Расчет затухания в оптических линиях связи

Оптические  потери в разъемных соединителях увеличиваются также в результате осевого рассогласования.

Для расчета  потерь из-за осевого рассогласования  можно воспользоваться следующей  формулой:

 
 

где Z —  максимальное расстояние между торцами OB; d — диаметр ОВ; Θa -апертурный угол; 

Неучтенные  потери в разъемном соединителе можно принять равными:

a4=0,01 дБ.

При существующих технологиях потери в разъемном соединителе не превышают величины: Ap=α1+α2+α3+α4 ≤0.5 дБ 
 
 
 
 

а в  неразъемных соединителях не более Ah ≤0.1 дБ

Задание:

Рассчитать  α1, α2, α3, α4 по предложенным данным из таблицы 2.

Результаты  представить в виде таблицы, проанализировать полученные результаты/

Таблица 2.

 
 
 

Контрольные вопросы

1. Типы  оптических волокон

2. Основные  параметры оптических волокон

3. Числовая аппертура оптических волокон 

4. Нормированная  частота

5. Параметры  передачи оптических волокон

6. Коэффициент  затухания

7. Дисперсия  сигнала в оптическом волокне

8. Затухание  в оптическом волокне

9. Дисперсионные  свойства различных оптических  волокон

10. Волноводная  (внутримодовая) дисперсия

11. Материальная  дисперсия

12. Классификация оптических кабелей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ход работы: 

1. Изучила изложенный теоретический материал, ознакомилась с имеющимися графиками и таблицами. 

2. Ознакомилась  с классификацией потерь в  волокне, провела необходимые  измерения для имеющихся в  примере ОВ потерь по формулам:

для потерь вследствие радиального смещения в одномодовом волокне  
 
 
 

для потерь при угловом рассогласовании

 
 
 

для потерь из-за осевого рассогласования

 
 
 

Неучтенные  потери в разъемном соединителе, согласно теории, принимаю равными  α4=0,01 дБ 

3. Результаты измерений:

 
 
 
 
 
 

4. Вычислила суммарные потери в разъёмном соединителе: 

Аp = 0,120585 + 0,281393 + 0, 084476 + 0,01 = 0,496455 дБ 

 Вывод: 

При существующих технологиях потери в разъёмном соединителе не должны превышать 0,5 дБ. Полученный результат Ap = 0,496762, следовательно, потери мощности в рассматриваемом разъёмном оптическом соединителе допустимы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 При распространении импульсов света по волокну наблюдается их расплывание, или явление дисперсии. Чем м По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме.

Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность  времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов  на выходе и входе кабеля длины L по формуле   [10]. Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией t_mod),

направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией t_w),

свойствами  материала оптического волокна (материальной дисперсией t_mat).

Рис. 2.9. Виды дисперсии

 Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия t определяется из формулы

t² = t²_mod + t²_chr = t²_mod + (t_mat + t_w)²

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне (рис. 2.3 а, б). Для ступенчатого многомодового волокна и градиентного многомодового волокна с параболическим профилем показателя преломления (2-9) ее можно вычислить соответственно по формулам:

 
(2-14) / (2-15),

где L_c - длина межмодовой связи (для ступенчатого волокна порядка 5 км, для градиентного - порядка 10 км).

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые  есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L > L_c наступает установившийся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.

Вследствие квадратичной зависимости от D значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.

На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно пользоваться формулой [1]:

W = 0,44 / t

(2-17)

Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W - это максимальная частота модуляции передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания обратно пропорционально зависит от расстояния.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и  имеет место при распространении  как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная  дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна  от длины волны. В выражение для  дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны.

 (2-18)

Волноводная дисперсия  обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны [1]

 (2-19)

где введены  коэффициенты M(l) и N(l) - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а  Dl (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D(l) = M(l) + N(l). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм*км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(l) и N(l), а результирующая дисперсия D(l) обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии l₀. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться l₀ для данного конкретного волокна.

Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 нм для SF и DSF), делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне, чтобы устранить систематическую составляющую ошибки.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера (Sellmeier, [4]): t (l) = A + Bl² + Cl^-2. Коэффициенты A, B, C являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую t (l), рис. 2.10. Тогда удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

 (2-20)

где  l₀ = (C/B)^1/4 - длина волны нулевой дисперсии (zero dispersion wavelength), новый параметр S₀ = 8B - наклон нулевой дисперсии (zero dispersion slope, его размерность пс/(нм²*км)), а l - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Для волокна  со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде t (l) = A + Bl + Cl lnl, а соответствующая удельная дисперсия определяется как

 (2-21)

со значениями параметров l₀ = e^-(1+B/C)  и S₀ = C/l₀, где l - рабочая длина волны, l₀ - длина волны нулевой дисперсии, и S₀ - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым  соотношением t_chr(l) = D(l)·Dl, где Dl - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (Dl ~ 2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии. В табл. 2.4 представлены дисперсионные свойства различных оптических волокон.

Поляризационная модовая дисперсия t_pmd (polarization mode dispersion) возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии T нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/км^1/2), а t_pmd растет с расстоянием по законуt_pmd=T·L^1/2. Для учета вклада в результирующую дисперсию следует добавить слагаемоеt²_pmd в правую часть (2-13). Из-за небольшой величины t_pmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/c и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.