Федеральное агентство связи

Бурятский филиал ГОУ ВПО СибГУТИ.

 
 
 
 
 
 
 

 
 

Контрольная работа 

По дисциплине: 

«Волоконно-оптические системы передачи». 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

     г. Улан – Удэ 

     2011г.

ВВЕДЕНИЕ

      Функционирование  всех компонентов ВОЛС основано на фундаментальных законах распространения света в материальных средах. Поэтому для правильного понимания, а в дальнейшем – расчета и конструирования компонентов ВОЛС, необходимо знать основные физические закономерности, определяющие передачу информации с помощью оптических волн. Для описания процесса их распространения пользуются волновым и лучевым методами. В рамках классической физики уравнения Максвелла позволяют точно решить практически любую электродинамическую задачу. Однако во многих случаях крайне сложно, а подчас и нецелесообразно искать точные решения на базе электродинамики. Так например, в зависимости от размеров поперечного сечения в волоконных световодах пользуются методами геометрической оптики, если их поперечное сечение намного больше длины волны излучения и волновыми методами – когда поперечное сечение сравнимо ч длиной волны.

      Учение  о физических явлениях, связанных  с распространением и взаимодействием с веществом или устройствами электромагнитных волн, длина которых лежит в интервале 10^-4 … 10^-9 м называется оптикой.  Для целей передачи и обработки информации используется не только видимая человеческим глазом часть электромагнитного спектра (0,4 … 0,7 мкм), но также и ближняя часть инфракрасного спектра вплоть до 6 мкм. Волоконно – оптической системой передачи (ВОСП)  называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние с помощью оптических волн (мод) и сигналов. Таким образом, ВОСП – это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи, с помощью которых создаются, передаются и обрабатываются оптические сигналы. Оптическим сигналом служит модулированное оптическое (световое) излучение лазера или светодиода, переносимое в оптической линии передачи (среде) в виде совокупности собственных оптических волн (мод) этих линий передачи. 
 

1. Волоконные  световоды и оптические кабели

1. Благодаря какому физическому явлению световые волны распространяются  вдоль оптического волокна?

      Принцип  распространения   оптического  излучения  вдоль   оптического  волокна основан на  явлении  полного внутреннего отражения на границе сред с разными показателями преломления. Полное внутреннее отражение может происходить на поверхности раздела сред только тогда, когда луч света распространяется из оптически более плотной среды (например, стекло n₁=1,5) в оптически менее плотную среду (например, воздух n_o=1), и никогда не происходит в обратном случае.

2. Назовите основные виды дисперсии в ОВ и причины, ее вызывающие.

 

      К основными видам дисперсий относятся  модовая, и хроматическая. Модовая дисперсия связана с различным временем прохождения участка волокна световых мод, двигающихся по разным траекториям. Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения, т. е. составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс.

3. Какие виды дисперсии являются определяющими для многомодовых и одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления?

      В волокне со ступенчатым профилем показателя преломления преобладает модовая дисперсия вследствие большой разницы времен пробега между осевым и граничными лучами. В градиентном световоде с оптимальным профилем показателя преломления обе дисперсии становятся приблизительно одинаковыми. Напротив, в мономодовом волокне модовая дисперсия не имеет значения и только материальная дисперсия определяет характеристику передачи.

4. Какой вид дисперсии характерен для световодов с градиентным профилем показателя преломления?

      У  градиентных  световодов  с  плавным  параболическим  законом  изменения  показателя  преломления происходит  выравнивание  времени  распространения  различных  мод  и  определяющей  является  материальная  дисперсия.

5. Какие длины волн в ОВ соответствуют минимуму его затухания?

     Минимум   затухания  наблюдается  в трех окнах прозрачности  на   длинах  волн: 0,85 мкм, 1,3 мкм, 1,55 мкм.

     

6. Какие характерные размеры  сердцевины и оболочки многомодовых и одномодовых  ОВ вам известны?

7. Назовите  особенности конструкции  оптического кабеля (ОК).

      Оптические  волокна (голые) не используются, в условиях эксплуатации их поверхность защищают от влаги и механических повреждений специальной оболочкой. Затем волокна помещаются в модули с силиконовым или гидрофобным заполнением. Далее конструкция кабеля выполняется в зависимости от его назначения. Металл используется в оптических кабелях в качестве силового элемента, броневого покрова, цепей питания

8. С какими целями в некоторых конструкциях ОК используются металлические  стержни и провода?

      Металлические элементы в конструкциях ОК используются в качестве несущего конструктива, а провода изготавливают из меди и используют для подачи дистанционного питания.

9. Какими преимуществами и недостатками обладают ОК по сравнению с металлическими кабелями (МК)?

ОК имеют следующие преимущества:

• Широкая полоса пропускания.
• Малое затухание оптического сигнала в волокне.
• Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле.
• Высокая помехозащищенность.
• Малый вес и объем.
• Высокая защищенность от несанкционированного доступа.
• Гальваническая развязка.
• Взрыво-пожаробезопасность.
• Экономичность.
• Длительный срок эксплуатации.
• Возможность подачи электропитания.

    Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, высокая стоимость работ по монтажу, тестированию и ремонту ВОЛС, требование специальной защиты оптического волокна; относительно высокая стоимость лазерных источников излучения.  

ЗАДАЧА  №1.

     

      Определить  дисперсию ОВ, его числовую апертуру, полосу пропускания и максимальную скорость передачи ВОСП, работающий по данному волокну длиной L_у с показателями преломления n₁, n₂, затуханием α_к, дБ/км. Источник излучения работает на длине волны λ₀ и характеризуется шириной спектра излучения ∆ λ_0,5, измеренной на уровне 0,5 от величины максимальной мощности.

Дано:

Одномодовое ступенчатое оптическое волокно.

L_у км = 60

λ₀ мкм = 1,3

λ_0,5 нм = 5

n₁ = 1,49

n₂ = 1,49

α_к  дБ/км = 0,8

 

      Дисперсия – временные искажения передаваемых сигналов приводящие к увеличению их длительности (уширению). Она возникает по двум причинам:

некогерентность источников излучения и существование  большого количества мод. Дисперсия  вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) τ_хр, она состоит из двух составляющих – материальной τ_м и волноводной (внутримодовой) τ_в дисперсией. Причина хроматической дисперсии – некогерентность источника излучения. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная  дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

      Дисперсия, вызванная второй причиной, называется  модовой (межмодовой) τ_мод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Уширение импульсов в результате дисперсии, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяемое как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечение световода на расстоянии от начала в 1км.   

         

                                      Σ_рез = √ σ²_мм + σ²_хр

Числовая  апертура находится по формуле:

            

                    NA = √n²₁ – n²₂ = √1,49² – 1,49² = 0 

Дисперсия для ООВ рассчитывается по следующей формуле:

нм

Значения и находим из табл.2 методических указаний.

= -3 пс/нм*км

= 5 пс/нм*км

Находим  полосу  пропускания  1  километра  ОВ  в  МГц*км. 

                             Fов Ly= ГГц*км. 

     ∆F_у – полосу  пропускания участка ОВ находят из соотношения:

     где γ=1 для ООВ

           ∆F_у = 0,187 / 5*10^-12*60¹ = 623,33 МГц*км   

Скорость передачи численно (примерно) равна полосе пропускания, т.е.

V = 623 Мбит/с

2   Источники излучения  и оптические модуляторы

       2.1. Какие источники света (ИС)  применяются в ВОСП?

      В качестве ИС в современных ВОСП применяются  светизлучеющие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ПЛ).

     2.2. Какие основные характеристики  ИС вам известны?

      Главнейшие, это сила излучаемого света и яркость.  Сила света, измеряется в канделах и, условно говоря, показывает насколько велика мощность видимого света, излучаемого в данном направлении.  Яркость - это сила света, исходящего с единицы площади источника. Единица её измерения - кандела на квадратный метр (кд/м2), а также электротехнические характеристики это потребляемый ток и напряжение питания.

     2.3. Почему  в  качестве  одного  из  основных  параметров  ИС используется  ток  накачки, а  не  напряжение  на  ИС?

      Зависимость мощности излучения от тока накачки  описывается ватт-амперной характеристикой  лазерного диода. При малых токах  накачки лазер, испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности.