Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Курсовой проект - Расчет параметров волоконных световодов - файл 1.doc


Курсовой проект - Расчет параметров волоконных световодов
скачать (252 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc252kb.26.11.2011 08:58скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Расчет параметров волоконных световодов.

Порядок выполнения курсовой работы


  1. Произвести выбор материалов для сердечника и оболочки световода, рассчитать n1 и n2 при условии n1> n2 и обеспечении одномодового режима работы.

  2. Определить числовую апертуру световода.

  3. Определить коэффициент затухания световода.

  4. Определить дисперсию световода и максимальную ширину полосы пропускания на 1 км.

  5. Определить длину регенерационного участка.

  6. Сделать выводы.


Общие данные для всех вариантов:


  • Диаметр сердечника световода 2a=8,3 мкм;

  • Диаметр оболочки световода b=125 мкм;

  • Диаметр скрутки d=160 мм;

  • Шаг скрутки S=80 мм;

  • Коэффициент для расчета затухания на микроизгибах k=15;

  • Строительная длина оптического кабеля lсд=2 км;

  • Коэффициент ошибок pош=­10-9;

  • Скорость передачи информации B= 622 Мбит/с.



№ вари-анта

λ, нм

Δ λ, нм

Pпер, мВт

αвх, дБ

αвых, дБ

αнс, дБ

αрс, дБ

Способ

кодирования

8

1550

0,1

13

3

5

0,02

0,4

С невозвращением в нуль



^ Расчет показателя преломления компонентов волоконного световода.

При оценке показателя преломления стекол необходимо учитывать его зависимость от длины волны, т.е. спектральную зависимость, которая для диапазона длин волн 0,6-2,0 мкм характеризуется трехчленной формулой Селмейера :

,

где и ( =1, 2, 3) - коэффициенты, значения которых находятся экспериментально; λ - длина волны, мкм.

Для изготовления световодов применяют кварцевые стекла с добавками окиси германия, фосфора, повышающими показатель преломления кварца, и добавками окиси бора, фтора, понижающими показатель преломления стекла. Значения коэффициентов и для стекол различных составов приведены в табл. 1.

При определении показателя преломления основных компонентов волоконного световода, необходимо учитывать, что в качестве материала светоотражающей оболочки, как правило, применяется чистое кварцевое стекло (SiO2), а для изготовления сердечника - легированный кварц.

Расчитаем значения квадрата коэффициента преломления для материалов из таблицы 1: (крайняя правая колонка).

Таблица 1: Значения коэффициентов и для стекол различных составов

Cостав стекла

Тип коэффициента

Значение коэффициента при , равном

n2 (λ=1,55мкм)



1

2

3

SiO2




0,6961663
0,0684043

0,4079426
0,1162414

0,8974794
9,896161

2.08520422004

3,1% G2O2
96,9% SiO2




0,7028554
0,0727723

0,4146307
0,1143085

0,8974540
9,896161

2.0987363298

Оптические свойства выбранных материалов сердечника и оболочки должны обеспечивать одномодовый режим работы волоконного световода. Для этого необходимо рассчитать значение нормированной (характеристической) частоты

,

где - радиус сердечника световода, мкм;

λ - длина волны, мкм;

n1 – показатель преломления сердечника;

n2 - показатель преломления оболочки.
Выберем материалы для сердечника и оболочки световода. Если нормированная частота V<2,405, то в световоде распространяется лишь один тип волны НЕ11, и компоненты волоконного световода выбраны правильно. Если V≥2,405, то в световоде устанавливается многомодовый режим работы. Тогда необходимо осуществить повторный выбор материалов сердечника и оболочки, которые обеспечивали бы существование лишь одной моды в оптическом волокне. При α=8,3/2 мкм, V= 1.95694681513, значит компоненты волоконного световода выбраны правильно.


^ Расчет числовой апертуры световода.
Важной характеристикой световода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), которая представляет собой синус от апертурного угла(). Апертурный угол - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, воздействующего на торец световода. Числовая апертура рассчитывается по формуле

,

NA = 0.11632759673

где - относительная разность показателей преломления.

От значения NA зависят эффективность ввода излучения лазера в световод, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

Чем больше у волокон Δ, тем больше NA, чем легче осуществлять ввод излучения от источников света в световод. Оптические кабели применяемые для магистральной связи должны иметь числовую апертуру NA<0,2. В данном случае NA= 0.11632759673 ,что удовлетворяет условию.
^ Расчет затухания световодов.
Важнейшими параметрами световода является оптическое потери и соответственно затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность. Затухание световодных трактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (ас) и дополнительными потерями, так называемыми кабельными (ак), обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля, т.е.

.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (аn) и потерь рассеивания ap, т.е.

.

Под кабельными потерями понимают потери энергии на макроизгибы и микроизгибы:

.

Таким образом, полные потери в волоконном световоде составят:

.

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода :

, дБ/км

an = 0.061239006 дБ/км

где n1 - показатель преломления сердечника; - длина волны, мкм; - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде, равный .

Затухание на рассеяние рассчитывается по формуле :

, дБ/км

αр= 0.11453286808 дБ/км

где К - постоянная Больцмана, К = Дж/К; Т - температура перехода стекла в твердую фазу, Т = 1500 К; - коэффициент сжимаемости, м2/Н; λ - длина волны, м.

Потери на макроизгибы обусловлены скруткой волоконных световодов по геликоиде вдоль всего оптического кабеля и для ступенчатых стекловолокон рассчитываются по формуле :

, дБ/км,

αmacro= 0.20401403076 дБ/км

где - радиус сердечника, мкм; - относительная разность показателей преломления, d - диаметр скрутки, мм; S - шаг скрутки, мм.

Отношение S/d называется параметром устойчивости скрутки, который в оптических кабелях находится в пределах 12 - 30.

Дополнительное затухание за счет излучения при микроизгибах для одномодовых световодов рассчитывается по формуле

, дБ/км,

αmicro= 0.02716294606 дБ/км
где k - коэффициент, зависящий от длины и амплитуды микроизгибов,

k=10-15; a - радиус сердечника стекловолокна, мкм; b - диаметр оболочки, мкм; λ - длина волны, мкм.

- радиус поля моды, мкм,

, .

ω0= 5.31410952731 мкм

Таким образом, полные потери в волоконном световоде составят:

.

= 0.4069488509 дБ/км


Расчет дисперсии оптического волокна.
В световодах при передаче импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга. Данное явление в теории световодов носит название дисперсии.

Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивает длину участка регенерации. Дисперсия ограничивает также пропускную способность волоконно-оптических систем передачи, которая предопределяет полосу частот, пропускаемую световодом, ширину линейного тракта и соответственно объем информации, который можно передать по оптическому кабелю.

Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и появление спектра , существование большого числа мод.

Первая называется хроматической (частотной) дисперсией, которая делится на материальную и волноводную. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и связана со световодной структурой моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.

Второй вид дисперсии носит название модовой, которая, однако, в одномодовых световодах отсутствует полностью.

В одномодовых световодах проявляются материальная и волноводная дисперсии, расчет которых производится по формулам

= -2.09564728858 пс/км,

= 2.91013113157 пс/км,

где - ширина спектра излучения источника, при использовании в качестве источника излучения полупроводникового инжекционного лазера,
= 0,1 - 4 нм; - удельная дисперсия материала; - удельная волноводная дисперсия.

Коэффициент удельной материальной дисперсии рассчитывается по формуле

= -20.95647288584 пс/(км нм)

где - длина волны, мкм; с - скорость света, с = 300000 км/с;

- показатель преломления сердечника; и - коэффициенты выбираются из табл. 1 в зависимости от состава стекла сердечника в полном соответствии с предварительно выполненными расчетами .

Производная рассчитывается по формуле:

= -0.01201226732

Коэффициент удельной волноводной дисперсии рассчитывается по формуле :

= 29.1013113157 пс/(км нм)

где - длина волны, мкм; - относительная разность показателей преломления.

Полное уширение импульса за счет материальной и волноводной дисперсий, приходящееся на 1 км оптической магистрали, определится:

 

= 0.81448384299 пс/км.

Хроматическая дисперсия существенно ограничивает пропускную способность волоконных световодов. Максимальная ширина полосы пропускания на 1 км оптической линии приближенно определяется по формуле:

= 5.4021943319*1011 Гц км.


Определение длины регенерационного участка.
Исходя из экономичности оптической магистрали и качества передачи информации, желательно, чтобы длина участка регенерации была максимальной.

Длина регенерационного участка для выбранной аппаратуры передачи и заданном качестве связи определяется характеристиками оптического кабеля: затуханием и дисперсией. Затухание лимитирует длину участка по потерям в тракте передачи. Дисперсия приводит к расширению импульсов, которое возрастает с увеличением длины линии, что приводит к повышению вероятности ошибки передаваемой информации.
Определение длины регенерационного участка
по затуханию оптического кабеля.


Уровень оптического сигнала с увеличением расстояния от начала регенерационного участка уменьшается в соответствии с графиком, представленным на рис. 1, из которого следует:

,

где . - минимально допустимая мощность на входе фотоприемника, дБ м; - уровень мощности генератора излучения, дБ м; - потери в разъемном соединении используются для подключения приемника и передатчика к оптическому кабелю, дБ; - потери при вводе и выводе излучения из волокна, дБ; - потери в неразъемных соединениях, дБ; - коэффициент ослабления оптического волокна, дБ/км; - строительная длина оптического кабеля, км.



Величина носит название энергетического потенциала аппаратуры и определяется типом источника излучения и фотоприемника.

П= 52.13943352307

Из последнего выражения можно определить длину регенерационного участка, определяемого затуханием линии:



lp = 123.1792182967 км (1)

Современные способы сращивания оптических волокон, посредством сварки автоматическими устройствами, обеспечивают величину потерь на одном сростке в пределах 0,01-0,03 дБ.

Потери в лучших образцах разъемных соединителей (оптических коннекторах) составляют 0,35-0,5 дБ на одно соединение. Расчет энергетического потенциала производится следующим образом. Учитывая, что в аппаратуре STM в качестве источника излучения используется полупроводниковый инжекционный лазер, выходная мощность последнего составляет Pпер.

При использовании способа кодирования с невозвращением в нуль из выходной мощности источника излучения вычитается 3 дБм, а при коде с возвращением в нуль - 6 дБм, что обусловлено уменьшением средней излучаемой мощности кодированного сигнала по сравнению с непрерывным режимом.

Потери при вводе света в волокно для полупроводникового лазера составляют =3-5 дБ, при выводе света на фотоприемник - =2-3 дБ.

Требуемую чувствительность приемника выбирают исходя из принятой скорости передачи информации (В) и величины коэффициента ошибок (рош). На рис. 2 приведены зависимости чувствительности наиболее распространенных фотоприемников от скорости передачи информации (Рпр.мин.=f(В)) при рош=10-9.



^ Рис. 2. Зависимость чувствительных фотоприемников от
скорости передачи информации: 1 - ЛФД (Ge); 2 - ЛФД (GaJnAs)



Определение длины регенерационного участка
по пропускной способности оптического кабеля.


Дисперсионные явления в волоконном световоде приводят к появлению межсимвольной интерференции, для уменьшения которой необходимо, чтобы выполнялось следующее условие

,

где, В - скорость передачи информации; - уширение импульса в кабеле длиной 1 км.

Тогда длина регенерационного участка определится:



lp = 493.47726650644 км (2)

где, В - скорость передачи информации, Мбит/с; - уширение импульса, пс/км.

Целью расчета является определение максимальной длины регенерационного участка lp при условии одновременного выполнения неравенств (1) и (2), значит берется меньшее значение, т.е.

lp<= 123.1792182967 км
Вывод: в ходе выполнения работы был определен выбор материалов для изготовления оптоволокна с заданными параметрами, исходя из экономичности оптической магистрали и обеспечения требуемого качества передачи информации, выбираем длину регенерационного участка – 123 км. Более протяженный участок приведет к увеличению дисперсии и расширению импульса, что может привести к повышению вероятности ошибки при передаче информации.


Скачать файл (252 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации