Лабораторна робота №3

Розрахунок енергетичного балансу оптоволоконної мережі

Мета: на основі розрахунків розрахунків бюджету оптоволоконної лінії зробити висновок про коректність роботи мережі.

Короткі теоретичні відомості:

В волоконно-оптичних лініях зв’язку інформація передається за допомогою світлових хвиль по спеціальному волокну.

О птичне волокно – це діелектричний (тобто, такий, що не проводить електричний струм) провідник, який виконаний зі скла чи пластику. Оптичне волокно складається з трьох компонентів: серцевини, оптичної оболонки і захисного покриття (малюнок 3.1).

Принцип дії оптичного волокна базується на законі Снелліуса, який формулюється так: відношення синуса кута падіння до синуса кута відбиття світлової хвилі дорівнює відношенню швидкостей поширення хвилі в двох середовищах. Ця константа дорівнює відношенню показника заломлення другого середовища до показника заломлення першого. Формула, яка описує цей закон:

(3.1)

де А₁ і А ₂ – кут падіння і кут відбиття відповідно, V₁ іV₂ – швидкості поширення світла в двох середовищах, n₁ і n₂ – показники заломлення світла в двох середовищах.

При поширенні світла можливі три варіанти відбиття (зображені на малюнку 3.2). Для ефективної передачі світлової енергії, як видно з малюнку 3.2в, необхідно, щоб промінь входив в волокно під певним кутом, не більшим за деякий критичний. Лише в цьому випадку промінь буде повністю відбиватися від оптичної оболонки і поширюватись вздовж волокна, а інакше промінь буде або повністю поглинатися, або з аломлюватися і повертатися назад.

Синус цього критичного кута називається числовою апертурою сигналу і обчислюється за формулою:

. (3.2)

Тобто, числова апертура визначає кут падіння світлового променя, мири якому він повністю відбивається на межі оболонки і середовища. Цей кут є досить малим і для багатомодового оптоволокна становить 12 – 17°, а апертура відповідно 0,2 – 0,3, для одномодового оптоволокна кут становить 7°, а апертура 0,122. Чим більшою є апертура, тим легше ввести промінь у волокно, але при цьому зростає модова дисперсія і зменшується полоса пропускання кабелю.

Модова дисперсія характерна для багатомодового кабелю і полягає в тому, що промені, які одночасно ввійшли в провідник під різними модами, неодночасно з нього виходять. Модова дисперсія обмежує можливість волокна передавати різні імпульси, так як вона викликає їх розширення. Після того, як промінь проходить певну відстань між випромінювачем і фотоприймачем, розділення імпульсів ускладнюється або стає взагалі неможливим. Тому, починаючи з певної відстані при передачі даних по багатоходовому провіднику виникає завелика кількість помилок або передача даних взагалі стає неможливою.

З точки зору потужності, кожен оптичний порт активного обладнання характеризується потужністю передавача, чутливістю і динамічним діапазоном приймача. Різниця між вихідною потужністю передавача та чутливістю приймача (в децибелах) називається бюджетом потужності. Передбачається, що обладнання, яке встановлене на протилежних кінцях лінії, симетричне, тобто передавач на одній стороні лінії дорівнює передавачу на іншій стороні, приймачі також є однаковими за своїми характеристиками. Бюджет визначається активним обладнанням, він характеризує рівень втрат, які може вносити лінія без втрати стійкості з’єднання.

Втрати в лінії розраховують по специфікаціям на компоненти (волокно і конектори), де вони вказані для конкретної довжини хвилі і режиму передачі (SM/MM). Втрати в лінії залежать від багатьох факторів, включаючи температуру, вологість, деформацію волокон, рівень радіаційного опромінення, час (старіння елементів), чистоту поверхні в конекторах. Втрати у волокні Loss_ВОЛ будуть визначатися довжиною даного волокна L_ВОЛ і затуханням Att, яке вноситься лінією і обчислюється за формулою:

(3.3)

Основні втрати енергії відбуваються на стиках і вони визначаються за формулами:

(3.4)

де Loss_В – власні втрати на стику, вони є завжди і в ідеальному випадку не повинні перевищувати 1дБ; Loss_D – втрати через неузгодженість діаметрів, Loss_NA – втрати через неузгодженість апертур. Втрати через неузгодженість діаметрів і апертур виникають тоді, коли з’єднується волокно (чи яка-небудь апаратура) з більшим діаметром з волокном (чи апаратурою), що має менший діаметр. В цьому випадку апертура другого волокна більша, ніж апертура першого і частина променів не зможе ввійти в друге волокно, а поглинеться оболонкою. Втрати через неузгодженість визначаються за формулами:

(3.5)

Бюджет лінії повинен покривати втрати у всіх її елементах з запасом в 3–5 дБ. Запас необхідний, оскільки передавач з часом деградує, тобто падає його потужність, а згини волокна і додаткові з’єднання (у випадку ліквідації наслідків аварій) підвищують затухання в лінії.

Таблиця 3.1 – Основні параметри оптичних волокон
Волокно, мкм/мкм	Затухання, дБ/км			Апертура
	850 нм	1300 нм	1550 нм
8/125 9,5/125	–	0,35	0,22	0,1
50/125	2,7–3,5	0,7-2,0	–	0,2
62,5/125	2,7–3,5	0,7–1,5	–	0,275
100/140	5,0	4,0	–	0,29