Диплом: Реконструкция волоконно-оптической линии связи 
Собственное поглощение кварцевого стекла определяется поглощением фотонов при
котором энергия фотона переходит в энергию электронов или в колебательную
энергию решетки. Спектр собственного электронного поглощения кварцевого стекла
лежит в ультрафиолетовой области (
< 0,4 мкм). Спектр поглощения решетки лежит в инфракрасной области (
> 7 мкм). Поскольку структура кварцевого стекла аморфная, полосы поглощения
имеют размытые границы, а их «хвосты» заходят в видимую область спектра. Во
втором и третьем окнах прозрачности в ди8=]апазоне длин волн 1,3-1,6 мкм
потери, вызванные собственным поглощением, имеют порядок 0,03 дБ/км.
 — коэффициент
затухания, обусловленный рэлеевским рассеиванием на неоднородностях материала
ОВ, размеры которых значительно меньше длины световой волны, и тепловыми
флуктуациями показателя преломления. Этот вид рассеяния определяет
теоретическую границу, ниже которой затухание не может быть уменьшено и в
современных ОВ является основным источником потерь в рабочих областях спектра.
Рэлеевское рассеяние вызывается рассеянием на неоднородностях показателя
преломления, возникших в расплавленном кварце в связи с локальными
термодинамическими флуктуациями концентрации молекул (плотности) кварца из-за
их хаотического движения в расплавленном состоянии. При затвердевании волокна
неоднородности, возникшие в расплавленной фазе, застывают в структуре
кварцевого стекла. Колебания плотности приводят к случайным флуктуациям
показателя преломления в масштабе, меньшем, чем длина световой волны 
.
 — коэффициент
затухания, вызванный присутствующими в ОВ примесями, приводящими к
дополнительному поглощению оптической мощности, это ионы металлов (Fe, Cu, Ni,
Mn, Cr), вызывающие поглощение в диапазоне длин волн 0,6-1,6 мкм, и
гидроксильные группы (ОН), из-за которых появляются резонансные всплески
затухания  на
длинах волн 0,75 мкм, 0, 97 мкм и 1,39 мкм.
 —
дополнительные потери, определяемые деформацией ОВ в процессе изготовления
кабеля, вызванной скруткой, изгибом, отклонением от прямолинейного расположения
и термомеханическими воздействиями, имеющими место при наложении оболочек и
покрытий на сердцевину волокна при изготовлении ОК (их называют кабельными).
 — коэффициент
затухания, зависящий от длины волны оптического излучения и за счет поглощения
в инфракрасной области возрастающий в показательной степени с ростом длины
волны.
В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область
эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм.
На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные,
халькогенидные и фторидные стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они
обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько
порядков. С появлением ОВ из новых материалов становится реальным создание ВОЛС
без ретрансляторов.
Затухание оптического волновода учитывается при расчете энергетического бюджета.
Затухание оптоволоконной линии с учетом потерь на разъемных соединениях и
сростках (неразъемных соединениях) определяется по формуле:
 (3.1.2)
где  и 
- значение потерь на сростке и разъеме соответственно, 
и  - количество
сростков и разъемных соединений на протяжении оптоволоконной линии длиной L
,  - километрический
коэффициент затухания оптического волокна, измеряемый в дБ/км.
Тогда энергетический бюджет рассчитывается по формуле:
 (3.1.3)
где  и 
- мощность источника оптического излучения и чувствительность фотоприемника в дБ
соответственно;  и 
- эксплуатационный запас для аппаратуры и для кабеля, (дБ), которые берутся из
технических условий (контрактных спецификаций) для оборудования ВОЛС.
Световой сигнал в цифровых системах передачи поступает в световод импульсами,
которые вследствие некогерентности реальных источников излучения содержат
составляющие с различной частотой. Уширение светового импульса, вызываемое
различием времени распространения его спектральных и поляризационных
компонент, и называется дисперсией.
Световая волна, распространяющаяся вдоль направления x, описывается уравнением:
 (3.2.1)
где А - амплитуда световой волны;  - ее угловая частота, k - волновое число.
Если взять фиксированное значение фазы волны:
 =const,
(3.2.2)
то скорость перемещения фазы в пространстве или фазовая скорость будет:
 .
(3.2.3)
Световой импульс, распространяющийся в ОВ представляет собой суперпозицию
электромагнитных волн с частотами, заключенными в интервале Δ
, которая называется группой волн вида (3.2.1). В момент времени t
в разных точках для разных x волны будут усиливать друг друга, что
приводит к появлению максимума интенсивности группы волн (центр группы волн
), или ослаблять. Центр группы волн перемещается со скоростью:
 ,
(3.2.4)
называемой групповой. Заменив k=2π/λ и выразив 
, получим соотношение, выражающее зависимость групповой скорости от длины волны:
 .
(3.2.5)
Это и является причиной, приводящей к различию скоростей распространения
частотных составляющих излучаемого спектра по оптическому волокну. В результате
по мере распространения по оптическому волокну частотные составляющие достигают
приемника в разное время. Вследствие этого импульсный сигнал на выходе ОВ
видоизменяется, становясь «размытым». Это явление называется волноводной
дисперсией, определяемой показателем преломления ОВ и шириной спектра
излучения источника Δλ и имеющей размерность времени [5]:
 (3.2.6)
где Δ - относительная разность показателей преломления сердцевины и
оболочки, L - длина ОВ, 
- коэффициент волноводной дисперсии, называемый удельной волноводной дисперсией.
Зависимость удельной волноводной дисперсии от длины волны показана на рис. 3.2.
Скорость распространения волны зависит не только от частоты, но и от среды
распространения. Для объяснения этого явления электроны внутри атомов и молекул
рассматриваются в теории дисперсии квазиупруго связанными. При прохождении
через вещество световой волны каждый электрон оказывается под воздействием
электрической силы и начинает совершать вынужденные колебания. Колеблющиеся
электроны возбуждают вторичные волны, распространяющиеся со скоростью с
, которые, складываясь с первичной, образуют результирующую волну. Эта
результирующая волна распространяется в веществе с фазовой скоростью v,
причем, чем ближе частота первичной волны к собственной частоте электронов, тем
сильнее будут вынужденные колебания электронов и различие между v и
c будет больше, что объясняет зависимость 
. В результате смещения электронов из положений равновесия молекула вещества
приобретает электрический дипольный момент. То есть при взаимодействии
электромагнитной волны со связанными электронами отклик среды зависит от
частоты светового импульса, что и определает зависимость показателя преломления
от длины волны, которая характеризует дисперсионные свойства оптических
материалов:
 , (3.2.7)
где N - плотность частиц (число частиц в единице объема), m и
е – масса и заряд электрона соответственно, 
- резонансные длины волн, 
- вынуждающие осцилляции электрические силы. В широком спектральном диапазоне,
включающем обычный ультрафиолет, видимую область и ближнюю инфракрасную
область, кварцевое стекло прозрачно и данная формула Солмейера применима с
очень высокой точностью [5, 7].
Явление, возникновение которого связано с характерными частотами, на которых
среда поглощает электромагнитное излучение вследствие осцилляции связанных
электронов, и которое определяет уширение длительности светового импульса после
его прохождения через дисперсионную среду, называется в технике
волоконно-оптической связи материальной дисперсией [5]:
 (3.2.8)
где коэффициент М(λ) называется удельной материальной
дисперсией. На длине волны λ = 1276 нм у кварца величина 
, следовательно коэффициент материальной дисперсии M(λ) = 0
(см. рис. 3.2). При длине волны λ > 1276 нм M(
λ) меняет знак и принимает отрицательные значения, в результате чего на
длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна)
происходит взаимная компенсация М(λ) и N(λ
). Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой
дисперсии  .
Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может
варьироваться  для
данного конкретного оптического волокна.
Результирующая дисперсия складывается из волноводной и материальной и называется
хроматической дисперсией. Дисперсию в оптических волокнах принято
характеризовать коэффициентом дисперсии или удельной дисперсией, измеряемом в
пс/(нм·км). Коэффициент дисперсии численно равен увеличению длительности
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
|
