Оптические системы связи в телекоммуникациях

Республика  Казахстан

Кафедра Телекоммуникационных Систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расчетно-графическая  работа № 1

По дисциплине: Оптические системы связи в телекоммуникациях

 

 

 

 

 

 

 

Приняла:

“___”__________2008

 

Выполнил: студент

З.к. № 777777

Семененя А. К.

 

 

 

 

 

Алматы 2008

 

ЗАДАНИЕ

 

Задача 1

Определить число мод, распространяющихся в оптическом волокне  оптического кабеля типа ОКК-50-01-4. На сколько измениться число мод при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы.

 

Задача 2

На сколько измениться критическая частота в оптических волокнах оптического кабеля типа ОКЛ-01 при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы? Значение параметров ОВ – n2; тип волны HE12.

 

Задача 3

Насколько измениться критическая  длина волны в оптических волокнах оптического кабеля типа ОКЛ-01 с диаметром сердцевины 10 мкм, если изменился передаваемый тип волны и вместо Е01 передается НЕ21?

 

Задача 4

Определить на сколько  изменяться собственные потери в  оптическом волокне, если передача сигнала будет передаваться не в третьем, а в четвертом окне прозрачности

 

Задача 5

Расчет режимов работы регулярного одномодового волоконного  световода.

1. Для заданной длины волны излучения, определить конструктивные параметры волоконного световода, обеспечивающие его одномодовый режим.
2. Определить числовую апертуру этого световода и его апертурный угол.
3. Оценить величину уширения импульса одномодового световода длиной L, считая, что вся его дисперсия определяется дисперсией материала. Световод возбуждается с помощью СИД и ПЛ. Величины среднеквадратичной спектральной ширины (дисперсии) источников излучения s(l) приведены в таблице 2.5, 2.6.
4. Определить эффективность ввода излучения в данный световод, если задан размер излучательной площадки источника излучения (аСИД и аПЛ). Кроме того, следует дать рекомендации по повышению эффективности ввода излучения в световод. Считать, что степень вытянутости диаграммы направленности источников излучения k (каппа) равна для СИД и ПЛ - 5 и 50, соответственно.
5. Нарисовать схему стыковки двух волоконных световодов «встык» с осевым зазором. Определить допустимую величину осевого зазора при стыковке двух одномодовых волоконных световодов, если задана максимальная величина затухания на стыке аст в дБ. Считать, что величины поперечного и углового смещений равны нулю, но следует учесть величину потерь за счет отражений Френеля на торцах световодов.

 

Содержание

 

 

Введение

 

Современные волоконно-оптические системы передачи обладают большими скоростными возможностями и широкополосностью, стабильностью и надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации. Чтобы отвечать этим качествам, все их элементы должны функционировать в строгих технических рамках.

Для волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), как и  для любой кабельной системы (на коаксиальных или симметричных кабелях), существуют общие параметры, измерять которые необходимо при строительстве, пуско-наладочных работах, сертификационных и пусковых испытаниях, а также в процессе эксплуатации при проведении профилактических работ. Вместе с тем ВОСП присущи существенные особенности, обусловленные тем, что носителем информации является поток фотонов.

 

ЗАДАЧА 1

 

1.1 Исходные данные:

 

1.2 Расчет увеличения  числа мод при увеличении диаметра  сердцевины

Передача сигнала осуществляется на длине волны l=1,3 мкм. Для дальнейшего решения воспользуемся формулой:

 

,

 

где V – нормированная частота;

 а – радиус сердцевины волокна;

 n₁ – показатель преломления сердцевины волокна;

 n₂ – показатель преломления оболочки;

 l - длина волны оптического сигнала.

 

Определение, на сколько измениться число мод, при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы:

 

Для (м):

.

Изменим диаметр сердцевины:

 

(м);

 

Для (м):

.

 

Определение на сколько изменилось число мод:

 

 

При увеличении диаметра сердцевины в пределах нормы, число мод увеличивается на .

 

ЗАДАЧА 2

 

2.1 Исходные данные:

 

2.2 Расчет изменения критической частоты

Определение значения коэффициента преломления n₁:

 

,

 

Нахождение критической частоты:

 

,

 

где n₁, n₂ – показатели преломления сердцевины, оболочки;

  - скорость света;

  – значение корней функции Бесселя для различных типов волн;

 D – Диаметр сердцевины оптического волокна.

 

 Для

 

 

 

 Для

 

Определение, на сколько изменится критическая частота при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы.

 

.

 

Значение критической частоты изменилось на .

 

ЗАДАЧА 3

 

3.1 Исходные данные:

 

3.2 Расчет изменения  критической длины волны при  изменении типа волны

Коэффициент преломления n₂:

 

.

 

Критическая длина волны:

 

 

Для типа волны Е₀₁:

 

;

 

Для типа волны НЕ₂₁:

 

 

Значение критической длины волны при замене типа волны Е₀₁ на НЕ₂₁ изменится на:

Длина волны уменьшится  на 2.559 мкм.

 

ЗАДАЧА 4

 

4.1 Исходные данные:

 

4.2 Расчет изменения  собственных потерь в оптическом  волокне при изменении окна прозрачности

Определение значения коэффициента преломления n₁:

 

.

 

Потери энергии на поглощение:

 

При работе на длине волны 1.55 мкм (третье окно прозрачности):

 

(дБ/км);

 

При работе на длине волны 2.4 мкм (четвертое окно прозрачности):

 

(дБ/км).

 

Потери энергии на рассеяние:

 

,

 

где - коэффициент рассеяния

 

При работе в третьем окне прозрачности:

 

(дБ/м);

 

При работе в четвертом окне прозрачности:

 

(дБ/м);

 

Собственные потери в третьем окне прозрачности:

 

(дБ/км).

 

Собственные потери в четвертом окне прозрачности:

 

(дБ/км).

 

При изменении передачи сигналов из третьего окна прозрачности в четвертое собственные потери уменьшаться на:

 

(дБ/км).

 

ЗАДАЧА 5

 

5.1 Исходные данные:

 

5.2 Расчет

Учитывая, что в световоде границей раздела сред, «сердцевина — оболочка» являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Прохождение  лучей в двухслойном световоде

 

По законам геометрической оптики в общем виде на границе «сердечник — оболочка» будут падающая волна с углом φп, отраженная с углом φ0 и преломленная волна с углом φпр (рисунок 1, точка А). Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т. е. при , волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рисунок 1, точка В). Угол падения , начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т. е. при , называется углом полного внутреннего отражения: , где — соответственно показатели преломления сердечника и оболочки.

При энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и распространяется по световоду (рисунок 1, луч 3 в точке В). Чем больше угол падения волны ,т. е. в пределах от до 90°, тем лучше условия распространения и тем быстрей волна придет к приемному концу. В этом случае энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается во вне. При угле, меньшем угла полного внутреннего отражения, т.е. , энергия приникает в оболочку, излучается во внешнем пространстве, и передача по световоду не эффективна (рисунок 1, лучи 1 и 2 в точках А и Б).

Рисунок 2 – Апертура волоконного  световода

 

Режим полного внутреннего отражения  предопределяет условие подачи света  на входной торец волоконного  световода. Как видно из рисунка 2, световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла ( ), величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения ( ). Этот телесный угол характеризуется апертурой.

Для обеспечения одномодового режима работы световода на заданной длине волны l, зададимся минимально допустимым из технологических соображений диаметром сердцевины . Одномодовый режим реализуется, если нормированная частота V<2.405.

При N=1:

 

,

 

следовательно, условие одномодового режима выполняется.

 

  ,

 

Показатель преломления оболочки n₂ световода:

 

.

 

Числовая апертура:

 

 

Для одномодовых световодов среднеквадратичное уширение импульса на длине волоконно-оптической линии, длиной L, и длине волны l, определяется выражением

 

,

 

 где s_(l) - дисперсия (среднеквадратичная ширина) спектра излучения источника излучения;

  – удельная дисперсия материала, зависящая от состава стекла. Типичное значение производной ,

 

 

Эффективность ввода излучения  в световод для случая, когда размер излучательной площадки источника излучения (СИД) а_СИД больше размера сердцевины волокна равна:

 

,

 

где а_СИД – радиус излучательной площадки светоизлучающего диода;

а – радиус сердцевины световода,

 

 

При соединении «встык» ни одна оптическая система не может повысить значение η, достигаемого при прямой стыковке светоизлучающей площадки светодиода и торца оптического волокна, а учитывая неизбежные потери на френелевское отражение и на поглощение, только ухудшает эффективность ввода.

В случае, когда площадь излучающей площадки меньше площадки сердцевины световода , эффективность ввода может быть повышена до 80…90 % за счет применения микрооптических или градиентных линз, фоконов, линз на торцах волоконных световодов.

При определении допустимого осевого зазора стыкуемых световодов, следует при заданной величине затухания в дБ, определить допустимую величину светопропускания:

 

,

,

,

 

где a - затухание на стыке волоконных световодов;

t - величина светопропускания стыка двух световодов.

 

Далее следует учесть, что величина светопропускания определяется не только за счет осевого рассовмещения, но также  и за френелевского отражения на границах стекло-воздух.

 

,

 

где t_расс – величина светопропускания за счет рассовмещения.

При осевом рассовмещении:

 

 ,

 

где а – радиус сердцевины световода;

 z – величина осевого зазора стыкуемых световодов;

θ_A – апертурный угол световода;

t_фр – величина светопропускания за счет отражений Френеля.

При наличии двух границ раздела  стекло-воздух величина светопропускания за счет отражений Френеля:

 

,

,

 

где n₀ – показатель преломления среды, заполняющей зазор между световодами. В случае заполнения его воздухом, n₀ = 1.

 

 

 

Величину светопропускания:

 

.

 

Величина осевого зазора стыкуемых световодов: