Расчет затухания в оптических линиях связи

 

ПРИДНЕСТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Т.Г. ШЕВЧЕНКО

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА  НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ И КВАНТОВОЙ РАДИОФИЗИКИ 

  
 
 
 
 
 
 

Лабораторная  работа №1 

Тема: «Расчет затухания в оптических линиях связи»

  
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                       ВЫПОЛНИЛА:

                                                                                                                

                                                                                                                                   

                                                                                                                              ПРОВЕРИЛА:  

                                                                                                                                        
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                        ТИРАСПОЛЬ, 2011 
 
 

Цель  работы: Рассчитать энергетические потери при стыковке 0В 

Теоретические данные 

Затухание

   Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями. На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении; потери на рассеянии; кабельные потери.

   Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями, рис.1.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Основные типы потерь в волокне 

   Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы: α=αint+αrad=αabs+αsct+αrad

   Потери на поглощении αabs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощение света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет в определенных (присущих данной примеси) длинах волн рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь, рис.2. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям OH-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

   Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис.2.

   Потери на рассеянии αsct . Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны .800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.

   Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону λ-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн, рис.2. коротких длин волн, рис.2.

   Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения. Внутренние потери хорошо интерполируются формулой:

α=Krelλ-4+δOH(λ)+Ce-k/λ , где δOH(λ) отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению  соответственно Krel=0,8 мкм4* дБ/км; С = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены для кварца). На рис.3 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.2. Факторы, влияющие на затухание в области  длины волны 1500 нм (по материалам фирмы Corning Optical Fiber) 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.3. Собственные  потери в оптическом волокне

  

   Кабельные (радиационные) потери αrad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК. 
 

Пассивные оптические компоненты

   Пассивные оптические компоненты включают в себя оптические соединители, розетки, шнуры, распределительные панели, кроссовые шкафы, соединительные муфты, оптические разветвители, аттенюаторы, системы спектрального уплотнения и т.д., то есть все, что необходимо для обеспечения передачи оптического сигнала по волоконно-оптическому кабелю с передатчика к приемнику.

   По мере роста сложности и увеличения протяженности волоконно-оптической кабельной системы роль пассивных компонентов возрастает. Практически все системы волоконно-оптической связи, реализуемые для магистральных информационных сетей, локальных вычислительных сетей, а также для сетей кабельного телевидения, охватывают сразу все многообразие пассивных волоконно-оптических компонентов.

   Самым важным вопросом передачи информации по ВОЛС является обеспечение надежного соединения оптических волокон. Оптический соединитель - это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: оптические соединения оптоэлектронных модулей (приемников и передатчиков) с волокном кабеля, соединения отрезке оптических кабелей между собой, а также с другими компонентами. Различают неразъемные и разъемные соединители. Неразъемные соединители используются в местах постоянного монтажа кабельных систем. Основным методом монтажа, обеспечивающим неразъемное соединение, является сварка. Разъемные соединители (широко употребляется термин коннекторы, connectros) допускают многократные соединения/разъединения. Промежуточное положение занимают соединения типа механический сплайс. 

Разъемные соединители. Типы конструкций

   По конструкции соединения бывают симметричными и несимметричными. Упрощенные схемы соединений показаны на рис.4. При несимметричной конструкции для организации соединения требуется два

элемента: соединитель гнездовой и соединитель  штекерный, рис. 4 а. Оптическое волокно  в капиллярной трубке коннектора-штекера  не доходит до торца капилляра, а  остается в глубине. Напротив, волокно  в гнездовом соединителе выступает  наружу. При организации соединения физический контакт волокон происходит внутри наконечника-капилляра, который  обеспечивает соосность волокон. Открытое волокно, и капиллярная полость у этих соединителей являются основными недостатками, снижающими надежность несимметричной конструкции. Особенно недостатки сказываются при большом количестве переподключений. Поэтому такой тип конструкции получил меньшее распространение.

 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.4. Конструкции  соединителей: а) несимметричная; б) симметричная; в) наконечник и центратор розетки симметричного соединителя 

   При симметричной конструкции для организации соединения требуется три элемента два соединителя и переходная розетка (coupling), рис. 4б. Главным элементом соединителя является наконечник (ferrule). Переходная розетка снабжается центрирующим элементом, выполненным в виде трубки с продольным разрезом - должен быть контакт между наконечником и центрирующим элементом розетки, рис.4в. Центрирующий элемент плотно охватывает наконечники и обеспечивает их строгую соосность.

   Внешний диаметр наконечника равен 2,5 мм. Наиболее жесткие требования предъявляются к параметрам отверстия (капилляра) наконечника Оно должно быть достаточно большим, чтобы волокно могло зайти в него, и при этом достаточно малым, чтобы люфт волокно был незначительным. Диаметр отверстия в соответствии со стандартом равен 126 +1/-0 мкм для одномодового волокна и 127 +2/-0 мкм для многомодового волокна.       Некоторые производители поставляют наконечники широкого диапазона диаметров (например, 124, 125, 126, 127 мкм) для аккомодации естественных вариаций диаметров волокна. Наконечник, как самый прецизионный элемент соединителя, является самым дорогим. Наконечники обычно бывают металлические (на основе нержавеющей стали), керамические (на основе циркония или оксида алюминия). Пластиковые наконечники высокого качества должны снизить стоимость соединителя.

   К соединителям предъявляются следующие основные требования: малые вносимые потери, малое обратное отражение, устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям, высокая надежность и простота конструкции, незначительное ухудшение характеристик после многократных повторных соединений. 
 

Вносимые  потери

Коэффициент передачи оптической мощности (коэффициент  прохождения) D при торцевом соединении определяется как

                                                                            D=Pout/Pin ,

 а вносимые потери α - исходя из соотношения

                                                               α =-10lgD=-10lg Pout/Pin [дБ],  

где Pout и Pin соответственно интенсивности излучения на входе и выходе соединения. Точный замер этих параметров на практике соответствует следующей процедуре. Сначала находят интенсивность на непрерывном участке волокна, что соответствует градуировке приемника (Pin). Затем разрывают волокно и после оконцевания соединителями мест разрыва вновь соединяют. Вторичный замер интенсивности соответствует Pout . Обычно вносимые потери зависят от типа волокна (многомодовое или одномодовое), типов и качества соединителей и составляют от 0,3 до 0,5 децибела. Вносимые потери можно разбить на две категории: внутренние и внешние потери.

   Внутренние потери определяются факторами, которые невозможно контролировать (достичь их улучшения при заделке волокна в соединитель), а именно парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов сердцевина/оболочка и концентричностей сердцевины у волокон с разных сторон. Причем следует аддитивно учитывать все эти потери. Можно ожидать случайное изменение этих факторов даже в том случае, когда волокна одинакового стандарта или с одной и той же катушки. Эти факторы проявляются меньше на непрерывном сегменте оптического кабеля, так как они плавно меняются с длиной. На внутренние потери влияет технология производства волокна и соответствующие критерии контроля качества, а не конструктор соединителя. Зная разброс значений перечисленных выше параметров, можно определить максимальное значение внутренних потерь.

   Потери из-за вариации показателей преломления являются следствием чисто френелевского отражения и определяются в простейшем случае для волокна со ступенчатым профилем как