НС Экзамен, первые билеты

амплитуде и растягивается во времени. Рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала называется дисперсией. Поскольку современные источники света излучают в некоторой полосе λ± λ, а скорость распространения зависит от длины волны, то волны, входящие в эту полосу λ, распространяется с разной скоростью, что и приводит к уширению сигнала τ, которое определяется как квадратичная разность:

Таким образом, максимальная возможная частота, передаваемая по оптическому волокну (ОВ), равна

F = 1/τ

Таким образом, максимальная возможная частота, передаваемая пооптическому волокну (ОВ), равна

F = 1/τ Величина F или иногда пишут F, называется полосой пропускания оптического волокна. Дисперсия, а следовательно и пропускная способность ОВ, существенно зависит от типа волокна и типа излучателя. Оптическое волокна делятся на три основных типа по профилю показателя преломления: ступенчатые, градиентные и одномодовые. В последнее время появились волокна со сложным показателем преломления: многослойные, со сложным профилем, с двойным сердечником и т.д. Ступенчатые многомодовые волокна имеют профиль показателя преломления, как показано на рис. 29.

При распространении по волноводу нескольких мод на неоднородностях происходит перестройка мод и обмен энергией между ними, при этом дисперсия сигнала возрастает. Если уменьшить диа-

метр сердцевины, то наступает такой момент, когда λ становится близкой к критической величине λ0, большинство мод в световоде распространяться не могут, и может сохраниться только одна мода. Условие, при котором возникает это состояние (условие одномодовости), мы рассмотрим несколько позже при решении волнового уравнения. В одномодовом волокне обмена энергией между модами нет, межмодовая дисперсия отсутствует, и общая дисперсия минимальна, что значительно увеличивает пропускную способность оптического волокна.

Как уже отмечалось, одной из причин дисперсии является не полная монохроматичность источников излучения. Реальные источники света излучают энергию не только на заданной длине волны λ, но также в некотором диапазоне λ ± λ. Величина λ составляет примерно 2 нм у лазеров и на порядок больше у светодиодов. Некогерентность источников излучения является причиной так называемой хроматической (от греческого слова хромос - цвет) или частотной дисперсии. Она делится на материальную и волноводную дисперсию. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны n = Ψ1(λ) . Если длина волны меняется в некоторых пределах λ ± λ, то и показатель преломления колеблется в пределах n ± n, а следовательно и скорость распространения меняется в пределах от

что, как мы видели, ведет к уширению сигнала.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды γ от длины волны: γ = Ψ2(λ). Результирующая дисперсия складывается геометрически из хроматической и межмодовой дисперсии, причем материальная и волноводная дисперсии складываются арифметически.

Как видно из рис. 31 при длине волны около 1,3 мкм материальная и волноводная дисперсии уравновешиваются. Однако минимальное затухание кварцевое волокно имеет на длине волны 1,55 мкм, и поэтому для достижения минимума дисперсии на длине 1,55 мкм приходится менять профиль показателя преломления волокна. Современное одномодовое волокно имеет так называемый дубль- вэ-образный профиль показателя преломления (рис. 32). При нулевой дисперсии возможны искажения в усилителе, поэтому точку нулевой дисперсии делают немного смещенной относительно волны

1,55 мкм. Современные волокна обладают на волне 1,55 мкм смещенной ненулевой дисперсией. Как видно из формул, дисперсия, а следовательно и полоса пропускания зависит от длины волокна l.

Для коротких линий полоса пропускания:

Для длинных линий:

15.Определение длины регенерационного участка.

При распространении по волокну сигналы испытывают затухание и деформацию (растяжение). Чтобы определить расстояние, на которое сигнал может распространяться без установки усилителей и регенераторов, необходимо учитывать оба эти обстоятельства. На рис. 35 показан график, иллюстрирующий метод определения длины регенерационного участка. В промежуточных точках магистрали устанавливаются не просто усилители, увеличивающие амплитуду сигнала, а в ряде точек происходит ещё восстановление первоначальной прямоугольной формы импульсов, поэтому пункты установки этой аппаратуры называются необслуживаемыми регенерационными пунктами (НРП). Для определения длины регенерационного участка на одном графике строится кривая затухания а в зависимости от длины линии (α = αl), которая представляет собой прямую линию (рис. 35) и кривая ширины полосы пропускания F в зависимости от длины

Затем по допустимым значениям затухание адоп и скорости передачи Fдоп определяется длины участка регенерации. Из двух полученных значений выбирается меньшее.

16.Понятие о моде. Условие одномодовости.

Электрическое поле имеет продольные составляющие, а магнитное поле - поперечные (окружности). Точно также может существовать волна типа Н, у которой магнитное поле имеет продольные составляющие, а электрическое поле - поперечное. Могут существовать волны смешанного типа ЕН (гибридные). Тип волны, характеризуемый определенной пространственной и временной структурой, называется модой. При распространении света в волокне устанавливается определенный набор мод, зависящий от диаметра волокна, длины волны и апертуры. При нарушении геометрии волокна происходит перестройка мод и перераспределение энергии между модами. Необходимо отметить, что для того, чтобы мода распространялась по волокну, как вдоль диаметра, так и по окружности волокна должно помещаться целое число полуволн. В противном случае мода распадается и ее энергия переходит к другим модам. Такая волна быстро интерферирует и исчезает. Исходя из лучевой теории можно предполагать, что все лучи, входящие в волокно под углом к оси, меньшим апертурного, могут распространяться и по волокну. Волновое рассмотрение показывает, что волны должны удовлетворять условию размещения максимумов и минимумов волны вдоль диаметра и по окружности световода.

Если точечный источник излучения расположен на оси световода, то имеются только меридиональные лучи, которым соответствуют симметричные электрические Еот и магнитные Нот волны. По окружности волокна нет изменений величины поля (индекс О), а все изменения происходят по

диаметру. Если же источник расположен вне оси, то появляются как меридиональные, так и косые лучи, не проходящие через ось волокна и свойственные им гибридные волы НЕ и ЕН.

Условие одномодовости:

ХЗ зачем, но он вроде спрашивал..

При ν<νкр моды не существуют.

Из таблицы видно, что только одна волна имеет υкр= 0, и она существует в промежутке от υ= 0 до υ

= 2,405.

Отсюда вытекает условие одномодовости (выше)

17.Нелинейные явления в оптическом волокне. Нелинейный коэф. преломления, фазовые модуляция и кроссмодуляция, четырёхволновое смешение.

Такие явления обусловлены нелинейным откликом вещества на увеличение интенсивности светового потока. В результате оптические характеристики среды (электронная поляризуемость, показатель преломления, коэффициент поглощения) становятся функциями напряженности электрического поля световой волны, так что поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряженности поля, а волны с различными частотами и направлениями распространения - оказывать влияние друг на друга.

Нелинейные явления в оптическом волокне усиливаются с ростом интенсивности поля, т. е. мощности потока, приходящейся на единицу площади поперечного сечения сердцевины волокна. Чтобы увеличить дальность и скорость передачи, стремятся уменьшить накопленную дисперсию кабеля, поэтому применяют одномодовое волокно, имеющее малый диаметр сердцевины (10 мкм и менее). Однако использование одномодового носителя, а также низкие оптические потери могут приводить к возникновению высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках.

Нелинейное преломление вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, а значит, и фазы выходного сигнала от интенсивности оптического сигнала. Когда мощность сигнала достаточно велика, ее колебания приводят к фазовой самомодуляции (ФСМ) и фазовой кроссмодуляции (ФКМ). В первом случае сигнал воздействует сам на себя, во втором - на сигнал в другом канале.

Фазовая самомодуляция (ФСМ) – нелинейный эффект, возникающий вследствие зависимости показателя преломления от интенсивности. ФСМ обусловлена самонаведенным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при распространении в волоконном световоде. Его величину можно получить, заметив, что фаза оптического поля изменяется как

φ = (n + n 2 E )k 0 L,

(56)

где k 0 = 2π / λ и L - длина световода. Зависящий от интенсивности набег

фазы возникает вследствие ФСМ. ФСМ приводит также к спектральному уширению коротких импульсов и к существованию оптических солитонов в области аномальной дисперсии групповых скоростей световода.

Когда две и более оптические волны вместе распространяются по световоду, из-за нелинейности среды распространения они могут взаимодействовать друг с другом. Фазовая кросс-модуляция обусловлена нелинейным набегом фазы оптического поля, который наведен другим полем на другой длине волны, распространяющимся совместно.

Каждый из этих эффектов может создавать помехи, когда передача ведется с помощью фазовой манипуляции. Максимально допустимое значение канальной мощности, обусловленное ФСМ и ФКМ, обратно пропорционально числу мультиплексируемых каналов.

Четырехволновое смешение заключается в том, что при наличии двух попутных волн с частотами f1 и f2 (f1 < f2) возникают еще две волны, с частотами 2f1 - f2 и 2f2 - f1, распространяющиеся в том же направлении и усиливающиеся за счет исходных. Аналогичные процессы происходят и в том случае, когда имеются три (или больше) падающие волны. При этом должно быть обеспечено согласование значений частот и волновых векторов всех волн.

Данный вид нелинейности теснее других связан с параметрами системы: на него влияют не только длина волокна и площадь поперечного сечения его сердцевины, но и расстояние между соседними каналами и дисперсия. Изо всех рассмотренных явлений четырехволновое смешение имеет наибольшее значение для современных DWDM-систем.

18.Нелинейные явления в оптическом волокне. Вынужденные неупругие рассеивания Мандельштама-Бриллюена и Рамана.

Вынужденное рассеяние света представляет собой рассеяние на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой волной. Поскольку процесс рассеяния стимулируется самим рассеиваемым светом, рассеянное излучение характеризуется высокой степенью когерентности, узкими диаграммами направленности отдельных компонентов и интенсивностью, сопоставимой с интенсивностью падающего света. Таким образом, при возбуждении среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов.

Самые важные виды рассматриваемого явления - вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), иногда называемое рамановским, и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Комбинационное рассеяние связано с возбуждением новых колебательных и, в меньшей степени, вращательных энергетических уровней частиц среды, а ВРМБ - с появлением в среде гиперзвуковых волн.

Влияние ВКР невелико (менее 1 дБ на канал), если произведение суммарной мощности каналов на разность между частотами крайних каналов меньше 500 Вт ·ГГц. Другими словами, данный эффект существен лишь для систем с сотнями каналов.

В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама-Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном направлению падающего. Его интенсивность значительно выше, чем при ВКР; ВРМБ порождает перекрестные помехи, если разность несущих частот составляет 11 ГГц, а передача ведется в противоположных направлениях. Другое отличие от ВКР состоит в том, что максимально допустимая мощность канала не зависит от числа мультиплексируемых каналов и расстояния между ними. Ее типичное значение для высокоскоростных линий дальней связи равно 10 мВт. ВРМБ является единственным из описываемых нелинейных явлений, влияние которого зависит от скорости передачи. С ростом последней оно уменьшается, причем особенно быстро - при использовании фазовой манипуляции. Им можно пренебречь для импульсов короче 10 нс.

19.Мультиплексирование в оптическом волокне. Виды мультиплексирования. WDM, DWDM, HDWDM.

Спектральное уплотнение каналов (англ. Wavelength-division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) — технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.

Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2003 году достигнута скорость 10,72 Тбит/с[1], а к 2009 — 15,5 Тбит/с[2]), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон — для передачи в прямом и обратном направлениях).

Виды WDM:

грубые WDM (Coarse WDM — CWDM) — системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов.

(Используемые в настоящее время CWDM работают в полосе от 1270нм до 1610нм, промежуток между каналами 20нм (200Ghz), можно мультиплексировать 16 спектральных каналов.[3])

плотные WDM (Dense WDM — DWDM) — системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 40 каналов.

высокоплотные WDM (High Dense WDM — HDWDM) — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.

20.Оптические усилители. Виды оптических усилителей. Эрбиевые усилители.

В настоящее время все большее распространение получает применение усилителей, непосредственно усиливающих оптический сигнал без преобразования в электрический. Существует несколько типов оптических усилителей:

1)усилители с полостью Фабри-Перо, которые оснащаются плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они имеют высокий коэффициент усиления, нечувствительны к поляризации сигнала, работают в широком диапазоне;

2)усилители, использующие брюллиэновское рассеяние. Брюллиэновский эффект возникает

при большой мощности передаваемого сигнала, когда часть энергии на длине волны λ1, переходит в энергию новой смещенной волны λ2. При реализации мощная накачка производится на длине λ1, чтобы усилить сигнал на длине λ.2. Выходной сигнал сосредоточен в очень узком диапазоне;

3)усилители, использующие романовское рассеяние. Стимулированное рамановское рассеяние также как и брюллиэновское переводит часть энергии накачки в сигнальную волну. Позволяет производить одновременно усиление сразу нескольких каналов, однако велики переход ные помехи;

4)лазерные усилители. Не получили широкого распространения из-за чувствительности

к поляризации луча и сложности конструкции; 5) усилители на примесном волокне (например, эрбиевые усилители) получили наибольшее

распространение. Используются как на сухопутных, так и подводных линиях. Схема показана на рис. 41. Свет от лазера накачки возбуждает атомы примеси (в так называемом примесном волокне длиной в несколько метров), которые имеют сравнительно большое время релаксации. Однако при наличии слабого основного излучения происходит индуцированный переход атомов примеси в основное, с излучением света на той же длине волны и с той же фазой, что и вызвавший этот сигнал. Усилители получили название EDFAна основе кремниевого волокна, легированного эрбием.

21.Типы оптичесикх волокон. Рекомендации МСЭ G.651-G.655

Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления

В ступенчатом оптоволокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине оптоволокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по оптоволокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по оптоволокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по оптоволокну.

Область применения ступенчатых оптоволокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.

Многомодовое градиентное оптоволокно

Отличается от ступенчатого тем, что показатель преломления изменяется в нём плавно от середины к

краю. В результате моды идут плавно, межмодовая дисперсия меньше.

Градиентное оптоволокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки

125 мкм

В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации.

Рабочие длины волн λ1 = 1,31 мкм и λ2 = 1,55 мкм.

G.651 Многомодовое 50/125 мкм с градиентным профилем показателя преломления. G.652 Стандартное одномодовое оптоволокно.

G.653 Одномодовое оптоволокно с нулевой смещенной дисперсией (ZDSF- zerodispersion-shiftedfibre). G.654 Одномодовое оптоволокно со смещенной длиной волны отсечки.

G.655 Одномодовое оптоволокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibre).

http://www.izmer-ls.ru/g65_.html

22.Методы прокладки оптических кабелей.

Прокладка оптических кабелей в грунт: Прокладка ОК с помощью кабелеукладчика Метод горизонтально-наклонного бурения Траншейный метод

Прокладка оптических кабелей в кабельной канализации Подвеска ОК на опорах линий связи, опорах контактной сети и высоковольтных линиях автоблокировки железных дорог, опорах линий электропередачи

Пневмопрокладка оптических кабелей в защитные пластмассовые трубы

Современным методом сооружения ВОЛП является пакетная прокладка защитных пластмассовых труб (ЗПТ) с последующей пневмопрокладкой в них (по мере развития сети) ОК без бронепокровов. На одном направлении прокладывается одновременно несколько ЗПТ. Это создает как преимущества технического характера, так и возможности гибкой модернизации сети, позволяя осуществлять прокладку ОК практически вне зависимости от времени года, без проведения масштабных земляных работ.

В качестве ЗПТ используется пластмассовая труба из полиэтилена высокой плотности с толщиной стенки 3...5 мм (таблица 2). ЗПТ с меньшей толщиной стенки применяются для прокладки в каналы кабельной канализации, с большей толщиной стенки -; для прокладки в грунт.

Коэффициент трения "внутренняя поверхность ЗПТ-ОК" уменьшен за счет применения "твердых" смазок (внутреннего слоя ЗПТ на основе силиконовых или фторопластовых сополимеров) или же образования продольных ребер, выступов на внутренней поверхности ЗПТ. Наиболее оптимальными являются ЗПТ с "твердыми" смазками, свойства которых сохраняются неизменными в течение всего срока службы ЗПТ.

Превалирует технология поэтапного сооружения ВОЛП, когда на первом этапе прокладывают пакет из 2...12 шт. ЗПТ, а на втором этапе выполняют пневмопрокладку в ЗПТ кабелей.

23.Надежность линий связи. Основные параметры надежности.

ВОЛС-ВЛ {волоконно-оптическая линия связи на воздушных линиях электропередачи} состоит из ОК на опорах ВЛ и обслуживаемых оконечных и промежуточных станций, содержащих комплексы аппаратуры для восстановления и регенерации передаваемых информационных сигналов.

Вероятность отказа современной аппаратуры низка, ремонтопригодность гарантирована изготовителем и время восстановления незначительно. Поэтому надежность ВОЛС определяется надежностью ОК и опор ВЛ.

Надежность ВОЛС-ВЛ следует характеризовать следующими показателями:

плотность отказов, m [1/год/100 км],

среднее время восстановления tв [час];

средняя наработка между отказами ОКГТ на короткой линии (длина 100 км) с однородными условиями эксплуатации. Tl [час];

средняя наработка между отказами ОКГТ на длинной линии (13900 км), Tl , [час];

коэффициент готовности ОКГТ короткой линии, Кг L ;

коэффициент готовности ОКГТ на длинной линии, Кг L .

Для основного цифрового канала (ОЦК) протяженностью 13900 км (без резервирования) заданы следующие показатели надежности по отказам:

коэффициент готовности - не менее 0,98,

среднее время между отказами - не менее 255 ч,

среднее время восстановления - не более 5,2 ч.

Учитывая высокую надежность современной аппаратуры ЦСП, целесообразно принять значение коэффициента готовности кабельной линии 0,985, а аппаратуры - 0,995.

Тогда на подземной кабельной линии должны обеспечиваться следующие показатели:

коэффициент готовности - не менее 0,985,

среднее время между отказами - не менее 340,5 ч,

среднее время восстановления - не более 5,2 ч.

плотность повреждений - не более 0,1823.

П4.7. В соответствии с "Основными положениями развития первичной сети РФ" современные линии передачи сооружаются с использованием цифровых систем передачи (ЦСП) и волоконно-оптических кабелей. "Концепция создания современных цифровых сетей в энергетике" провозгласила те же самые принципы.

Поэтому для ВОЛС-ВЛ следует принять нормы показателей надежности перспективной цифровой сети страны. Основной цифровой канал (ОЦК) гипотетической ВОЛС-ВЛ протяженностью 13900 км (без резервирования), учитывая особенности технической эксплуатации ВЛ, должен обладать показателями надежности:

коэффициент готовности - не менее 0,98.

среднее время восстановления - не более 10,0 часа,

наработка между отказами - не менее 500 часов.

Показатели надежности ОК гипотетической ВОЛС-ВЛ протяженностью 13900 км должны быть:

коэффициент готовности - не менее 0,985;

среднее время восстановления - не более 10,0 ч.;

наработка между отказами - не менее 670 часов.

Соответствующие показатели надежности ОКГТ на линии длиной 100 км должны быть:

коэффициент готовности - не менее 0,99989;

плотность отказов - не более 0,094.