Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » Толмачева Алина Ивановна

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

Толмачева Алина Ивановна — Tue, 15 Nov 2016 08:54:59 +0000

В последнее время все большее распространение в области передачи информации получили волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В основе применения волоконно-оптических сетей лежит принцип распространения света через оптическое волокно (ОВ) на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по ВОЛС. ВОЛС обладает ряд преимуществ, к основным из которых следует отнести широкую полосу пропускания, обусловленную высокой несущей частотой – до 10¹⁴ Гц. Такая полоса дает возможность передавать потоки информации со скоростью 100 Тбит/с. Также ВОЛС имеет такие факторы, как малое затухание сигналов, которые позволяют при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, также высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью ОВ к электромагнитным помехам, и многое другое.
Необходимо изучать принцип распространения света через оптическое волокно и совершенствовать его технические характеристики и параметры.
Оптическое волокно – оптический волновод, выполненный в виде нити из диэлектрических материалов с покрытием.
Внешняя часть ОВ изготавливается из пластмассы, которая имеет высокую механическую прочность, высокий коэффициент преломления света.
Основная часть ОВ состоит из сердечника и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, что является основным способом передачи оптических сигналов.
Для передачи свет вводится под небольшим углом в торец ОВ. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна α₀ называется угловой апертурой ОВ [2, c. 17]. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

(1)

Из формулы, приведенной выше, следует, что числовая апертура NA ОВ, зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки – n1 и n2. При этом всегда выполняется условие: n₁>n₂.
Если угол падения света α больше, чем α₀, то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник ОВ. Если угол αменьше, чем α₀, то происходит отражение от границы материалов сердечника от оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника.
Скорость распространения света в ОВ зависит от показателя преломления сердечника волокна и определяется как:

(2)

C- скорость света в вакууме, n-показатель преломления.
Показатель преломления материала ОВ, необходим источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели подходят лазеры, которые позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в волокне возникает явление интерференции. Это может быть доказано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Возникает так называемая конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в ОВ, называются модами (или собственными волнами). В соответствии с типами распространения световых лучей, ОВ делятся на многомодовые, то есть использующие ряд световых волн, и одномодовые, в которых происходит распространение только одного светового луча. Для описания процессов распространения света в ОВ используются несколько основных параметров.
К параметрам передачи ОВ относятся: коэффициент затухания, оптические возвратные потери, коэффициент обратного отражения, затухание в соединителях ОВ, дисперсия одномодового ОВ, ширина полосы пропускания многомодового ОВ.
Затухание в ОВ – это мера ослабления оптической мощности, распространяемого вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны.
Затухание сигналов в оптическом кабеле (ОК) обусловлено собственными потерями мощности в изолированных прямолинейный ОВ и дополнительными потерями, возникающими в результате сборки ОВ в кабель [1, c. 35]. Таким образом, коэффициент затухания ОВ в кабеле определяется как

(3)

Для определения полного коэффициента затухания ОВ должны быть учтены все факторы: потери ввода, потери поглощения, потери рассеивания, потери изгиба, потери на соединении потери вывода
Полоса пропускания волокна является одним из самых важных параметров ОВ при передачи высокоскоростных цифровых сигналов. Она во многом определяется его дисперсионными свойствами.
Так как световой импульс во время распространения по волокну искажается как по амплитуде, так и по длительности, это заметно сказывается на возможностях передачи коротких импульсов на больших битовых скоростях. На практике волокно ведет себя, как фильтр низких частот.
Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.
Дисперсия ОВ – различие групповых скоростей различных составляющих оптического излучения.
Дисперсия определяется разность квадратов длительных импульсов на выходе и входе ОВ:

(4)

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направленных мод, направляющими свойствами ОВ и параметрами материала, из которого оно изготовлено.
В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).
ВОЛС дает возможность передавать потоки информации со скоростью 100 Тбит/с, имеет малое затухание сигналов, что позволяет строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, имеет высокую помехозащищенность и многое другое. Существует большое количество разных по классификации световодов, поэтому необходимо изучать принцип распространения света через оптическое волокно, совершенствовать его технические характеристики и параметры, улучшать качество передачи сигнала.

Рекомендации по расчету оптического затухания при проектировании оптической магистрали протяженностью 150 км

Толмачева Алина Ивановна — Wed, 30 Nov 2016 11:48:38 +0000

В последнее время в жизни человека особую роль занимают современные информационные технологии. Еще совсем недавно, в конце 80-х – начале 90-х годов прошлого века люди становились в очередь, чтобы получить домашний телефон в квартиру и годами ждали исполнения своей заветной мечты…
Сейчас все изменилось коренным образом. Практически у каждого человека есть свой мобильный телефон и не один. Большая часть населения не представляют, как можно обойтись без компьютера или ноутбука, без факса, принтера и сканера. Мы всем этим пользуемся ежедневно, не вникая, каким образом происходит передача звука и изображения (фото-видео информации). Мы не задумываемся, как сигнал преобразовывается, усиливается и затухает…
Авторы статьи сами являются студентами университета телекоммуникаций и связи и хотят в данной статье помочь своим сокурсникам и всем кто связан с данной областью, разобраться с затуханием в оптическом кабеле, а также подробно произвести расчет оптического затухания на примере проектирования оптической магистрали протяженностью 150 км.
И так, давайте разбираться. Мы знаем, что оптический сигнал по мере распространения в оптическом волокне (ОВ) затухает. Соответственно, происходят потери светового излучения в ОВ, которые можно разделить на потери, а если быть точнее, то на поглощение в инфракрасной области спектра, что обусловлено хвостами резонансов атомов в кристаллической решетке. Кроме того потери происходят во время поляризации оптического сигнала из-за материала световода и из-за неоднородности показателя преломления, которые возникают в процессе варки стекла. Потери также возникают за счет наличия примесей и на микроизгибах ОВ. Еще потери возникают в защитной оболочке и имеются потери термомеханического характера. А также потери возникают в местах сварки строительных длин кабеля в неразъёмных и в разъёмных соединениях. Кроме этого необходимо учитывать фактор времени, т.е. ухудшение характеристик компонентов участка трассы со временем, условиями его эксплуатации и обслуживания.
А теперь непосредственно приступим к расчетам оптического затухания для 150-километровой оптической магистрали. В нашем случае для расчета затухания применим стандарт TIA/EIA-568-B.1 [1]. У нас получается, что суммарное предельно допустимое затухание рассчитывается как сумма затухания в собственно кабеле, в коннекторах и оптических муфтах:

А затухание в кабеле рассчитывается как произведение коэффициента затухания на длину.

Чтобы определить коэффициент затухания для ОВ обратимся к рекомендациям «Международного союза электросвязи». Из данных рекомендаций мы выбираем показатель G.654 – это характеристика одномодового оптического волокна и кабеля со смещенной дисперсией и отсечкой [2].
Данный показатель описывает одномодовые волокна со смещенной дисперсией и отсечкой при длине волны около 1550 нм. Эти волны предназначены для передачи сигнала на большие расстояния, например наземные системы дальней связи и магистральные подводные кабели с оптическими усилителями. Применим этот показатель для наших расчетов, т.е. коэффициент затухания на длине волны 1550 нм = 0,22 дБ/км.

Мы знаем, что потери в коннекторах определяется по формуле:

где n_con – количество коннекторов.

А потери в оптических муфтах определим по формуле:

где n_{opt coupling} – количество оптических муфт.

Теперь, для того чтобы определить потери в коннекторах, которые используются в нашей 150-километровой магистрали, нам необходимо знать количество самих коннекторов. Чтобы рассчитать минимальное количество коннекторов для магистрали, мы применим формулу:

где L_{opt cab} – это строительная длина оптического кабеля, а L – это общая длина магистрали.
И вот, зная количество коннекторов, рассчитаем потери:

Теперь приступим к расчету затухания в оптических муфтах. На рассчитываемый нами 150-километровый участок потребуется 150 оптических муфт, из расчета одна оптическая муфта на 1 км. И вот результат, потери в оптических муфтах составляют:

Таким образом, зная количество коннекторов, количество оптических муфт, тип и длину кабеля, можно самостоятельно рассчитать максимально допустимое затухание в оптической магистрали:

Нам кажется, что данные знания помогут студентам и всем, кто связан с расчетами в области коммуникационных систем в учебной и повседневной рабочей деятельности, поможет правильно и грамотно производить необходимые расчеты.