ЗАДАЧА № 1

Произвести расчет длины регенерационного участка волоконно оптической системы передачи информации по энергетическому потенциалу системы L_Э и по дисперсии в волоконных световодах L_Д.

Часть исходных данных к расчету задается в таблице 1 и 2.

Выбор варианта производится по последней цифре номера студенческого билета. Остальные параметры выбираются студентом самостоятельно из таблицы 3 после изучения теоретического материала, значения выбираются из строк и столбцов произвольно в соответствии с заданным типом световода.

Студенту необходимо иметь в виду, что неправильный выбор параметров по таблице 3 приводит к ошибкам в расчете.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Для решения задачи изучите [ 1, c.61-69, 94-97; 2, c.412 - 418; 3, с.237-257; 5, с.38-48, 77-89].

Энергетическая длина участка L_Э рассчитывается по формуле

, где

- уровень мощности излучателя (в дБ м)

относительно уровня мощности Р₀= 1мВт;

- минимальный уровень мощности сигнала на входе фотодетектора (в дБ м) относительно уровня Р₀= 1мВт;

a_и-вс - потери на соединение излучатель - волоконный световод, дБ;

- число неразъемных соединений световод-световод;

L_сд- строительная длина кабеля, км;

a_н - потери на неразъемном соединении световод-световод, дБ;

a_вс-фд - потери на соединение световод-фотодетектор, дБ;

a - затухание в волоконном световоде, дБ/км;

L_э- длина участка регенерации, рассчитанная по энергетическому потенциалу системы, км;

Э - энергетический запас системы, дБ.

Потери на соединении излучатель - световод рассчитывается по формулам:

Для светодиода поверхностного типа и для суперлюминисцентного диода торцевого типа с излучающей площадкой a_s оптические потери при вводе излучения волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления радиусом сердцевины а и числовой апертурой NA равны

где

a_f - френелевские потери на отражение от торца волокна, a_f = 0.2 дБ.

m- коэффициент, характеризующий направленность излучения, m=1 - для светодиода поверхностного типа, m=3 - для суперлюминисцентного диода торцевого типа.

Потери на ввод излучения лазерного диода в световод со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 2а> а_s равны

Потери на ввод излучения в волокно с градиентным профилем показателя преломления примерно на 3 дБ больше по сравнению с волокном со ступенчатым профилем и аналогичными радиусом сердцевины и числовой апертурой.

Потери при стыковке волоконный световод-фотодиод

a_вс-фд @ 1.4 дБ.

Уровень мощности сигнала на входе фотодетектора определяется в зависимости от скорости передачи информации В (в Мбит/с) и типа фотодетектора (PIN или лавинный фотодиод) по формулам:

В< 50 Mбит/с .

В> 50 Mбит/с .

Для определения дисперсионной длины L_Д, по формулам:

дисперсия, или уширение оптического сигнала в волоконном световоде, s складывается из межмодовой и хроматической дисперсии:

s=(s² _меж +s²_хр)^1/2.

Хроматическая дисперсия, в свою очередь, состоит из волноводной и материальной дисперсии:

s_хр=s_В+s_мат.

Для многомодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления определяющей является межмодовая дисперсия, равная

где n₁, n₂ - показатели преломления сердцевины и оболочки световода, с - скорость света, L - длина световода, D=(n₁- n₂)/ n₁ - относительная разность показателей преломления.

В одномодовых световодах межмодовая дисперсия отсутствует, и уширение импульса определяется хроматической дисперсией

гдеDl- ширина спектра источника излучения; М(l) - удельная материальная дисперсия; W(l) - удельная волноводная дисперсия.

Зависимости D(λ), М(l) и W(l) для одномодового кварцевого световода приведены на рис.2, 3.

Рис.1. Спектральные зависимости удельных дисперсий для многомодового градиентного световода с длиной волны до 1.3 мкм.

Действие волноводной составляющей дисперсии сдвигает длину волны нулевой дисперсии до величины l = 1312 нм (см. рис. 2, кривая 1). Этот факт исполь­зуется при выборе длины волны источника (1310 нм) для работы с одномодовыми 0В. Используя несколько слоев оболочки и тем самым изменяя параметры волноводного тракта, можно сдвинуть длину волны нулевой дисперсии в диапазон 1500-1600 нм. Для этого оказалось достаточным использовать две оболочки (см. рис. 2, кривая 2) - этот тип оптоволокна получил название - оптоволокна со сдвигом дис­персии (DSF). Используя многослойную

оболочку (см. рис. 2, кривая 3 - оболоч­ка имеет 4 слоя), можно добиться почти плоской и близкой к нулевой дисперсион­ной характеристики (D= 1-6 пс/км*нм) в диапазоне длин волн от 1520 до 1650 нм. Так появилось волокно с ненулевой (и маломеняющейся) дисперсией (NZDSF).

Для NZDSF волокна из рабочего интервала выбрать заданные длины волн в соответствии с частотным планом. Необходимо выбрать марку оптического волокна. Рассчитать значения дисперсии для всех выбранных длин волн. Рассчитать значение длины регенерационного участка для минимальной и максимальной рабочей длины волны.

Рис. 2. Зависимость дисперсионного параметра волокна D от длины волны и числа оболочек:

SC - одна оболочка, DC - две оболочки, ОС - четыре оболочки.

Волокна со смещенной дисперсией имеют дисперсионную характеристику, нуль которой смещен в область центра третьего окна - 1550 нм (см. рис.2 и 3). Этот тип 0В с успехом использовался в синхронных оптических системах SDH. Учитывая широкое использование систем волнового мульти­плексирования, требующих оптимизации показателя преломления не в одной точке а в определенном диапазоне длин волн, например 1530-1565 нм и шире, волокна со смещенной нулевой дисперсией уступили место волокнам с ненулевой дисперсией.

Для NZDSF оптического волокна, если известна длина волны нулевой дисперсии и наклон дисперсионной кривой в точке нулевой дисперсии, то значение коэффициента дисперсии для рабочих длин волн, выбранных из частотного плана рассчитывается по формуле

D(λ)=(λ - λ ₀)∙ S_0.,

где S₀ - наклон дисперсионной кривой в точке нулевой дисперсии.

Для SF оптического волокна, длина волны нулевой дисперсии равна 1280 или 1312 нм и наклон дисперсионной кривой в точке нулевой дисперсии S₀ =0, 09пс/км*нм², то значение коэффициента дисперсии для рабочих длин волн выбранных из частотного диапазона рассчитывается по формуле

а)

б)

Рис. 3. а) Стандартный частотный план. б)Зависимость дисперсионного параметра D(λ) различных одномодовых 0В в окне 1550 нм.

С учетом того, что волноводная дисперсия в градиентном световоде существенно меньше межмодовой и материальной, выражение для суммарной дисперсии сигнала в градиентном световоде имеет вид

M(l) определяется из рис.1.

Оценивается среднеквадратичное удельное уширение импульса

.

Длина регенерационного участка с учетом дисперсии L_Д определяется из выражения: .

Таблица 1.

Условные обозначения:

СИД- светоизлучающий диод, СЛД- суперлюминисцентный диод,

ЛД- лазерный диод, ЛФД- лавинный фотодиод,

PIN- pin-фотодиод, МС - многомодовый световод со ступенчатым профилем показателя преломления сердцевины,

Г - градиентный световод, О - одномодовый световод.

Таблица 2.

Таблица 3.