Расчет параметров волоконно-оптической линии связи

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

 

 

Курсовая работа

 

по предмету «компоненты волоконно-оптических систем связи»

 

 

Тема: Расчет параметров волоконно-оптической линии связи

 

       

 

 

 

 

 

       

        Проверил: преподаватель Дышлюк А.В.

 Выполнил: студент Алтухов А. Е.

   Группа: Р-4001 вариант 2

 

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток, 2008

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

 

1. Установка химического состава сердцевины волновода 4
2. Расчет коэффициентов преломления сердцевины и оболочки 4
3. Выбор диаметра сердцевины 5
4. Расчёт числовой апертуры 5
5. Расчёт затухания 5
6. Расчёт дисперсии 8
7. Расчёт длины регенерационного участка 9
8. Расчёт максимально возможной скорости для λ=1,55 мкм 10
9. Заключение 11

Задание курсовой работы

Исходя из номера своего варианта рассчитать следующие параметры волоконной линии связи:

- показатель  преломления сердцевины волоконного  световода;

- показатель  преломления оболочки волоконного  световода;

- нормированная (приведенная) частота волоконного  световода;

- диаметр  сердцевины волоконного световода;

- числовую  апертуру волоконного световода;

- затухание  волоконного световода;

- дисперсию  волоконного световода;

- длину регенерационного  участка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Установка химического состава сердцевины волновода

Номер моего варианта – 2, следовательно химический состав сердцевины следующий: 86,5% SiO2 и 13,5% G2O2.

2. Расчет коэффициентов преломления сердцевина и оболочки.

Рассчитывать коэффициенты преломления будем с помощию формулы Сельмейера:

где Аi и Ii определяются исходя из химического состава экспериментально. Для варианта 2 эти величины будут следующими:

.

Подставим коэффициенты Аi и Ii в формулу Сельмейера и рассчитаем показатель преломления оболочки n2(λ) и показатель преломления сердцевины n1(λ). Во избежание ошибок ввиду сложности расчётов производить их будем в математическом пакете MathCAD.

1. Длина волны λ=1,3 мкм.
2. Длина волны λ=1,55 мкм.

 

 

 

 

3. Выбор диаметра сердцевины для обеспечения одномодового режима

Одномодовый режим будет обеспечен, если характеристическая частота V<2,405. Выберем V=2,4 и найдём соответствующий этой частоте диаметр сердцевины:

 откуда ;

4. Расчёт числовой апертуры волоконного световода

Числовая апертура находится по формуле .

   Длина волны λ=1,3 мкм.                              Длина волны λ=1,55 мкм.

5. Расчёт затухания

 

Затухание в волноводах складывается из потерь поглощения, рассеяния, потерь на макро- и микроизгибы:

.

Рассчитаем каждое из затуханий отдельно и сложим результаты.

1. Потери поглощения.

Потери поглощения рассчитываются по формуле , где tgδ=2.4*10-12.

   Длина волны λ=1,3 мкм.                              Длина волны λ=1,55 мкм.

2. Потери рассеяния.

Затухание на рассеяние рассчитывается по формуле

,

где χ – коэффициент сжижаемости, χ=8,1*10-11 м2/Н.

   Длина волны λ=1,3 мкм.                              Длина волны λ=1,55 мкм.

3. Потери на макроизгибы

Потери на макроизгибы будем рассчитывать так:

,

где - относительная разность показателей преломления,а – радиус сердцевины, d – диаметр скрутки, S – шаг скрутки. d и S в методичке и описании не указаны, поэтому попробую оценить их. Во время практических занятий я работал с кабелем ОКСНМ-104-01-0,22-16-(8,0), в котором d ≈ 8 мм, S ≈ 100 мм. Используем для расчётов эти значения.

Длина волны λ=1,3 мкм.                              Длина волны λ=1,55 мкм.

4. Потери на микроизгибы.

Затухание на микроизгибах рассчитаем с помощью формулы

,

где k – коэффициент, зависящий от амплитуды и длины микроизгибов, 10<k<15; выберем k = 12.5; а- радиус сердцевины, ωо – радиус поля моды, , b – диаметр оболочки. b искать будем по правилу пропорции, зная диаметр своей сердцевины и диаметры сердцевины и оболочки в таблице 5 на стр. 17 методического пособия.

 

• Длина волны λ=1,3 мкм
• Длина волны λ=1,55 мкм

5. Коэффициент затухания.

Рассчитаем общий коэффициент затухания:

Для длины волны λ=1,3 мкм:

Для длины волны λ=1,55 мкм:

6. Расчет дисперсии

Из всех видов дисперсии в одномодных волноводах проявляются только материальная и волноводная. Рассчитаем каждый из этих видов дисперсии

1. Материальная дисперсия.

,

где Δλ – ширина спектра излучения лазера (Δλ = 4 нм для λ = 1,3 мкм, Δλ = 0,1 нм для λ = 1,55 мкм). Обозначим для облегчения работы MathCAD'у.

• Для длины волны λ = 1,3 мкм

 

• Для длины волны λ = 1,55 мкм

2. Волноводная дисперсия.

Волноводную дисперсию будем искать по формуле

• Для длины волны λ = 1,3 мкм
• Для длины волны λ = 1,55 мкм

3. Общая дисперсия

• λ = 1,3 мкм: ;
• λ = 1,55 мкм: .

 

7. Определение длины регенерационного участка

Длина регенерационного участка ограничена затуханием в оптическом кабеле и дисперсией. Определим максимальную длину регенерационного участка при ограничением дисперсией и затуханием.

1. Ограничение затуханием.

Учитывая затухания в волноводе, длина регенерационного участка определяется неравенством

км,

где Рпер – уровень мощности генератора излучения, дБм. В качестве источника излучения используется полупроводниковый инжекционный лазер, мощность которого Рпер = 10 мВт = 10*lg(10/1) = 10 дБм. αвх – потери на входе, 2<αвх <3, примем αвх = 2,5 дБ. αвых – потери на выходе, 3<αвх <5, примем αвх = 4 дБ. Рпр.мин - минимально допустимая мощность на входе фотоприёмника; учитывая скорость передачи данных (2 вариант, В = 2*50 Мбит/с = 100 Мбит/с, материал приёмника выберем ЛФД (GaJnAs)), Рпр.мин = -57,5 дБм. αнс – потери на неразрывных соединениях. Для магистральных линий допустимые потери на сварных соединениях не более 0,01 дБ (с этим я познакомился во время практики), а не 0,03 дБ, как указано в методическом пособии. С учётом того, что неразрывных соединений 2 (с каждой стороны волоконно-оптического кабеля), получаем αнс = 2*0,01 = 0,02 дБ. αрс – потери на разъёмных соединениях, 0,35< αрс<0.05, выберем αрс = 0,04 дБ. lcd - строительная длина оптического кабеля, lcd ≈ 2 км.

Определим максимальную длину регенерационного участка

Длина волны λ=1,3 мкм.                              Длина волны λ=1,55 мкм.

2. Ограничение дисперсией.

Длина регенерационного участка рассчитываем так:

.

Длина волны λ=1,3 мкм.                              Длина волны λ=1,55 мкм.

8. Расчёт максимально возможной скорости для λ=1,55 мкм

Так как при λ = 1.55 мкм lдисп>lзатух, рассчитаем максимально возможную скорость передачи данных.Длина регенерационного участка ограничена в этом случае затуханием, а не дисперсией. Поэтому можно оценить максимальную скорость передачи данных, подставив lp, рассчитанную из формулы для затухания в формулу для lp через дисперсию и выразить из неё В.

 

 

Заключение

Согласно 2 варианта, мной был установлен химический состав сердцевины волоконно-оптического кабеля, рассчитаны показатели преломления сердцевины и оболочки, которые составили n1 = 1.46839 и n2 = 1.44692 для λ = 1,3 мкм, n1 = 1.46598 и n2 = 1.44402 для λ = 1,55 мкм.

Диаметр сердцевины волоконного световода составил d = 3,9689 мкм для λ = 1,3 мкм и d = 3,9289 мкм для λ = 1,55 мкм, что является неплохими параметрами согласно рекомендациям G.652 и G.655 в табл. 5 на стр. 17 методического пособия (согласно этим рекомендациям d = 8.3 мкм).

Числовая апертура волоконного световода для λ = 1,3 мкм NA = 0.2502>0,2, для λ = 1,55 мкм NA = 0.2527>0,2, поэтому данный кабель не подходит для магистральных линий (для магистральных линий NA<0.2).

Затухание волновода составило дБ/км для λ = 1,3 мкм и дБ/км для λ = 1,55 мкм, при этом стоит отметить, что наиболее значительный вклад в затухание внесли потери на рассеянии – дБ/км для λ = 1,3 мкм и дБ/км для λ = 1,55 мкм, а вкладом потерь на микроизгибах можно вовсе пренебречь – дБ/км для λ = 1,3 мкм и дБ/км для λ = 1,55 мкм. Кабельные потери практически не зависят от длины волны излучения ( дБ/км для λ = 1,3 мкм, дБ/км для λ = 1,55 мкм для микроизгибов и дБ/км для λ = 1,3 мкм, дБ/км для λ = 1,55 мкм для макроизгибов), в отличие от собственных потерь.

Дисперсия составила 47,7471 пс/км для λ = 1,3 мкм и -0,7699 пс/км для λ = 1,55 мкм. Дисперсия для λ = 1,55 мкм получилась на много меньше дисперсии для λ = 1,3 мкм, потому что для λ = 1,55 мкм использовался лазер с шириной спектра Δλ = 0,1 нм, а для λ = 1,3 мкм – с Δλ = 4 нм. Нулевого значения материальной дисперсии при λ = 1,3 мкм добиться не удалось (материальная дисперсия получилась достаточно большой – 11,7762 пс/км при Δλ = 1 нм), как и компенсации дисперсии при λ = 1,55 мкм. Причина в том, что ноль материальной дисперсии в моём волокне для 2 варианта приходится не на λ = 1,3 мкм, а на λ ≈ 1,4353 мкм (τm = 0,022 пс/км при Δλ = 1 нм для λ = 1,4353 мкм).

Длина регенерационного участка составила 52,359 км для λ = 1,3 мкм (ограничена дисперсией) и 270,813 км для λ = 1,55 мкм (ограничена затуханием). Видно, что для данного волокна наиболее выгодная частота работы – 1,55 мкм: на этой частоте можно передать информацию на 270,813 км со скоростью 1,2 Гбит/с, а на частоте 1,3 мкм лишь на 52,359 км со скоростью 100 Мбит/с.