Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок параметрів оптичного волокна
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2010
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Основи телекомунікаційних систем
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
/
Розрахунок параметрів оптичного волокна
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи № 4
з курсу “Основи телекомунікаційних технологій”
для студентів базового напряму
“Управлінння інформацією” 6.170103
Львів 2010
Розрахунок параметрів оптичного волокна. Інструкція до лабораторної роботи №4 з дисципліни ”Основи телекомунікаційних технологій” для студентів базового напряму «Управління інформацією» / Укл. А.З.Піскозуб, І.Р.Опірський - Львiв: Національний університет "Львівська політехніка", 2010 - 15 с.
Укладачі: А.З.Піскозуб, канд. техн. наук, доцент
І.Р.Опірський, асистент
Мета роботи – ознайомитися з будовою оптичного волокна. Дослідити параметри одномодових та багатомодових кабелів зв’язку, вивчити методику розрахунку параметрів оптичних волокон.
ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
ВОЛЗ є волоконно-оптичною системою, що складається з елементів кабельної техніки, призначених для передачі оптичного сигналу по оптоволоконному кабелю. Точніше це вид зв'язку, при якому інформація передається по оптичному діелектричному хвилеводу, відомим під назвою «оптичне волокно». Оптичне волокно в даний час вважається найдосконалішим фізичним середовищем для передачі інформації, а також найдосконалішим фізичним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані завдяки унікальним можливостям пропускної спроможності і загасанню в ньому. Підстави так би мовити витікають з ряду особливостей властивих оптичним хвилеводам.
Волокно виготовляється з кремнію, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеного, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді.
Оптичне волокно має діаметр близько 100 мкм, тобто дуже компактно і дрібно, що робить його перспективним для використання в різних областях науки і техніки.
Скляне волокно – не метал, при реалізації системи зв'язку автоматично досягається гальванічна розв'язка сегментів. Застосовуючи особливий пластик, в промисловості виготовляють самонесучі підвісні кабелі, що не містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна вмонтовувати на щоглах існуючих ліній електропередач, як окремо, так і вбудовувати у фазовий дріт, економлячи засоби на прокладку кабелю.
Системи зв'язку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних перешкод.
Важлива властивість оптичного волокна – довговічність. Час життя волокна, тобто збереження ним властивостей в певних межах, зразковий більше 25 років, що дозволяє прокласти волоконно-оптичний кабель один раз і в міру необхідності перешивати пропускну спроможність кабелю шляхом заміни передавачів і приймачів на більш швидкодіючі.
Не дивлячись на вищеперелічені переваги ВОЛС має також і недоліки.
Схильність скляного волокна до ураження радіації, за рахунок якої з'являються плями затемнення і зростає загасання.
Воднева корозія скла, що приводить до мікротріщин у волокні і погіршення його властивостей.
Небезпека оплавлення оптичного волокна при попаданні в кабель блискавки.
Труднощі зв'язані із застосуванням специфічного устаткування (оптичні кроси, муфти тощо) необхідного для маршрутизації відеоінформації.
Можливість просочування інформації за рахунок побічного електромагнітного випромінювання і наведень як в радіочастотному, так і в оптичному діапазонах.
Відносно висока вартість активних елементів ВОЛС і зварки оптичного волокна.
Полягання квантових систем в енергетичному співвідношенні характеризується енергетичними рівняннями і описується виразом [1]
, (1.1)
де і - щільність енергії випромінювання на частоті у одиничному інтервалі частот; - вірогідність квантового переходу із стану 1 в стан 2 (12); - кількість частинок на рівні 1.
Рівень 1 – це основний, незбуджений енергетичний рівень квантової системи. Ліва частина виразу (1.1) характеризує поглинання квантів енергії і перехід частинок на верхній енергетичний рівень 2. - коефіцієнт і вірогідність спонтанного випромінювання, тобто випадкового переходу частинок з рівня 2 на рівень 1 (21); - коефіцієнт стимульованого чи вимушеного випромінювання квантів світла (21); - кількість (населеність) частинок на рівні 2. Аналіз виразу (1.1) показує, що квантова система може мати три стани (рис.1.1) Стан (рис.1.1,а) при якому кількість частинок на нижньому незбудженому стані більше, ніж на верхньому рівні - (тобто >).У випадку система знаходиться в стійкому стані і є такою, що поглинає (вона може тільки поглинати фотони, причому, найінтенсивніше ті з них, частота яких співпадає з ). Другий стан (рис.1.1,б) це той, при якому .В цьому випадку кількість частинок на верхньому (2) і нижньому (1) рівнях приблизно однакова. При цьому так само , а вірогідність переходів з верхнього на нижній рівень і навпаки приблизно рівні. Система з таким енергетичним станом є нейтральною по відношенню до падаючої на неї енергії (звичайно до певної межі), тобто прозорою. Для багатьох речовин, зокрема для чистого кварцу, така система є стійкою. Цим пояснюється висока прозорість сучасного кварцевого ОВ/
Мал.1.1. Схема квантових станів речовини:
а) поглинаюче середовище; б) рівноважна або нейтральна;
в) випромінююче середовище
При третьому співвідношенні системи > (рис.1.1, в)вона описується повним виразом (1.1). Така квантова система стає випромінюючою, і, якщо її не підтримувати за допомогою зовнішнього вимушеного випромінювання, вона буде нестійкою.
Простим світлопроводом є круглий або прямокутний світлопровідний стрижень, званий сердечником, оточений діелектричною оболонкою. Показник заломлення матеріалу сердечника , а оболонки - де і - відносна діелектрична проникність. Показник заломлення оболонки постійний, а сердечник в загальному випадку є функцією поперечної координати (наприклад, радіусу у разі круглого світлопровода). Цю функцію називають профілем показника заломлення.
Для передачі електромагнітної енергії по світлопроводу використовується явище повного внутрішнього віддзеркалення на межі розділу двох діелектричних середовищ, тому необхідно, щоб >. Залежно від величини кута який утворюють з віссю промені, що виходять з точкового джерела в центрі торця світлопровода (рис.1.2), виникають хвилі випромінювання 1, хвилі оболонки 2 і сердечника 3 [1].
/
Мал. 1.2. Меридіональні промені у волоконному світлопроводі
У сердечнику і оболонці існують два типи променів: меридіональні, які перетинаються в деякій крапці з віссю світлопровода, і косі, які з віссю світлопровода не перетинаються. На рис.1.2 показані меридіональні промені. Якщо кут падіння електромагнітної хвилі на межу сердечника – оболонка більше деякого критичного кута який згідно закону Ськелліуса визначається співвідношенням то промінь повністю відбивається на межі і залишається усередині сердечника (промінь 3). Різниця показників заломлення на межі сердечника – оболонка зазвичай складає 1%. Оболонка захищає світло, що розповсюджується по сердечникові, від будь-яких зовнішніх дій і перешкод.
Таке пояснення спрямованості світла засноване на законах геометричної оптики і не враховує властивостей світла як електромагнітної хвилі. Облік хвилевих властивостей світла дозволив встановити, що зі всього континууму світлових променів в межах кута повного внутрішнього віддзеркалення для даного світлопровода тільки обмежене число променів з дискретними кутами може утворити направлені хвилі, які називають також хвилеводними модами. Ці промені характеризуються тим, що після двох послідовних перетворень від межі «сердечник - оболонка» або «оболонка-навколішній простір» хвилі повинні бути у фазі. Якщо ця умова не виконується, то хвилі інтерферують так, що гасять один одного і зникають. Кожна хвилеводна мода володіє характерною для неї структурою електромагнітного поля, фазовою і груповою швидкостями.
Хвилі випромінювання розподіляються безперервно по всій області кутів, що належить їм, і утворюють безперервний спектр. Хвилі оболонки і хвилі випромінювання – паразитні хвилі, які відбирають енергію джерела збудження і зменшують корисну енергію, передавану по серцевині.
Ці хвилі важко повністю виключити при збудженні світлопровода. Крім того, вони також виникають на геометричній нерегулярності світлопровода і неоднорідностях матеріалу.
Залежно від числа хвиль (мод), що розповсюджуються на робочій частоті, світлопроводи розділяються на одно- і багатомодні. На рис.1.3 приведені поперечні перетини деяких волоконних світлопроводів для оптичних кабелів (ОК) і профілі розподілу показників заломлення по поперечному перетину [2].
Для характеристик світлопровода важливе значення має профіль показника заломлення в поперечному перетині.
Великий практичний інтерес представляють неоднорідні в поперечному перетині світлопроводи, оскільки вони можуть мати такі характеристики, які неможливо отримати з однорідних світлопроводів.
Якщо сердечник світлопровода має постійне за радіусом значення показника заломлення, то такі світлопроводи називаються світлопроводами із ступінчастим профілем показника заломлення (є сходинка на межі «сердечник - оболонка»).
/
Мал.1.3. Поперечний перетин і розподіл показника заломлення для деяких типів волоконних світлопроводів: а – одномодовий двошаровий світлопровід; б – одномодовий -світлопровід; в – багатомодовий світлопровід із ступінчастим профілем показника заломлення; г – градієнтний багатомодовий світлопровід; д – світлопровід з осьовим провалом в профілі
показника заломлення; е, ж, з – світлопроводи, виготовлені повністю з одного матеріалу
Якщо показник заломлення від центру до краю змінюється не ступінчасто, а плавно, то такі світлопроводи називаються світлопроводами з градієнтним профілем показника заломлення, або градієнтними світлопроводами. Хід променів в градієнтному світлопроводі показаний на рис.1.4. [2].
/
Мал.1.4. Хід променів в градієнтному світлопроводі: 1- хвилі випромінювання; 2- хвилі оболонки; 3 – хвиля сердечника
Як видно промені тепер згинаються у напрямі градієнта показника заломлення (замість заломлення або повного віддзеркалення, як у випадку волокна із ступінчастим профілем).
Найбільш вивчені характеристики світлопроводів, для яких профіль показника заломлення описується виразом
, , (1.2)
де - поточний радіус; - відносна різниця показників заломлення; - найбільше значення показника заломлення сердечника; - показник ступеня, що визначає зміну ; - радіус сердечника.
Світлопроводи з називаються параболічними оскільки профіль показника заломлення описується параболою. При виготовленні градієнтних світлопроводів по технологічних причинах часто отримують в центрі серцевини область із зменшеним значенням показника заломлення. Такі світлопроводи отримали назву світлопроводів з основним провалом в профілі діелектричної проникності (рис.1.3,д).
Використовуючи можливості неоднорідних світлопроводів в широких межах змінювати свої характеристики залежно від закону зміни діелектричної проникності по поперечному перетину світлопровода, можна для кожного конкретного застосування підібрати світлопровід з якнайкращим співвідношенням його характеристик для рішення поставленої задачі.
Важливою характеристикою світлопровода є числова апаратура , що є синусом максимального кута падіння променів на торець світлопровода, при якому в світлопроводі промінь на межі «серцевина-оболонка» падає під критичним кутом
. (1.3)
Оскільки то, враховуючи що отримаємо:
. (1.4)
Від значення залежать ефективність введення випромінювання лазера або світлодіода в світлопровід, втрати на мікровигинах, дисперсія імпульсів, число мод, що розповсюджуються.
При аналізі характеристик світлопроводів зручно користуватися нормованими параметрами [2]
-нормована частота;
- нормований профіль показника заломлення градієнтного світлопровода;
- нормована постійна розповсюдження
де ; - робоча довжина хвилі; - модова постійна розповсюдження(kn1<β<kn2); - хвилеве число.
В цьому випадку характеристики представлені в загальному вигляді і їх легко можна перерахувати під конкретні розміри світлопроводів.
Якщо 0<U<2,405, то режим роботи волокна одномодовий, якщо U>2,405 — багатомодовий. Чим менше діаметр серцевини ОВ, тим менше число мод може розповсюджуватися по ньому і тим менше розширення отримують оптичні імпульси. Відповідно збільшується коефіцієнт широкосмугової ОВ. Таким чином, одномодове (ООВ) може передавати більш широкосмугові сигнали, ніж багатомодове (МОВ).
Число мод в багатомодовому оптичному волокні. Загальне число мод в МОВ з діаметром серцевини 2а, заданою числовою апертурою на робочій довжині хвилі λ визначається через нормовану частоту виразом вигляду:
(1.5)
У розрахунках М може виявитися дробовим числом, тоді як число мод у волокні буває тільки цілим і складає від однієї до тисячі мод. У волокні з градієнтним ППП і тими ж значеннями діаметру серцевини, показників заломлення n1 і n2 число мод приблизно в 2 рази менше, ніж в ООВ із ступінчастим ППП. Кількість мод (з урахуванням всіх вироджених мод) у разі ступінчастого ППП визначається виразом вигляду:
(1.6)
Діаметр модового поля в ОВ. Важливим інтегральним параметром ОВ є діаметр модового поля. Цей параметр використовується при аналізі одномодових волокон.
У багатомодових ОВ розмір серцевини прийнято оцінювати діаметром (2а), в одномодових волокнах — за допомогою діаметру модового поля (dМП). Це пов'язано з тим, що енергія основної моди в ОВ розповсюджується не тільки в серцевині, але і частково в оболонці, захоплюючи її прикордонну область. Тому dМП точніше оцінює розміри поперечного розподілу енергії основної моди. Величина dМП є важливою при стиковці волокон між собою, а також при стиковці джерела випромінювання з волокном. Згідно літератури радіус поля моди Wo в мікрометрах визначається при відомих параметрах (нормована частота) і a=dc/2 з співвідношення:
або
(1.7)
Тоді значення діаметра модового поля рівно dМП=2W0
Довжина хвилі відсічення в ОВ. Мінімальна довжина хвилі, при якій ОВ підтримує тільки одну моду, що розповсюджується, називається довжиною хвилі відсічення. Цей параметр характерний для ООВ. Якщо λкр менше, ніж довжина хвилі відсічення, то має місце багатомодовий режим розповсюдження світла.
/
Мал. 2. Залежність розподілу інтенсивності випромінювання основної моди ООВ в ближній зоні від радіусу
Розрізняють довжину хвилі відсічення у волокні λс і довжину хвилі відсічення в прокладеному кабелі λсс. Перша (λс) відповідає слабо напруженому волокну і для ступінчастого ООВ вона визначається виразом вигляду:
(1.8)
Довжина відсічення в прокладеному кабелі λсс відповідає напруженому ОВ. На практиці ОВ в прокладеному або підвішеному на опорах кабелі має велике число вигинів. Крім того, сильні викривлення є в ОВ, укладених в касети муфт і проміжних з'єднувачах на об'єктах зв'язку (сплайс-боксах). Все це веде до придушення побічних мод і зрушення λсс у бік коротких довжин хвиль порівняно з λс. Різницю між λсс і λс можна оцінити тільки експериментальним шляхом.
Загасання і погіршення передачі сигналу у ВОЛЗ
З початком використання оптичних підсилювачів - ОП, а потім і систем WDM (а згодом і DWDM), виникли інші причини, що приводять до погіршення характеристик систем. Вони, звичайно, існували весь час, або були такого малого рівня, що проектувальники могли їх до певного часу повністю ігнорувати. Інші ж причини з'явилися завдяки використанню нових технологій. До них, наприклад, відноситься чотирьох-хвильове змішення – ЧХЗ (FWM). Як тільки з'являється другий канал, так з'являється і ЧХЗ, хоча, і, можливо, дуже малого рівня.
Коли ми почали використовувати ВОЛЗ, робочі сигнали були достатньо низького рівня: від -2 до +3дБм. Однією з причин – було бажання продовжити життя лазерних діодів. Як тільки з'явилися системи WDM, а, особливо, DWDM, рівні сигналів зросли стократно. При об'єднанні виходу лазерного передавача з ОП потрібно було генерувати рівні сигналів порядку +20 дБм, щоб компенсувати втрати, викликані використанням пасивних елементів систем WDM. Ці високі рівні сигналів загострили багато причин погіршень, так або інакше що приводять до деградації сигналу і характеристик в цілому. Ще одним чинником з'явилося збільшення передачі враховуючи, що потоки в 40 Гбіт/с стали реальністю. Нижче ми почнемо з причин втрат рівня сигналу при його проходженні по оптоволокну. Існують шляхи зменшення втрат оптоволокна, такі як вибір прийнятного типу оптоволокна і робочої довжини хвилі. І, звичайно, існує ряд компромісів, які доводиться при цьому враховувати. Дисперсія також існує в різному вигляді. Ми почнемо з розгляду модової дисперсії і звичайної матеріальної дисперсії. Потім ми продовжимо розглядом хроматичної дисперсії, дисперсії поляризованої моди і диференціальної затримки. Ми, нарешті, розглянемо нелінійні ефекти, ефекти, залежні від поляризації, і інші специфічні погіршення, такі як самофільтрація і генерація оптичних хвиль.
Втрати і ослаблення сигналу у ВОЛЗ
Існує чотири причини втрат в оптикооволокні:
Власні внутрішні втрати.
Втрати, викликані домішками (іноді звані зовнішніми втратами).
Розсіювання Релея.
Втрати, викликані недосконалістю оптиковолокна.
Власні внутрішні втрати
Власне внутрішнє поглинання матеріалу є втратами, викликаними тільки чистим кремнієм, тоді як зовнішні втрати – це втрати, викликані наявністю домішок в оптиковолокні. У кожному конкретному матеріалі, завдяки його молекулярній структурі, існує поглинання сигналу визначених для хвиль. У двоокису кремнію (SiO2) існують електронні резонанси в ультрафіолетовій області для довжин хвиль λ < 0,4 мкм. Існують також коливальні резонанси в інфрачервоній області, де λ > 7 мкм. Розплавлений двоокис кремнію (скло), який є матеріалом оптичного хвилеводу, за своєю природою аморфний. Тому ці резонанси існують у формі смуг поглинання, хвости яких тягнуться в область видимого спектру. У другому і третьому вікнах прозорості цей тип поглинання вносить внесок на рівні не більше ніж 0, 03 дБ/км. Виробники оптиковолокна не можуть впливати на цю складову поглинання, хіба що перейти на інший матеріал для передачі світлового сигналу.
Втрати від наявності домішки (зовнішні втрати поглинання)
Зовнішні втрати поглинання привнесені домішками оптиковолокна. Сучасні технології виробництва зменшили внесок від цих втрат до дуже низького рівня. У цю групу втрат вносять внесок наступні домішки: залізо, мідь, нікель, магній і хром, які створюють істотні джерела поглинання у вікнах прозорості. У сучасному процесі виробництва вміст цих металів був понижений до величин менше однієї мільярдної частини, і, отже, вони вносять дуже малий внесок до загальних зовнішніх втрат поглинання. На відміну від них, втрати за рахунок наявності залишкових гідроксильних іонів (ОН) створюють лінію поглинання 2730нм, її гармоніки і комбінаційні складові становлять 1390, 1240 і 950 нм, всі вони вносять істотний внесок до загальних зовнішніх втрат поглинання. Ці втрати викликані наявністю води у волокні, що залишилася в процесі виробництва. Рівень іонів ОН в оптиковолокні повинен бути понижений до величин менших одній стомільйонній частині, для того, щоб підтримувати втрати волокна на належному рівні. Навіть така мала концентрація ОН, як одна мільйонна, здатна викликати втрати 50 дБ в районі «водяного піку» - 1390 нм.
Релєєвськє розсіювання
Це тип втрат є внутрішнім і викликаний флуктуаціями миттєвої щільності і варіаціями молекул за рахунок недосконалості внутрішньої структури волокна: повітряних бульбашок, неоднорідностей і тріщин, або недосконалістю направляючого хвилеводу, викликаною загальною нерегулярністю системи «серцевина-оболонка». Існує крапка на кривій поглинання в районі 1550 нм, де поглинання інфрачервоних і ультрафіолетових хвостів мінімальні. Навколо цієї крапки релеївське розсіювання є головною складовою загальних втрат. Релеївське розсіювання обернено пропорційно до довжини хвилі. Із зростанням довжини хвилі розсіювання зменшується. На довжинах хвиль вище 1600 нм інфрачервоне поглинання стає домінуючим.
Недосконалість оптичного волокна (ОВ)
Недосконалість волокна – ще одне джерело втрат. Це втрати включають втрати від мікровигинів і макровигинів. Геометрія волокна – ще одне важливе поняття, що описує недосконалість і яке вимагає розгляду.
Геометрія скла описує кінцеві розмірні характеристики оптичного волокна. Геометрія (і це вже давно зрозуміли) є головним чинником, що визначає втрати в зростку і відсоток вдало виконаних зростків. Головна мета виробника оптиковолокна отримати точнішу геометрію волокна. Волокно, отримане з дотриманням жорсткіших допусків на його геометрію, легше і швидше зростити і при цьому бути упевненим у високій якості зростка і передбаченості отриманих характеристик.
Три параметри (як показала практика) роблять найбільший вплив на характеристики зростка: концентричність перетинів серцевини і оболонки, допуск на діаметр оболонки і власний вигин волокна.
Концентричність серцевини і оболонки дає зрозуміти наскільки добре серцевина волокна центрується в склі оболонки. Поліпшення цієї характеристики при виробництві волокна зменшує шанс неточного розташування серцевини, що сприяє отриманню зростків з меншими втратами.
Зовнішній діаметр оболонки визначає розмір волокна. Чим жорсткішою є специфікація діаметру оболонки, тим менше шансів, що партії волокна матимуть різні діаметри. Допуск на діаметр оболонки особливо важливий, коли використовуються наконечники, що калібруються, або здійснюється зчленування роз'ємних з'єднувачів в польових умовах. Всі ці з'єднувачі розраховані по діаметру оболонки в місці вирівнювання волокон для з'єднання.
Власний вигин волокна вказує на величину кривизни волокна уздовж деякої довжини волокна. Велика величина власного вигину може привести до дуже великого зсуву волокна при зварці або вирівнюванні кінця волокна в V-образній канавці, що може привести до зростків з великими втратами.
Дисперсії у ВОЛЗ
Вплив дисперсії позначається в розширенні світлового імпульсу при його передачі по оптиковолокну. Розрізняють чотири типи дисперсії, кожен з яких викликаний тими або іншими причинами:
Міжмодова дисперсія.
Матеріальна дисперсія.
Хроматична дисперсія (у багатьох текстах матеріальна і хроматична дисперсії не розділяються).
Поляризаційна дисперсія.
Міжмодова дисперсія
Світло, що розповсюджується по багатомодовому волокну представлений багатьма траєкторіями випромінювань, шлях кожного з яких в серцевині волокна відрізняється один від одного.Число мод, що розповсюджуються по волокну, рівне:
, (1.9)
де - нормалізована частота. Якщо =2,405 або менше, то розповсюджується тільки одна мода, якщо ж більше, то розповсюдяться багато мод.
Ми використовуємо термін спотворення, замість терміну дисперсія, грунтуючись на визначенні IEEE[6.2]: «У доповненні до цього, сигнал погіршується під дією багатомодових спотворень, які часто (помилково) класифікують як багатомодову дисперсію».
До приймального кінця волокна енергія різних мод прибуває з якоюсь затримкою в часі по відношенню до основної моди (HE11). Це викликає розмивання прийнятого імпульсу, що безумовно надає деструктивну дію, оскільки частина енергії, що розмазалась, потрапляє в бітовий інтервал сусіднього біта. Якщо в цей бітовий інтервал потрапить достатня кількість енергії, що розмазалась, то з вірогідністю 50% сусідній біт буде прийнятий з помилкою .
Матеріальна дисперсія
Матеріальна дисперсія (DM) викликана тим, що різні довжини хвиль проходять через певні матеріали з різними швидкостями. Відоме співвідношення, що визначає показник заломлення ():
, (1.10)
де с — швидкість світла у вакуумі, а - швидкість досліджуваної хвилі в даному матеріалі. Звичайно, матеріалом, що цікавить нас, є кварцеве скло (SiО2). Проблема в тому, що кожна хвиля розповсюджується в даному матеріалі з швидкостями, що відрізняються один від одного.
Інститут ШЕЕ [6.2] визначає матеріальну дисперсію «як дисперсію
співвідношувану із залежністю довжини хвилі від показника заломлення того матеріалу, з якого сформований хвилевід».
У міру того, як ми заглиблюватимемося в обговорення дисперсії, ми зрозуміємо те, що хроматична дисперсія повинна розглядатися в рамках поняття матеріальна дисперсія. Проте, по причинах, які будуть зрозумілі далі, хроматична дисперсія розглядається окремо.
СІД випромінює широкий спектр довжин хвиль в діапазоні від 30 до 100 нм, тоді як DFB лазер випромінює спектральну лінію шириною від 0,1 до 1,0 нм. Очевидно, якщо в якійсь певній ланці ми стурбовані дисперсією, то можна було б використовувати DFB лазер замість СІД і орієнтуватися на одномодове волокно.
Існує одне цікаве явище щодо швидкостей розповсюдження усередині матеріалу. У смузі прозорості 850 нм довші хвилі розповсюджуються з більшою швидкістю, чим короткі (наприклад, випромінювання на довжині хвилі 865 нм розповсюджується в кварцевому склі з більшою швидкістю, чим випромінювання на довжині хвилі 835 нм).
Зовсім навпаки відбувається в смузі прозорості 1550 нм, коротші довжини хвиль розповсюджуються з великими швидкостями, ніж довші (наприклад, довжина хвилі 1535 нм розповсюджується швидше, ніж довжина хвилі 1560 нм).
Ще одне цікаве явище має місце в смузі прозорості 1310 нм. Існує довжина хвилі вище за яку дисперсійний параметр позитивний, а нижче за яку негативний. Ця довжина хвилі називається довжиною хвилі нульової дисперсії, вона рівна для чистого діоксиду кремнію 1276 нм. Її значення може мінятися в межах 1270-1290 нм для оптичного волокна, серцевина і оболонка якого легуються для отримання необхідного показника заломлення. Довжина хвилі нульової дисперсії для оптичних волокон залежить також від діаметру сердечника і внеску кроку ∆ показника заломлення в перетині хвилеводу в повну дисперсію.
Слід вказати, що хвилеводна дисперсія зрушує довжину хвилі нульової дисперсії на 30-40 нм, так що повна дисперсія виявляється рівною нулю близько 1310 нм для промислових волокон.
Матеріальна дисперсія - головна складова дисперсії в системах з одномодовим волокном. Для систем з багатомодовим волокном внесок матеріальної дисперсії в повну дисперсію фактично незначний. Основний тут є модова дисперсія.
Розглянемо вплив дисперсії на двійковий потік, що приймається. Якщо швидкість передачі зростає, ширина бітового інтервалу стає менше. Якщо формат кодування - NRZ, то ширина цього бітового інтервалу стає рівною бітовому періоду. Отже
Бітовий період (в сек) = 1/(бітову швидкість передачі). (1.11)
Нижче приведено декілька прикладів:
- для двійкового потоку 1 Мбіт/с бітовий період рівний 1 мкс;
- для двійкового потоку 10 Мбіт/с бітовий період рівний 100 нс;
- для двійкового потоку 1 Гбіт/с бітовий період рівний 1 нс;
- для двійкового потоку 10 Гбіт/с бітовий період рівний 100 пс.
Видно, що бітовий інтервал стає все менше і менше. Чим менше він стає, тим більше він схильний до дії дисперсії!
В процесі еволюції ВОСП робота на довжині хвилі поблизу нуля дисперсії була дуже привабливою. Проте системи з меншими швидкостями працювали в смузі прозорості 1550 нм, де втрати на кілометр кабелю були мінімальні. Було б чудово, якби ми змогли перенести область нульової дисперсії в смугу прозорості 1550 нм.
2.ЗАВДАННЯ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Домашня підготовка до роботи
Вивчити будову оптико-волокна.
Вивчити основні переваги та недоліки оптичних систем.
Знати різницю між одномодовим та багатомодовим волокном.
Вивчити методику розрахунку показника заломлення, числової паретури тощо.
Освоїти розрахунок PDV для мережі заданої конфігурації.
Освоїти розрахунок міжмодової та матеріальної дисперсії.
Виконання заданого варіанту розрахунку параметрів оптичного волокна
При розрахунку заданого варіанту розрахунку параметрів оптичного волокна:
Вивчити основні формули розрахунків параметрів оптичного волокна.
Вивчити основні властивості оптичного волокна , а також причини втрати сигналу у оптичному волокні.
Отримати варіант для обчислення параметрів оптичного волокна у викладача.
На основі отриманих даних обчислити такі параметри як: радіус сердцевини, співвідношення коефіціенту заломлення, числову апертуру, нормовану частоту, нормовану постійного розповсюдження,кількість мод в оптичному волокні, діаметр модвого поля, довжину хвилі відсічення, міжмодову дисепрсію, матеріальну дисперсію .
3.ЗМІСТ ЗВІТУ
Повний текст завдання з метою роботи.
Навести визначення оптичного волокна та ВОЛЗ .
Навести розрахунок основних параметрів ОВ.
Привести основні переваги ОВ.
Привести на основі існуючої літератури(інтернету) шляхи розвитку і дослідження оптичного волокна.
Привести розрахунку та результати обчислення згідно вашого варіант основних параметрів оптичного волокна.
Зробити висновок про отримані навички щодо розрахунку параметрів ОВ.
4.КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Що таке оптичне волокно та ВОЛЗ?
Назвіть основні переваги та недоліки ВОЛЗ.
Які типи променів існують у сердечнику і оболонці?
Що таке одномодове та багатомодове волокно?
Що таке довжина хвилі відсічення та числова апертура?
Як вираховується нормована частота?
Які основні причини втрат в оптичному волокні?
Що таке зовнішні втрати поглинання?
В чому полягає розрахунок міжмодової дисперсії?
Що таке дисперсія в оптичному волокні(які види її ви знаєте)?
Варіанти розрахунку конфігурації мережі Ethernet
(розміри та тип сегментів):
1.Діаметр серцевини 2а=10мкм, показники переломлення n1=1,51, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,85мкм.(β-вибрати довільне в межах /).Ступінчасте ППП.
2. Діаметр серцевини 2а=50мкм, показники переломлення n1=1,51, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,85мкм.(β-вибрати довільне в межах /).Градієнтне ППП.
3. Діаметр серцевини 2а=40мкм, показники переломлення n1=1,53, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,85мкм.(β-вибрати довільне в межах /). Ступінчасте ППП
4. Діаметр серцевини 2а=30мкм, показники переломлення n1=1,51, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,95мкм.(β-вибрати довільне в межах /). Ступінчасте ППП
5. Діаметр серцевини 2а=10мкм, показники переломлення n1=1,51, n2=1,48, довжина хвилі λ=0,6мкм.(β-вибрати довільне в межах /). Градієнтне ППП
6. Діаметр серцевини 2а=25мкм, показники переломлення n1=1,55, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,6мкм.(β-вибрати довільне в межах / ). Градієнтне ППП
7. Діаметр серцевини 2а=60мкм, показники переломлення n1=1,52, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,8мкм.(β-вибрати довільне в межах / ). Ступінчасте ППП
8. Діаметр серцевини 2а=20мкм, показники переломлення n1=1,53, n2=1,5, довжина хвилі λ=0,85мкм.(β-вибрати довільне в межах / ). Градієнтне ППП
9. Діаметр серцевини 2а=44мкм, показники переломлення n1=1,53, n2=1,49, довжина хвилі λ=0,85мкм.(β-вибрати довільне в межах / ). Ступінчасте ППП
10. Діаметр серцевини 2а=10мкм, показники переломлення n1=1,51, n2=1,49, довжина хвилі λ=0,99мкм.(β-вибрати довільне в межах / ). Градієнтне ППП
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора