Расчет волоконно-оптической линии с компенсацией дисперсии на заданном участке

Содержание Задание на курсовую работу Введение

1. Теоретические сведения

1.1 Дисперсия в одномодовых волокнах

1.2 Одномодовые оптические волокна

2. Расчётная часть Заключение Задание на курсовую работу дисперсия оптический сигнал волокно Рассчитать волоконно-оптическую линию с компенсацией дисперсии на заданном участке.

1. Определить длину и тип основного и компенсирующего дисперсию кабеля или оптических волокон.

2. Определить остаточную дисперсию после компенсации.

Введение

Одним из важных явлений процесса распространения сигналов по оптическим кабелям является дисперсия — рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала.

Дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов в оптическом волокне. Наряду с затуханием, влияние дисперсии ограничивает длину регенерационного участка ВОЛС.

Вследствие дисперсии происходит искажение формы светового сигнала в виде расширения импульса, размывания фронта этого импульса. Среди факторов, вызывающих искажение оптического сигнала, основными являются различие скоростей, с которыми распространяются в волокне разные лучи, направляющие свойства оптического волокна и физические параметры материала волокна.

Выделяют три вида дисперсии: межмодовую, хроматическую и поляризационную. Хроматическая дисперсия, в свою очередь, объединяет комплексное воздействие трех подвидов — волноводной, материальной и профильной дисперсии.

Между качеством передачи информации — коэффициентом ошибок и степенью искажения импульсных сигналов, проходящих по оптическому волокну, существует прямая зависимость. Чем меньше исказятся, посылаемые в линию импульсы, тем меньше будет коэффициент ошибок.

В данной курсовой работе необходимо рассчитать волоконно-оптическую линию с компенсацией дисперсии на участке Волочаевка 1 — Комсомольск сорт.

1. Теоретические сведения

1.1 Дисперсия в одномодовых волокнах В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия и дисперсия в целом сказывается существенно меньше.

Здесь проявляются волноводная и материальная дисперсии и при длине волны порядка 1,3 мкм происходит их взаимная компенсация .

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра.

Поэтому внутримодовая дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника, т. е.

(1)

Где

— удельная внутримодовая дисперсия.

При отсутствии значений его оценка характеризуется выражением:

(2)

а — относительная разность показателей преломления,

— ширина спектральной линии источника излучения, равная 1−3 нм для лазера и 20−40 нм для светоизлучающего диода;

Lдлина линии, км; с — скорость света, км/с.

Материальная дисперсия в ОВ обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны .

В реальном ОВ распространение волн дисперсионно, т. е. скорость распространения зависит от частоты (длины волны). Волны различной длины волн (цвета) также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Ранее мы видели, что показатель преломления равен. Он зависит от длины волны.

Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости v в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна.

Уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, инжектируемого в волокно (как правило, источник излучает несколько, длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника.

В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм.

В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм.

В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300 нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией.

Рис. 1. Удельное значение дисперсии при различных длинах волн: — волноводная; - материальная Как и волноводную дисперсию, материальную дисперсию можно определить через удельную дисперсию по выражению:

.(3)

Величина определяется экспериментальным путем. Типичная картина удельной волноводной и материальной дисперсии вещества одномодового волокна приведена на рис. 1. На длине волны 1300 нмравна нулю. В области длин волн выше 1300 нм она отрицательна — волны отстают и прибывают позднее. В области менее 1300 нм волны опережают и прибывают раньше.

При разных составах легирующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от. Поэтому при инженерных расчетах для определения можно использовать выражение:

(4)

где можно определить из зависимости .

Поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие разной скорости распространения двух ортогональных поляризаций основной моды ОВ. Для оценки этого вида дисперсии используется выражение:

(5)

где — коэффициент удельной поляризационной дисперсии.

По определению поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. Поляризационной дисперсии можно дать следующее пояснение. В ООВ распространяется не одна мода, а две фундаментальные моды — две взаимно перпендикулярные поляризации входного сигнала. В идеальном, т. е. однородном по геометрии, волокне две моды распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ОВ имеют неидеальные геометрические размеры, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации и, как следствие, к появлению поляризационной модовой дисперсии.

Поэтому результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в соответствии с выражением:

. (6)

В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия достаточно мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь и хроматическая дисперсия

. (7)

где C — коэффициент хроматической дисперсии.

В одномодовых ОВ модовая дисперсия отсутствует, так как по таким волокнам распространяется только одна мода или, как отмечалось ранее, две моды в двух разных состояниях поляризации, но с одной дисперсионной зависимостью фазового коэффициента (в приближении линейно-поляризованных мод — LP0, мода в двух взаимоортогональных поляризациях). Другими словами, расширение импульсов в ООВ определяется хроматической дисперсией в пределах этой моды.

1.2 Одномодовые оптические волокна Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, диаметр сердцевины и соотношение показателей преломления сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода. Межмодовая дисперсия в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно (SSF) предназначено для работы в диапазоне длин волн 1285+1330 нм, в котором величина хроматической дисперсии достигает минимального, близкого к нулю, значения. Можно также использовать это ОВ в спектральном диапазоне 1525+1565 нм, затухание на этих длинах волн очень мало (-0,2 дБ/км), а коэффициент хроматической дисперсии составляет 16+18 пс/нм-км. Параметры стандартного одномодового ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-TG.652. Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно, применяемое с 1983 г.

Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного одномодового волокна. Первой модификацией ООВ стало волокно со смещенной в область 1550 нм длиной волны нулевой дисперсии (DSF). В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-TG.653. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн, в котором ОВ имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии, совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне. Такой тип волокна предпочтителен как для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка, так и для технологий оптического уплотнения. Возможно также применение этого ОВ в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент. Однако эти волокна имеют недостаток, связанный с возникновением нелинейных эффектов (так называемый эффект смешивания некоторых волн), возникающих при использовании оптического усилителя на основе волокна, легированного эрбием EFDA, в середину рабочего диапазона которого попадает длина волны нулевой дисперсии этого волокна.

Второй модификацией ООВ стало волокно с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм, соответствующее Рекомендации ITU-TG.654. Волокна этой модификации на сетях электросвязи не нашли применения.

Следующей модификацией ООВ стало волокно со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF). Внедрение технологии «плотного» частотного уплотнения (DWDM) совместно с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке такого типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в ОВ одновременно вводится большое количество (до 100 и более) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других, информационный поток. Применение этой технологии позволяет радикально повысить пропускную способность оптических линий, но при этом накладывает определенные требования на само ОВ, как на среду передачи оптического излучения. Основным из них является отсутствие искажений сигнала передаваемого каждой спектральной компонентой по отдельности, что в данном случае эквивалентно отсутствию хроматической дисперсии, поскольку именно она приводит к искажению цифрового сигнала и соответственно возникновению битовых ошибок. Однако при отсутствии хроматической дисперсии возникает проблема нелинейных эффектов, обусловленная высокой мощностью оптических сигналов в волокне, что связано с необходимостью передачи на большие расстояния и применением оптических усилителей при высокой плотности спектральных компонент. Наиболее важным для систем, использующих DWDM-технологии, является эффект четырехволнового смешивания, приводящий через взаимодействие отдельных спектральных компонент со средой (сердцевиной ОВ) к взаимодействию спектральных компонент друг с другом. Из-за этого эффекта после прохождения DWDM сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Как выяснилось, наличие в ОВ некоторого уровня хроматической дисперсии эффективно подавляет влияние нелинейных эффектов.

NZDSF-волокно, отвечающее вышеперечисленным требованиям, используется в линиях с большой протяженностью регенерационного участка с DWDM-уплотнением сигнала. Параметры этого волокна регламентируются Рекомендацией ITU-TG.655. Рабочий диапазон для таких ОВ 1530ч1565 нм, уровень коэффициента хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1ч6 пс/(нм· км) обеспечивает достаточно низкое значение дисперсии оптического сигнала в волокне. В свою очередь, такой уровень дисперсии достаточно низок для обеспечения скорости передачи до 10 Гбит/св каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий. Даже без использования DWDM-технологии этот тип волокон обеспечивает большую пропускную способность и протяженность регенерационного участка, чем стандартное одномодовое волокно. Интересной особенностью является возможность получения волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDSF+ и NZDSFволокна), что дает возможность построения линий с близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств.

Выпуск волокон со смещенной ненулевой дисперсией налажен фирмами Fujikura, LucentTechnology и Corning. Волокно TrueWave фирмы LucentTechnologies и волокно SMF-LS фирмы Corning имеют ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбиевого усилителя.

Первое волокно обеспечивает положительную величину коэффициента хроматической дисперсии, имея точку нулевой дисперсии вблизи 1523 нм, а второе — отрицательную величину, имея точку нулевой дисперсии несколько выше 1560 нм (рис. 2).

Рис. 2. Коэффициент хроматической дисперсии одномодовых ОВ в окне прозрачности 1550 нм При дальнейшем технологическом усовершенствовании фирмой Coming было выпущено волокно NZDSF марки LEAFс большой эффективной площадью для светового поля, предназначенное для систем спектрального уплотнения с большим числом каналов в диапазоне 1550 нм и внутриканальной скоростью передачи 10 Гбит/с. За счет увеличения эффективной площади для светового потока волокно LEAF увеличивает уровень оптической мощности в системе на 2 дБ по сравнению с обычными волокнами с ненулевой смещенной дисперсией. Это, в свою очередь, приводит к существенным системным преимуществам, улучшению отношения сигнал-шум, снижению уровня ошибок, более длинным усилительным участкам.

Для систем передачи DWDM, использующих не только третье окно прозрачности (от 1530 до 1565 нм), но и четвертое окно (от 1565 до 1620 нм), фирмой LucentTechnologies было предложено волокно TrueWaveRS с уменьшенным наклоном дисперсионной кривой. Это волокно имеет ненулевую смещенную дисперсию NZDF, что позволило увеличить пропускную способность.

Дальнейшие разработки в области производства оптических волокон позволили открыть пятое окно прозрачности 1350ч1450 нм, недоступное ранее из-за свойственного ему большого затухания, вносимого ионами ОН. Фирма LucentTechnologies представила волокно All-Wave, в котором практически исключается наличие ионов ОН, что позволяет использовать его во всем диапазоне длин волн от 1280 до 1625 нм.

Спектральные зависимости затухания в волокнах TrueWaveRS, AllWave приведены на рис. 3 и 4 соответственно.

Рис. 3 Спектральная зависимость затухания в волокнеTrueWaveRS

В волокное AllWave в отличие от стандартного одномодового волокна (рис. 4) нет так называемого «водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов ОН. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км.

Рис. 4. Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

Данный тип ОВ предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностью регенерационных участков, при одновременном использовании всего спектрального диапазона от 1,3 до 1,6 мкм. Пока, правда, нет полной ясности в вопросе долговременной стабильности характеристик данного ОВ, т. е. не решен вопрос появления водяного пика в процессе эксплуатации.

Фирма Corning представила иной тип волокна MetroCor, у него также как и у AllWave отсутствует водяной пик, а смещенная ненулевая дисперсия и в третьем и четвертом окнах прозрачности имеет отрицательный знак. Это волокно предназначено, в основном, для местных и локальных сетей передачи с использованием второго — пятого окон прозрачности.

2. Расчётная часть Рис. 1. Проектируемый участок Общая протяженность участка составляет 340 км. Согласно РД 45.120−2000 «Требования и нормы по проектированию линейных сооружений», нормы расхода кабеля на 1 км трассы составляет 1,05 км. Длина кабеля с учётом нормированного запаса — 357 км. Также необходимо взять технологический запас — 10%. Итого, длина кабеля — 392,7 км. В качестве среды для передачи используется волокно со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF) фирмы LucentTechnologies.

Разделим всю трассу на следующие регенерационные участки:

При использовании ОВ типа NZDSF на длине волны 1,55 — 1,65 мкм чередуются волокна с положительной и отрицательной дисперсией.

Если модули дисперсии волокон с положительной и отрицательной дисперсией одинаковы, то расчет можно вести, используя длину кабеля.

Если модули дисперсии различны, то для получения суммарной нулевой дисперсии необходимо, чтобы выполнялось условие:

где — длина кабеля регенерационного участка,

— длина кабеля с положительной хроматической дисперсией,

и коэффициенты положительной и отрицательной дисперсии соответственно.

Поскольку коэффициент хроматической дисперсии задан с некоторой погрешностью возникает необходимость оценки остаточной дисперсии на участке, для того, чтобы определить длину компенсирующего ОВ и оценить конечную дисперсию без измерения остаточной дисперсии или с таковой.

Пусть заданы коэффициент хроматической дисперсии (КХД) и его погрешность, длина кабеля регенерационного участка, ширина спектра используемого для передачи света и строительная длина кабеля, при которой длина ОВ с учетом коэффициента укорочения кабеля постоянная и составляет .

1. Определим число полных строительных длин .

2. Если число нечетное, то определяет число участков с положительным и отрицательным КХД. Кабель последней целой строительной длины и недостающей части кабеля выбирается с противоположными знаками КХД.

3. Вычисляем максимальную остаточную хроматическую дисперсию по формулам пс пс пс при четном и пс пс пс при нечетном (для нашего рег. участка).

4. Вычисляем максимальную длину волокна компенсирующей катушки

.

5. Вычисляем возможную конечную дисперсию по формуле пс пс пс пс

пс

пс

6. Конечная дисперсия участка Волочаевка-1 — Комсомольск сорт будет:

пс.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы была рассчитана волоконно-оптическая линия с компенсацией дисперсии на участке Волочаевка-1 — Комсомольск сорт. Суммарная дисперсия участка составила 0,0334 пс.