Устройство ввода и вывода энергии на ВОЛС. Определение длины регенерационного участка.

Оптический тракт ВОЛС содержит специальные устройства (оптические соединители) для соединения разных элементов друг с другом. Основные тре­бования к ним: малые оптические поте­ри, надежность, простота сборки, низкая стоимость.

Соединители волоконных световодов чаще всего строятся или на непосредственном торцевом соединении световодов, или с применением коллимирующих и фокусирующих элементов. Неза­висимо от оптической схемы соединители делятся на два класса: неразъемные и разъемные. Неразъемные соединители обеспе­чивают минимально возможные оптические потери, в свою оче­редь, разъемные соединители позволяют осуществлять много­разовое соединение различных устройств. При непосредственном соединении волоконных световодов их специально обработанные торцы соединяются друг с другом. В неразъемных соединителях (рис.15.4) удаляется часть оболочки, а сердечники сращиваются друг с другом с помощью сплавления, сварки или склеивания. Кор­пус соединителя 1, в который иногда помещают отрезки ме­таллических или керамических стержней 2, обеспечивает необхо­димую прочность соединения. Для качественного соединения во­локон в разъемных соединителях их торцевые поверхности поли­руют и шлифуют, стараясь сделать их плоскими и параллельными друг другу (перпендикулярными оси волокон). После этого сое­диняемые концы закрепляются в армирующих наконечниках, кото­рые обеспечивают требуемое совмещение световодов, прочное и надежное закрепление в соединителе [41].

При торцевом соединении одинаковых световодов оптические потери, в соединителе зависят от взаимного расположения све­товодов (рис.15.5) и от отражений от торцов световодов. Оценить зависимость оптических потерь от величины радиального смеще­ния ∆r/а, от углового рассогласования Θ и от величины зазора ∆z/a(рис.15.5) можно по формулам и графикам, приведенным в [41, 63]. Это позволяет выбрать необходимую точность совмещения воло­кон. Например, для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ

радиальное смещение должно быть ∆r/ ≤ 0,2, что для многомодо-вых волокон с 2а≈50 мкм требует точность совмещения не хуже 5 мкм, а для одномодовых с 2а≈7 мкм-не хуже 0,7 мкм; угловое рассогласование на Θ= 1° приводит в многомодовых световодах к потерям порядка 0,3 дБ, а в одномодовых-0,8 дБ; оптические по­тери менее 0,5 дБ обеспечиваются в мнгогомодовых световодах при зазоре ∆r/a < 0,7, а в одномодовых при ∆r/a< 7. Соединители на основе торцевого соединения требуют при изготовлении весьма жестких допусков на положение соединяемых волокон. В настоя­щее время технология изготовления неразъемных соединителей хорошо отработана и обеспечивает потери порядка 0,1...0,ЗдБ. Однако жесткие допуски затрудняют создание качественных разъ­емных соединителей. Как правило, для обеспечения малых опти­ческих потерь в разъемных соединителях используются микролин­зы. Основным достоинством соединителей такого типа является слабая зависимость оптических потерь от взаимного расположе­ния микролинз, жестко связанных с волоконными световодами. На рис. 15.6 показаны некоторые схемы оптических соединителей с микролинзами. В этом случае излучение, выходящее из волокон­ного световода 1 с помощью линзы 2 преобразуется в широкий параллельный световой пучок (коллимируется), который с помо­щью второй фокусирующей линзы 3 вводится в выходной све­товод. Наиболее широкое применение нашли сферические (рис.15.5, а) и градиентные (рис.15.6, б) стержневые линзы. В схе­мах с линзами для получения малых оптических потерь требуется весьма высокая точность совмещения торцов световодов с фоку­сами линз. Например, в случае соединения многомодовых свето­водов для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ требуется точность совмещения ±5 мкм [41]. Кроме того, в схемах со сферическими линзами нельзя крепить волокно на поверхно­сти линзы, поскольку фокус линзы находится на некотором расстоянии от нее. Градиентная стержневая линза представ­ляет собой отрезок цилиндрического стержня, выполненного из стекла, показатель преломления которого уменьшается от оси стержня к его боковой поверхности, как в градиентном световоде (см. 10.7). Распростране­ние световых пучков в таком стержне аналогично распрост­ранению в градиентном свето­воде. При определенной длине отрезок стержня ведет себя как линза, причем фокус такой лин­зы находится на торцевой по­верхности стержня. Это позво­ляет крепить волоконный световод непосредственно к торцу стержня.

Применяемые в нас­тоящее время оптические со­единители с микролинзами име­ют величину оптических потерь 0,5...2дБ[41].

Важной характеристикой световода является так назы­ваемая числовая апертура NA. Ее необходимо учитывать при стыковке и возбуждении воло­кон. Числовая апертура волокна равна NA=sin(φ_max), φ_max -наибольший угол падения лучей на то­рец световода (рис.15.7), при котором преломленный (вошедший в сердечник) луч испытывает полное отражение от границы раздела сердечник-оболочка. Лучи, падающие на торец под углами φ< φ_max, образуют лучи, распространяющиеся внутри сердечника (лучи 1 и 2 на рис.15.7). Если луч падает на торец под углом φ< φ_max, то преломленный луч попадает на оболочку под углом па­дения меньше критического (луч 3 на рис.15.7), что приводит к вы­теканию энергии из сердечника в оболочку. Используя законы Снеллиуса, нетрудно показать, что

При соединении разных волокон на оптические потери в сое­динителе кроме рассмотренных выше факторов, оказывают влия­ние отличия волокон в числовой апертуре, диаметре сердечников и в количестве распространяющихся волн [41, 42]. Например, если по входному световоду мощность P1переносится М₁ волнами, то при идеальном соединении его с выходным световодом, по кото­рому распространяется М₂ волн, в выходной световод можно пе­редать мощность Поэтому для обеспечения минимальных оптических потерь при соединении многомодовых световодов необходимо, чтобы полное число мод входного световода не превосходило полного числа мод выходного световода, т.е. M₂>M_1. При реализации однонап­равленных соединений это условие является и достаточным. Если же предполагается через соединение передавать мощность как в прямом, так и в обратном направлении, данное условие следует заменить строгим равенством.

Соединители источников излучения с волоконными све­товодами.Для ввода излученной источником мощности Р_и в воло­конный световод используют специальные устройства. Одним из главных параметров таких устройств является эффективность ввода ζ=Р_B/Ри, где Р_B - оптическая мощность, введенная в све­товод. Величина ζ, зависит от величины излучающей площадки источника, его диаграммы направленно­сти, спектрального состава излучения, диаметра сердечника и числовой аперту­ры световода, количества мод, возбуж­даемых источником, и количества мод, направляемых световодом, взаимного расположения источника и световода, па­раметров используемых микролинз и ря­да других факторов. В качестве источни­ков оптического излучения наиболее широ-

кое применение в ВОЛС находят светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры. Сравнительные характеристики СИД и лазеров приведены в [42]. По основным параметрам, в первую очередь по спектру излучаемых частот и диаграмме направленно­сти излучения, СИД значительно уступают лазерам. Однако благо­даря низкой стоимости, простоте изготовления и высокой надеж­ности они находят применение в ВОЛС небольшой протяженности, с низкой скоростью передачи информации, где можно использо­вать многомодовые световоды с достаточно большим диаметром сердечника 2а и большой числовой апертурой NА

Обычно для увеличения излучаемой мощности СИД выпол­няют со сравнительно большой излучающей площадкой, диаметр которой 2а_и, как правило, больше диаметра сердечника много-модового волокна. Каждый элемент излучающей площадки СИД имеет диаграмму направленности в виде поверхности вращения, сечение которой (рис.15.8) плоскостью, проходящей через перпен­дикуляр к излучающей площадке, описывается функцией cos φ. Поэтому СИД применяют для возбуждения многомодовых свето­водов, используя торцевое соединение: торец волокна прибли­жают непосредственно с излучающей площадке СИД (см. рис. 15.8). При этом отражения от торца волокна уменьшают или заполняя зазор между диодом и волокном иммерсионным маслом, коэф­фициент преломления которого равен коэффициенту преломления сердечника волокна щ, или наносят на торец волокна просвет­ляющее покрытие, выполненное из диэлектрика с коэффициентом преломления n=√n₁ и имеющее толщину Λ/4. Если а_и≤а, то излу­чение каждого элемента излучающей площадки диода попадает в волокно и переносится там с помощью направляемых волн, при­чем волокном направляется не вся мощность, излучаемая каждым элементом, а только та часть, которая излучается в пределах уг­лов φ≤arcsin NA. Если а_и> а, то излучение элементов излучающей площадки диода, расстояния от которых до точки пересечения продольной оси волокна с излучающей площадкой диода больше а ,не направляется волокном. В этом случае максимально достижимая

эффективность ввода при торцевом соединении СИД с многомодовым волокном составляет ζ_тах = (NАа/а_и)²[65], а при соединении СИД с градиентным волокном, имеющим параболиче­ский профиль и такое же значение NА, величина ζ_тах будет вдвое меньше. Применение фокусирующих линз в этом случае не увели­чивает, а наоборот, лишь уменьшает ζ из-за потерь в линзе. Обычно при вводе излучения СИД в многомодовое волокно опти­ческие потери составляют 14...20 дБ [41].

Для возбуждения одномодовых волокон СИД не используют из-за низкой эффективности ввода (ζ<<1, так как а<<а_и). В этом случае применяют разные типы лазеров. Наиболее широкое при­менение находят полупроводниковые лазеры с одинарной и двой­ной гетероструктурой [42]. В таких лазерах полосковой геометрии светящаяся площадка обычно имеет прямоугольную форму с раз­мерами а_ихb_и (рис.15.9), диаграмма излучения которой предс­тавляет несимметричный лепесток с углами раскрыва 2φ_х и 2φ_у в соответствующих плоскостях. Типичные значения: а_и = 2...6мкм, b_и = 20...100мкм, φ_х=10...20°, φ_у=5...10°. Благодаря столь малым размерам светящейся площадки и узкой диаграмме направлен­ности эффективность ввода излучения в волокно при торцевом соединении гораздо выше, чем у СИД. Например, потери при вво­де излучения лазера в многомодовое волокно составляют 6...7 дБ, а в одномодовое 8...12 дБ[41]. Для повышения эффективности ввода излучения лазера в волокно применяют разнообразные оп­тические согласующие элементы: разные типы микролинз, поме­щаемые на торце волокна (рис. 15.10), или сферические и гради­ентные микролинзы и их комбинации, помещаемые между лазером и волокном (рис.15.11). Отметим, что в случае, когда площадь из­лучающей площадки меньше площади сердечника световода, применение микрооптических линзовых элементов позволяет по­лучить ζ = 0,8...0,9. На эффективность ввода излучения в волокно влияют также факторы, рассмотренные при соединении волокон (децентровка, угловое смещение и т.д.). В настоящее время сред­ние оптические потери при вводе излучения лазера в стандартное градиентное волокно составляют около 1 дБ, а в одномодовое во­локнооколо 3...6 дБ [41]. Полупроводниковые полосковые лазеры идеально подходят для возбуждения полосковых световодов. На основе таких лазеров строят оптические интегральные схемы ,включающие источник излучения [64]. Отметим, что в настоящее время находят применение волоконные лазеры [42]. Это твердо­тельные лазеры, одним из элементов которых является воло­конный световод. Использование таких лазеров позволяет с высо­кой эффективностью вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и в одномодовые.

Определение длины регенерационного участка

Длина регенерационного участка lру ВОЛС определяется передаточными характеристиками кабеля: его коэффициентом затухания a и дисперсией t.

Затухание кабеля приводит к уменьшению передаваемой мощности, что соответственно лимитирует длину регенерационного участка.

Дисперсия кабеля приводит к наложению передаваемых импульсов и как следствие к их искажению, и чем длиннее линия, тем больше вносимые искажения импульсов, что, в свою очередь, также накладывает ограничения на пропускную способность кабеля ∆F.

Длина регенерационного участка должна удовлетворять значениям, как затухания, так и дисперсии. Поэтому производится расчет длины регенерационного участка сначала исходя из допустимого значения по затуханию , затем исходя из требуемых значений дисперсии и пропускной способности . Из полученных двух значений и длин регенерационного участка выбирается наименьшее значение как отвечающее условиям затухания и дисперсии.

Допустимая длина регенерационного участка ВОЛС по затуханию км, определяется исходя из энергетического потенциала аппаратуры Ώ:

, (1.4.1)

lру = (43-5-1,54)/(0,95+7,64)=4.24 км

где Аз - энергетический запас системы (в среднем - 5 дБ), необходимый для компенсации эффекта старения аппаратуры и ОК компенсации дополнительных потерь, возникающих после проведения ремонтных работ на кабеле, случаев некачественного сращивания сростков ОК и других отклонений параметров участка в процессе эксплуатации.

Для расчета длины регенерационного участка по пропускной способности определим расчетную пропускную способность световода на 1 км длины (Мбит-км/с)

∆Fx=1/τ, (1.4.2)

где τ - дисперсия, c/км.

∆Fx=1/7,49*10-9=130 Мбит/с

Длина регенерационного участка по пропускной способности км. определяется из выражения

∆Fx=∆F , (1.4.3)

где ∆F - скорость передачи волоконно-оптической системы, Мбит/с.

=14.61 км

Из полученных значений и выбирается наименьшее, которое и будет являться значением длины регенерационного участка . Из данных расчетов можно сделать вывод, что длина регенерационного участка будет равна 4.24 км.

Рисунок 1.1 Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

 

 

14. Физическая сущность электрического и магнитного влияния между цепями кабелей связи. Электрическая и магнитная связь.

 

Индуцированные напряжения и токи опасного и мешающего влияний удобнее рассматривать, когда влияющей цепью (1) является однопроводная цепь, подключенная к источнику энергии. Цепь, подверженная влиянию (2), рассматривается как пассивная, никаких токов и напряжений, кроме индуцированных, в ней нет. Также будем считать цепи однородными по длине и параллельными в пределах сближения, длину цепей равной , а сопротивление земли . Обозначим электрические влияния символами , магнитные влияния – .

Электрические влияния. Если цепь 1 находится под напряжением , то через емкостную связь между проводами цепей 1 и 2 и изоляцию ток переходит с провода цепи 1 на провод цепи 2 (рис.3.4.). Когда цепи короткие и волновые процессы можно опустить, то напряжение постоянно по всей длине сближения. Введем характеристику электрического влияния – это коэффициент электрической связи , являющийся коэффициентом пропорциональности между напряжением во влияющей цепи и индуцированным током цепи, подверженной влиянию .

,

где - проводимость изоляции между проводами цепей 1 и 2 на 1 км сближения;

- емкость между проводами цепей 1 и 2 на 1 км сближения.

(3.2.)

Напряжение, индуцированное из-за электрического влияния, действует между проводом и землей. Поэтому ток , перешедший с цепи 1 на цепь 2, будет протекать через нагрузки, включенные в цепь в одном направлении, и по каждой из них пройдет ток .

 

Электрическое влияние ЛЭП и тяговых сетей на цепи автоматики, телемеханики и связи имеет смысл учитывать лишь тогда, когда обе линии воздушные, т. к. металлические защитные покровы кабелей или слой земли, покрывающий подземный кабель, практически полностью устраняют воздействие электрического поля.

Магнитное влияние (МВ).Допусти сначала, что цепь 2, подверженная влиянию, также однопроводная. Когда во влияющей цепи 1 протекает переменный ток , то в результате магнитной индукции по всей длине цепи 2 будет индуцироваться ЭДС, действующая вдоль провода, называемая продольной.

Значение продольной ЭДС определяется проще, когда ток во влияющей цепи не изменяется в пределах всего сближения. Практически это может быть при электрически коротких цепях.

 

Введем характеристику магнитного влияния – это коэффициент магнитной связи , показывающий полное взаимное сопротивление цепей 1 и 2 на 1 км параллельного сближения.

,

где - сопротивление общей заземленной части цепей 1 и 2 на 1 км сближения;

- взаимная индуктивность между цепями 1 и 2 на 1 км сближения.

; (3.3.)

Величины ( , , , ), которые учитываются в формулах (3.2.) и (3.3.) называются первичными параметрами влияний. Определив их значения и подставив в формулы (3.2.) и (3.3.), а результат в (3.1.), можем рассчитать электромагнитные влияния на однопроводной цепи, сравнить с нормой и принять необходимые меры защиты.

Результирующее значение величины для I определяется по закону Кирхгофа.

Значение U по квадратичному закону: