3 Розрахунок основних параметрів кабелю
Вибір параметрів оптичного кабелю. Вихідні дані: діаметр серцевини світловоду 2а = 50 мкм, показник заломлення n1=1,52, n2=1,49; довжина хвилі λ=1,3 мкм;
Співвідношення коефіцієнтів заломлення:
Δ
=
=
=
0,02 (7)
Числова апертура:
NA
=
=
= 0,3 (8)
Нормована частота:
V
=
=
• 0,3 = 36 (9)
Число хвиль, що поширюються по світловоду визначаємо за формулою:
N
=
=
= 648, отже має місце багатомодова передача.
Критична
частота для хвилі H
(
= 2,405) :
=
, (10)
де
-
параметр, що характеризує тип хвилі, c
– швидкість світла, c = 3•
м / с
= 15,3•
Гц (11)
Критична довжина хвилі:
=
= 12,9 мкм (12)
Передача
світловодом хвилі довжиною 1,3мкм є
можливою, тому що виконується умова
> λ.
Волоконні світловоди характеризуються двома важливими параметрами: загасанням і дисперсією.
Загасання визначає довжину регенераційних ділянок ( відстані між регенераторами). Дисперсія призводить до спотворення імпульсів і обмеження смуги передачі по світловоду.
Коефіцієнт
загасання світловодних трактів оптичних
кабелів α обумовлений власними втратами
у волоконних світловодах
і додатковими втратами, що називаються
кабельними
і викликані деформацією та згинами
світловодів при накладені покриттів
та захисних оболонок в процесі виготовлення
оптичного кабелю : α =
.
Власні втрати волоконних світловодів
складаються, в першу чергу, з втрат на
поглинання
і втрат на розсіювання
.
Втрати на поглинання суттєво залежать
від чистоти матеріалу і за наявності
сторонніх домішок можуть досягати
значних величин:
+
Втрати
на розсіювання обмежують границі
мінімально допустимих значень втрат у
волоконних світловодах. В результаті:
= + + , (13)
де - загасання світловоду за рахунок втрат при поглинанні дБ/км;
- втрати у світловоді за рахунок сторонніх домішок, ці втрати не перевищують 0,1 дБ/км;
- втрати у світловоді зумовлені неоднорідністю матеріалу світловоду, залежать від матеріалу та робочої довжини хвилі дБ/км;;
Втрати енергії при поглинанні визначається за формулою (13):
=π
n tg
, (14)
де n =
– показник заломлення ; λ – довжина
хвилі нм; tg δ – тангенс кута діелектричних
втрат у світловоді. З формули (13) видно,
що частотна залежність загасання
поглинання має лінійний характер.
=
•
• 1,52 = 3,67•
= 3,2
.
Втрати на розсіювання визначаємо за формулою (14):
=
, (15)
де
=
1,5 мк
( для кварцу ) ; λ - довжина хвилі в мкм.
Це розсіювання являється релеєвським.
Воно зростає з частотою по закону
.
Втрати на релеєвське розсіювання визначають нижню межу втрат, що властиві волоконним світловодам. Ця межа різна для різних хвиль і з зростанням довжини хвилі зменшується.
=
= 0,52 дБ / км.
Загальні втрати :
α = 3,2+0,52 = 3,72 дБ / км.
Пропускна здатність оптичного кабелю суттєво залежить від типу і властивостей волоконних світловодів ( одномодові,багатомодові, градієнтні), а також від типу випромінювача (лазер, світлодіод). Дисперсія виникає по двом причинам: некогерентність джерел випромінювання ∆λ та існування великого число мод N.
Некогерентність випромінювача призводить до появи спектру ∆λ їх хроматичної дисперсії. Хроматична дисперсія ділиться на матеріальну і хвильову (внутрішньомодову). Величина збільшення величини імпульсу за рахунок модової дисперсії, що характеризується часом наростання сигналу і визначається як різниця між самим довшим і самим коротшим часом надходження променів в перерізі світловода на відстані l від початку, розраховується за формулами:
τ
=
=
l – для східчастих
світловодів, (16)
τ
=
=
l – для градієнтних
світловодів, (17)
де NA – числова
апертура, NA =
, ∆ = (
)
/
;
- показник заломлення сердечника;
- показники заломлення оболонки; l –
довжина світло-вода; c – швидкість світла
км ⁄ с.
Дисперсія для східчастого світловода довжиною 10 км :
τ =
= 1530 нс;
для градієнтних довжиною 10 км:
τ =
= 23нс,
Дисперсія градієнтного світловода суттєво менша ступінчастого.
Смуга пропускання для градієнтного світловоду визначається за формулою (14):
ΔF = 1/τ (18)
ΔF = 1/τ = 1/23 = 43,4 (ГГц)
Межі зміни фазової швидкості:
=
=
= 1,97•
(19)
=
=
= 2•
(20)
Межі зміни хвильового опору:
Zхв
mіn
=
= 376,7/1,52 = 247,8 (Oм) (21)
Zхв
max
=
= 376,7/1,49 =
252,8 (Oм)
(22)
Для вирішення питань проектування ВОЛЗ нам необхідно знати параметри, що визначають енергетичні показники систем передачі. Майже всі оптичні лінійні модулі різних цифрових та оптичних систем передачі незалежно від їх виробника мають стандартизовані показники, як наводяться в таблиці
Таблиця 3- Параметри, специфіковані для оптичних інтерфейсів
Назва параметру |
Значення параметру |
Одиниці вимірювання |
Рівень середньої потужності випромінювання: - максимальний - мінімальний |
+3 -2 |
дБ дБ |
Мінімальний рівень чутливості |
-27÷ -28 |
дБ |
Рекомендований діапазон загасання в лінійному тракті |
10 – 28 (STM1) -24 (STM16) |
дБ |
При виборі реального максимального загасання в оптичному лінійному тракті регенераційної ділянки (Амакс) рекомендується взяти різницю максимального рівня випромінювання (Рмакс випр) і мінімального рівня чутливості (Рмін чутл) і відняти від отриманого значення - значення запасу (Азап) на старіння ОВ, на можливість збільшення загасання ОВ за рахунок його ремонту (додаткові зварювання), та додаткові втрати (по довжині ОК) при прокладанні ОК. Величина запасу Азап = 6 -10дБ
Аmax = Рmax випр – Рmin чутл – Азап, дБ (23)
Аmax = 3 - (-27) – 10 = 20 дБ
Основні параметри, що визначають можливість організації зв’язку - це згасання сигналу (вимірюється на робочих діапазонах передачі 1310 та 1550нм), та хроматична дисперсія. Однією з причин виникнення дисперсії є залежність показника заломлення від довжини хвилі ( частоти). Як наслідок, хвилі з різною довжиною проходитимуть різний оптичний шлях.
На основі даних параметрів оптичних волокон з різними довжинами хвиль, що показані в таблиці 3, можна зробити висновок: загасання оптичного сигналу на довжині хвилі 1310 нм є більше ніж для хвилі з довжиною 1550 нм, але дисперсія на довжині 1310 нм набагато менша, а на певній довжині хвилі цього діапазону взагалі може дорівнювати 0. Виникає ситуація коли мінімум загасання та дисперсії знаходяться в різних діапазонах хвиль. Тому, щоб отримати в діапазоні 1550 нм меншу дисперсію, ОВ виготовляють по певній технології, результатом якої мінімум дисперсії зсовується у бік, наближеному до частоти (довжини хвилі) робочого діапазону.
Таблиця 3.1 - Основні параметри оптичних волокон
|
Назва параметру для волокна стандарту G655 типу NZDSF |
Одиниці вимірювання |
Значення параметру |
1 |
Загасання кілометричне на довжині хвилі 1310 |
дБ/км |
0.35 0.4 0.5 |
2 |
Загасання кілометричне на довжині хвилі 1550 |
дБ/км |
0.2 – 0.25 |
3 |
Хроматична дисперсія на довжині хвилі 1310 |
пс/(нм ·км) |
- 9 |
4 |
Хроматична дисперсія на довжині хвилі 1550 |
пс/(нм ·км) |
0.8 – 4.6 |