55 мкм и 1,31 мкм.

Исходные данные ( для варианта 0): =1.46; =0,2; диаметр сердцевины ОВ равен 10 мкм.

Решение:

По формуле 3.2 рассчитаем коэффициент преломления сердцевины волокна:

                                                                               (3.2)

=(1+0,2/100) ∙1,46 =1,4629

где    - заданное превышение  над  в процентах.

 

Затем рассчитаем числовую апертуру по формуле 3.1:

,                                                                              (1.1)

где   - показатель преломления сердцевины оптического волокна;

       - показатель преломления оболочки волокна.

Расчет нормированной частоты производится по формуле 3.3:

,                                                                                (3.3)

где       a - радиус сердцевины ОВ, мкм;

      - рабочая длина волны, мкм;

числовая апертура.

В исходных данных задан диаметр сердцевины, равный 10 мкм, а значит, радиус сердцевины ОВ равен 5 мкм. Расчёт этого параметра производится для двух длин волн.

Для рабочей длины волны 1,31 мкм (второе окно прозрачности) нормированная частота будет иметь значение:

Для рабочей длины волны 1,55 мкм (третье окно прозрачности) нормированная частота будет иметь значение:

Так как для обеих рабочих длин волн нормированная частота – то это означает, что режим работы оптического волокна одномодовый.

 

 

Задание 2

 

Рассчитать общее затухание  сигнала в оптическом волокне.

В качестве коэффициента преломления сердцевины оптического волокна следует взять значение n₁, рассчитанное в задании 1. Значение кабельных потерь взять из таблицы 1.2.

Расчёт необходимо общего затухания ОВ необходимо произвести для двух рабочих длин волн: 1,55 мкм и 1,31 мкм. Расчёт в данной задаче необходимо выполнять с точностью до пяти знаков после запятой.

Номер варианта в этом задании определяется по последней цифре шифра студента.

Таблица 3.2 – Значения кабельных потерь в дБ для различных вариантов контрольной работы

Номер варианта контрольной работы	0 – 1	2 – 3	4– 5	6 – 7	8 – 9
, дБ	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07

 

 

Методические указания к выполнению задания 2, краткая теория вопроса и пример выполнения задания 2 для варианта 0

 

Общее затухание сигнала в ОВ обусловлено собственными потерями мощности в ОВ  и кабельными потерями, т.е.

,                                                                   (3.4)                                                 Собственные потери мощности в ОВ рассчитываются по формуле 1.5:

,                                                                           (3.5)

где:  затухание, возникающее из-за поглощения света в ОВ, дБ/км;

затухание, возникающее из-за рассеяния света в ОВ, дБ/км.

Затухание вследствие поглощения обусловлено потерями на диэлектрическую поляризацию молекул, рассчитывается по формуле:

дБ/км,                                                    (3.6)                                                                       

где:  показатель преломления сердцевины (значение  рассчитано в задании 1, для варианта 0: =1,4629);

        длина волны в километрах; 

       тангенс угла диэлектрических потерь, берется равным .

Ниже приведён пример расчёта потерь на поглощения для варианта 0 для длины волны 1,31 мкм. Воспользуемся формулой 3.6:

 дБ/км,

Ниже приведён пример расчёта потерь на поглощения для варианта 0 для длины волны 1,55 мкм.

 дБ/км,

Затухание рассеяния обусловлено неоднородностями материала оптического волокна, размеры которых меньше длины волны.

Затухание рассеяния рассчитывается по формуле:

дБ/км,                                  (3.7)                                                           

где:  показатель преломления сердцевины;

      длина волны в километрах;

       K – постоянная Больцмана, , Дж/К;

       Т – температура перехода стекла в твердую фазу, Т=1500°К;

       χ – коэффициент сжимаемости, ,м²/Н.

Ниже приведён пример расчёта потерь на рассеяние света для варианта 0 для длины волны 1,31 мкм. Воспользуемся формулой 3.7:

 дБ/км.

Ниже приведён пример расчёта потерь на рассеяние света для варианта 0 для длины волны 1,55 мкм.

 дБ/км.

Рассчитаем собственные потери в волокне по формуле 1.5 на длине волны 1,31 мкм:

 дБ/км.

Рассчитаем собственные потери в волокне на длине волны 1,55 мкм:

 дБ/км.

Кабельные потери в ОВ обусловлены потерями на macro и micro изгибах, т.е деформацией ОВ в процессе изготовления, скруткой, изгибами волокон и т.д. Величина кабельных потерь для расчёта берётся из таблицы 3.2. Для варианта 0 эта величина составляет 0,03дБ.

дБ

Общее затухание сигнала для обеих длин волн рассчитываем по формуле 1.4. На длине волны 1,31 мкм общее затухание ОВ составит:

=0,30568+0,03=0,33568 дБ/км

На длине волны 1,55 мкм общее затухание ОВ составит:

=0,18045+0,03=0,21045 дБ/км

 

Вывод: Рассчитанное значение общего затухания ОВ на обеих длинах волн соответствует типовому значению для данного типа волокон.

 

Задание 3

 

Рассчитать  дисперсию оптического волокна

Расчёт дисперсии ОВ необходимо произвести для двух рабочих длин волн: 1,55 мкм и 1,31 мкм. Ширина спектра излучения лазера  берётся из таблицы 1.3 в соответствии с номером варианта.

Номер варианта для выполнения данного задания выбирается по сумме двух последних цифр шифра студента

Таблица 3.3 – Значения для различных вариантов

Номер варианта	0	1 – 2	3 – 4	5 – 6	7 – 8
, нм	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Номер варианта	9–10	11 –12	13 –14	15 –16	17 –18
, нм	1	0,6	0,7	0,01	0,05

 

Методические указания к выполнению задания 3, краткая теория вопроса и пример выполнения задания 3 для варианта 0

Дисперсия - рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала, приводящее к увеличению длительности импульсов на выходе волокна.

При этом ограничивается пропускная способность ОВ и снижается дальность передачи.

Дисперсия оптического тракта проявляется в увеличении длительности импульсов цифрового сигнала при передаче этого сигнала по линии связи. Увеличение длительности импульсов приводит к тому, что соседние импульсы начинают перекрывать друг друга, и через определённое количество километров определить наличие нуля или единицы по каждому тактовому интервалу становится затруднительно. С ростом скорости цифрового сигнала явление дисперсии сильно ограничивает дальность передачи.

        

 

Импульсы на входе оптического тракта

 

 

Импульсы на расстоянии L от начала ОВ

 

Импульсы на расстоянии 2L от начала ОВ

 

Рисунок 3.1 – дисперсия в оптическом волокне

 

Причинами дисперсии являются:

– существование большого количества мод;

– некогерентность источников излучения.

Дисперсия, обусловленная некогерентностью источника излучения, называется хроматической (частотной)  и состоит из двух составляющих – материальной  и волноводной  дисперсий. Материальная дисперсия связана с зависимостью показателя преломления от длины волны , а волноводная обусловлена зависимостью коэффициента распространения от длины волны .

Результирующая дисперсия, может быть рассчитана по формуле:

, пс/км,                                                                (3.8)

Наличие вертикальных чёрточек в формуле означает, что результат после суммирования берётся по модулю (без учёта знака).

 Материальная дисперсия оптического волокна определяется по формуле 3.9: 

, пс/км,                                                                (3.9)

где  – ширина спектра излучения источника излучения; Значение  берётся из таблицы 3.3.

М(l) – удельная дисперсия материала.

, км,                                                                  (3.10)

где  В(l) – удельная волноводная дисперсия.  

Значения удельных материальной и волноводной дисперсий для разных длин волн приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Значения М(l), В(l)

Длина волны l, мкм	0,6	0,8	1,0	1,2	1,31	1,4	1,55	1,6	1,8
М(l), пс/(км×нм)	400	125	40	10	-5	-5	-18	-20	-25
В(l), пс/(км×нм)	5	5	6	7	8	8	12	14	16

Для варианта 0 равна 0,1 нм.

Д ля рабочей длины волны 1,31 мкм расчёт дисперсии приведён ниже:

пс/км

пс/км

пс/км

Д ля рабочей длины волны 1,55 мкм расчёт дисперсии приведён ниже:

пс/км

пс/км

пс/км

Задание 4

 

Дать краткий и чёткий письменный ответ на один из поставленных вопросов. Объём ответа от трёх до шести страниц.

Номер вопроса соответствует последней цифре шифра студента.

 

1. Виды потерь в оптическом волокне и меры борьбы с ними

2. Что такое окна прозрачности ОВ, причины их возникновения, число окон, области использования разных окон прозрачности

3. Привести характеристики стандартных оптических волокон и волокон с уменьшенными потерями

4. Что такое дисперсия, ей виды и способы борьбы с дисперсией в ОВ

5. Как классифицируются одномодовые волокна по дисперсии. Стандарты G-652, G-653, G-655

6. Оптические волокна с уменьшенными потерями на изгибах, их характеристики и области применения

7. Что из себя представляют компенсаторы дисперсии, что они из себя представляют и как используются?

8. Многоволновые системы, что они из себя представляют и где применяются?

9. Классификация многоволновых систем. Их отличия друг от друга и области применение различных видов многоволновых систем.

0. Приборы для измерения мощности оптического сигнала и для определения места и характера повреждения в оптической линии связи

Задание 5

 

Рассчитать максимальную длину регенерационного участка (РУ) оптического кабеля.

 Расчёт дисперсии ОВ необходимо произвести для рабочей длинны волны, которая указана в таблице 3.6.

 

Методические указания к выполнению задания 5, краткая теория вопроса и пример выполнения задания 6 для варианта 0

По мере распространения оптического сигнала по световоду снижается уровень мощности сигнала и увеличивается дисперсия. При заданных параметрах регенераторов и оконечных устройств максимальная длина РУ определяется затуханием и дисперсией. Затухание ограничивает расстояние по потерям в линейном тракте, а дисперсия, приводящая к уширению импульсов, приводит к возникновению кодовых ошибок на приёме и снижению качества передаваемой информации.

Таким образом, при определении длины РУ необходимо выполнить два расчета:

– расчёт длины РУ по дисперсии;

– расчёт длины РУ по затуханию.

В качестве истинного значения длины РУ следует выбирать меньшее значение из двух рассчитанных значений.