Практическая работа «Расчет параметров многомодового оптического кабеля связи»

Автор: СЕРГЕЕВА НАТАЛИЯ АРИЕВНА

Название образовательной организации:

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Ставропольский колледж связи имени Героя Советского Союза В.А. Петрова»

Год и место создания работы: 2014 год, цикловая комиссия естественных и общепрофессиональных дисциплин

для студентов 2 курса специальностей:

11.02.11 Сети связи и системы коммутации

11.02.09 Многоканальные телекоммуникационные системы

очной формы обучения

Цель работы: научиться рассчитывать параметры световодов и понимать их физическую сущность.

Задание: по заданным первичным параметрам световода рассчитать его вторичные параметры.

Литература: П.А. Ушаков «Цепи и сигналы электросвязи». М.: Издательский центр «Академия», 2010, с.12-20.

Оснащение:

1. Персональный компьютер

2. Описание практической работы

Теоретический материал

1. Диаметр сердечника и оболочки - это основные первичные параметры световода. Для одномодового световода сердечник выбирают так, чтобы обеспечить условие распространения только основной моды.

2. В многомодовых световодах диаметр сердечника берётся в несколько раз больше, чем в одномодовых.

3. Расчёты показывают, что толщина оболочки должна на порядок превышать радиус сердечника световода. В многомодовых световодах допустима меньшая толщина оболочки по сравнению с радиусом сердечника. Диаметр сердечника световода существенно зависит от разности коэффициентов преломления чем она меньше, тем больше диаметр 2а, поэтому выбирают

4.Вторичными параметрами световодов являются коэффициент ослабления и полоса частот.

Ослабление сигнала в световоде определяется в основном поглощением и рассеянием энергии в материале световода, а также вытекающими и излучающими волнами. Лучшие световоды из кварцевого стекла имеют .

Полоса пропускания определяется режимом работы световода, профилем коэффициента преломления и дисперсией сигнала. При передаче по световоду импульсных сигналов после прохождения по нему некоторого расстояния импульсы искажаются (расширяются) вследствие неодинакового времени задержки различных спектральных составляющих. Это явление называют дисперсией импульсов. Дисперсия может привести к взаимному перекрытию соседних импульсов, в результате чего передача информации по световоду становится невозможной.

Пример расчёта многомодового оптического кабеля связи.

Исходные данные:

Диаметр сердечника волокна 2а= 50 мкм =d.

Диаметр оболочки волокна 2в= 125 мкм.

Показатель преломления сердечника n1 = 1,53.

Показатель преломления оболочки n2 = 1,5.

Длина волны

Длина линии

1. Числовая апертура (NA) - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. В реальных условиях

NA= 0,2 - 0,3.

Числовая апертура

2. Режим работы волоконного световода характеризуется обобщенным параметром V - нормированной (характеристической) частотой. Она зависит от радиуса сердцевины, длины волны и показателей преломления сердцевины и оболочки. Если V

Нормированная частота:

3.Число мод (волн) в световоде фиксировано и зависит от соотношения диаметра сердцевины (2а) и длины волны (,причём, - мкм, т.е f= Гц. С увеличением диаметра число передаваемых мод резко возрастает и при D = 50 мкм – световод многомодовый, а при D= мкм. - одномодовый.

Число волн (мод):

4. При определённой длине волны наступает такой режим, когда волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны и энергия вдоль световода не перемещается. Вот для чего необходимо рассчитывать критическую частоту и критическую длину волны. В волоконном световоде могут распространяться волны длиной меньше, чем сердцевина световода (

Критическая длина волны:

Критическая частота:

Наиболее важным параметром оптического кабеля является дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по оптическому кабелю.

Относительное значение разности коэффициентов преломления:

Дисперсия световода: (

6. От дисперсии зависит параметр (пропускная способность), а он определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и от него зависит объём информации, который можно передать по оптическому кабелю. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования световодов, но и существенно снижает дальность передачи по оптическому кабелю, так как чем длиннее линия, тем больше дисперсия и больше уширение импульса.

Полоса пропускания:

7. Ослабление световодов. Ослабление распространяющейся в световоде волны определяется потерями электромагнитной энергии. Существуют две главные причины потерь в световодах: поглощение и рассеяние энергии.

Потери при поглощении состоят из собственного поглощения в материале сердечника и поглощения из-за наличия в сердечнике примесей в виде ионов окислов материалов и гидроксильных групп. Ослабление за счёт собственного поглощения в сердечнике ,дБ/км, связано с диэлектрическими потерями в материале световода и может быть вычислено по формуле

где - рабочая длина волны; tg - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде. Для используемых в настоящее время материалов tg.

Потери энергии за счёт посторонних примесей существенно зависит от чистоты материала.

Рассеивание световой энергии обусловлено неоднородностью материала световода, размеры которых меньше длины волны, тепловой флуктуацией показателя преломления (так называемое рэлеевское рассеивание).Потери на рассеивание,дБ/км, зависит от материала световода и рабочей длины волны. Кроме перечисленных потерь необходимо учитывать также кабельные потери , возникающие из-за различных нарушений геометрии световода, наличия соединений, изгибов и микроизгибов. В результате полный коэффициент ослабления световода

Для большинства световодов можно принять

Задание