Сборник задач по волоконнооптическим линиям связи учебнометодическое пособие по практическим занятиям по дисциплине Оптические направляющие среды и пассивные компоненты волоконнооптических линий связи
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
СВЧ и КР Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники В.И. Ефанов СБОРНИК ЗАДАЧ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ Учебно-методическое пособие по практическим занятиям 2012 2 2 Министерство образования и науки Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники (СВЧ и КР) В.И. Ефанов СБОРНИК ЗАДАЧ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ Учебно-методическое пособие по практическим занятиям по дисциплине «Оптические направляющие среды и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи» для студентов, обучающихся по направлениям 210400 «Телекоммуникации» и 210300 «Радиотехника». 2012 3 3 Рецензент: Зав. кафедрой СВЧиКР Шарангович С.Н. Ефанов В.И. Сборник задач по волоконно-оптическим линиям связи-Томск: ТУСУР, 2012.– 50с. Кратко изложены основные понятия и определения курса, даны основные расчетные соотношения. Рассмотрены примеры решения задач. Для самостоятельной работы предложено большое количество задач. Ряд задач может быть использован для контроля текущей самостоятельной работы студента в течение семестра, а также в качестве индивидуальных расчетных заданий. Пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплину «Оптические направляющие среды и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи» по специальности 210401 «Физика и техника оптической связи», а также может быть полезно студентам, обучающимся по направлениям 210400 «Телекоммуникации» и 210300 «Радиотехника». © Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники 4 4 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 1 ПЛАНАРНЫЙ ВОЛНОВОД ................................................................................... 8 1.1 Структура волновода ............................................................................................. 8 1.2 Основные параметры волноводов ........................................................................ 8 1.3 Примеры решения задач ..................................................................................... 11 1.4 Задачи для самостоятельного решения ............................................................. 11 2 ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО ................................................................................. 13 2.1 Основные элементы оптического волокна ........................................................ 13 2.2 Типы и характеристики оптического волокна .................................................. 13 2.3 Основные параметры ОВ .................................................................................... 14 2.4 Примеры решения задач к разделу «Основные параметры ОВ» .................... 21 2.5 Задачи к разделу «Основные параметры ОВ» .................................................. 23 2.6 Основные характеристики МОВ ........................................................................ 24 2.7 Примеры решения задач к разделу «Основные характеристики МОВ» ....... 25 2.8 Задачи к разделу «Основные характеристики МОВ» ...................................... 26 2.9 Основные характеристики ООВ ......................................................................... 26 2.10 Примеры решения задач к разделу «Основные характеристики ООВ» ...... 30 2.11 Задачи к разделу «Основные характеристики ООВ» ..................................... 31 2.12 Соединение оптических волокон ..................................................................... 32 2.13 Примеры решения задач к разделу «Соединение оптических волокон»..... 34 2.14 Задачи к разделу «Соединение оптических волокон» ................................... 34 3 РАСЧЕТ ДЛИНЫ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА .................................... 35 3.1 Расчет длины регенерационного участка по затуханию ................................. 35 3.2 Расчет длины регенерационного участка по дисперсии.................................. 36 3.3 Примеры решения задач ..................................................................................... 36 3.4 Задачи для самостоятельной работы ................................................................. 37 4 КОМПЕНСАЦИЯ ДИСПЕРСИИ .......................................................................... 39 4.1 Общие положения ................................................................................................ 39 4.2 Примеры решения задач ..................................................................................... 40 4.3 Задачи для самостоятельной работы ................................................................. 43 7 Индивидуальное расчетное задание ..................................................................... 43 Приложение 1 ............................................................................................................. 46 Приложение 2 ............................................................................................................. 47 Приложение 3 ............................................................................................................. 48 Приложение 4 ............................................................. Error! Bookmark not defined. Приложение 5 ............................................................................................................. 50 5 5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВОК - Волоконно-оптический кабель ВОЛС - Волоконно-оптические линии связи ВОСП - Волоконно-оптические системы передачи МОВ - Многомодовое оптическое волокно ООВ - Одномодовое оптическое волокно ЛД - Лазерный диод ФД - Фотодиод ЛС - Линия связи ПрОМ - Приемный оптический модуль ПОМ - Передающий оптический модуль СД - Светодиод СИД - Светоизлучающий диод ОВ - Оптическое волокно ОК - Оптический кабель ПП - Показатель преломления ППП - Профиль показателя преломления DCF - Dispersion Compensating Fiber (волокно, компенсирующее дисперсию) DSF - Dispersion Shifted Fiber (одномодовое волокно со смещенной дисперсией) WDM - Wavelength Division Multiplexing – (волновое мультиплексирование) DWDM - Density Wavelength Division Multiplexing (плотное волновое мультиплексирование) FDDI - Fiber Distributed Data Interface (интерфейс передачи данных по волокну) FRP - Fiber Reinforced Plastic (стеклопластик) ITU-T - International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Bureau – Международный союз электросвязи – сектор стандартизации телекоммуникаций МЭС-Т) NA - Numerical Aperture (числовая апертура) NZDF - Non-Zero Dispersion Fiber (одномодовое волокно с ненулевой дисперсией) NZDSF - Non-Zero Dispersion Shifted Fiber (одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией) SSF - Standard Single-Mode Fiber (стандартное одномодовое волокно) 6 6 ВВЕДЕНИЕ Курс «Оптические направляющие среды и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи» (ОНС и ПК ВОЛС) является базовым для изучения многих специальных дисциплин по специальности - 210401 «Физика и техника оптической связи». Целью преподавания дисциплины является изучение студентами ВОЛС, являющимися в настоящее время самыми быстродействующими из всех известных систем связи, знакомство с оптическими кабелями и пассивными компонентами, используемых для: организации телефонной городской, междугородней и международных сетей связи и передачи данных; кабельного телевидения; локальных вычислительных сетей; структури - рованных кабельных систем; волоконно-оптических датчиков. Знание основных закономерностей процессов распространения сигналов в оптических волноводах требует знаний в области физики и электродинамики. Знание характеристик выпускаемых промышленностью оптических волокон необходимо будущим специалистам при проектировании и эксплуатации волоконно-оптических линий связи. Сборник задач задуман с целью реализации формулы «не только знать, но и уметь». Решение задач и выполнение лабораторных работ способствует развитию навыков практического применения полученных теоретических знаний, а также позволяет глубже понять физическую сущность процессов и явлений в оптических волокнах, закрепить в памяти основные формулы, значения и порядок величин важнейших параметров ОВ. Данное пособие преследует выше названную цель. Важную роль в развитии творческих способностей будущих специалистов, в приобретении ими практических навыков, играет самостоятельная работа студента. Данное учебное пособие предназначено, прежде всего, для самостоятельной работы и содержит большое число задач и вопросов. В начале каждого раздела приводится краткое теоретическое введение со сводкой основных формул и указаний применяемых обозначений и их размерности. Затем приводятся примеры решения задач со ссылками на основные уравнения и формулы. В книге содержатся задачи разной трудности и решения типовых задач. Это поможет усвоить материал курса при подготовке к зачетам и экзаменам. Некоторые вопросы и задачи могут быть использованы для контроля текущей самостоятельной работы студента в течение семестра, а также в качестве индивидуальных расчетных заданий. Несколько советов по решению задач. Приступая к решению задачи , хорошо вникните в ее смысл и постановку вопросов. Установите, все ли данные, необходимые для решения задачи, приведены. Недостающие данные можно найти в таблицах приложения . Каждую задачу решайте, как правило, в общем виде, чтобы искомая величина была выражена через заданные величины. 7 7 Получив решение в общем виде, проверьте, правильную ли оно имеет размерность. Получив числовой ответ, оцените его правдоподобность. При составлении задачника использованы материалы справочников, книг и учебных пособий, рекомендуемых при изучении курса «ОНС и ПК ВОЛС» и приведенных в списке литературы. В конце сборника дана сводка основных характеристик используемых в настоящее время оптических волокон в соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ-Т). Автор выражает благодарность своим ученикам Сурковой Г., Круглову Р. и Щербиной В. за помощь в подготовке пособия. 8 8 1 ПЛАНАРНЫЙ ВОЛНОВОД 1 .1 Структура волновода Планарные волноводы являются конструктивной основой всех типов элементов интегральной оптики. Волноводы этого класса состоят из диэлектрического световедущего слоя окруженного с двух сторон слоями с меньшим показателем преломления. В зависимости от распределения показателя преломления по поперечному сечению такой структуры различают пленочные (со ступенчатым профилем распределения показателя преломления) оптические волноводы и неоднородные (с градиентным профилем распределения показателя преломления) планарные волноводы. Основные конструктивные элементы планарного волновода показаны на рисунке 1.1. Q 2 n 2 n 1 n p z p p L 2 z Рисунок 1.1 Структура планарного волновода. В волноводе со ступенчатым профилем свет распространяется в сердцевине при геометрической трактовке по прямым линиям. Луч выходит из точки Р (рисунок 1.1) на одной границе раздела под углом z к оси волновода и пересекает вторую границу в точке Q. Падающий луч испытывает полное внутреннее отражение, если 0≤ θ Z < θ С , где θ С – критический угол скольжения, который определяется по формуле: 2 1 2 1 2 2 1 2 1 arcsin arccos n n n n C (1.1) 1.2 Основные параметры волноводов 1.2.1 Относительная разность показателей преломления. Одним из важнейших параметров, который характеризует волновод, как передающую среду, является относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки : 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 n n n n n n , (1.2) где n 1 - показатель преломления волноводного слоя; 9 9 n 2 - показатель преломления оболочки. 1.2.2 Числовая апертура. Важным параметром, характеризующим во- лновод, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом А (апертурный угол) ввода излучения из свободного пространства в волновод, при котором свет ещё испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волноводу 2 1 2 2 2 1 n n n NA (1.3) 1.2.3 Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волновод и распространяющийся по нему световое излучение с длиной волны [мкм], является нормированная частота V, которая зависит от толщины волноводного слоя d = 2 [мкм] и определяется как: 2 2 1 2 2 d V n n NA (1.4) Одномодовый режим соблюдается при V<2.405. 1.2.4 Профиль показателя преломления. Распределение показателя преломления по сечению волновода удобно описывать формулой 2 2 1 1 2 , q x n x n x (1.5) Показатель q определяет форму профиля в широком наборе различных распределений n(x), начиная с треугольного (при q=1) и кончая ступенчатым (при q= ). При q=2 профиль называется пораболическим. 1.2.5 Лучевой инвариант. При описании процессов распространения направляемых мод волновода вводится понятие лучевого инварианта (эффективного показателя преломления) распространяющейся моды волновода, который опрделеяется так: z n cos 1 (1.6) 1.2.6 Основные параметры геометрии распространяющихся лучей Длина пути между последовательными отражениями луча: 1 1 2 2 2 1 2 2 sin p z n L n , (1.7) где - радиус волноводного слоя в мкм. 10 10 Оптическая длина пути: 2 2 1 2 1 1 0 2 n n n L L P . (1.8) Полупериод траектории луча: 1 2 2 2 1 2 2 cos p p z z z L tg n (1.9) Количество отражений на единицу длины волновода: 2 1 z p tg z N (1.10) 1.2.7 Время прохождения луча волновода длиной Z Время прохождения луча в волноводе при различных ППП (т.е. для разных значений q) определяют из 1 1 1 2 2 n n q q n c z t , (1.11) где z – длина волновода, на которой ведется расчет. Для планарного волновода со ступенчатым ППП данное выражение принимает вид 2 1 1 cos n c z n c z t Z (1.12) 1.2.8 Уширение импульса. Лучевая дисперсия d или уширение импульса во времени есть разность максимального и минимального времени прохождения лучей, которая определяется соотношением: 1 max min 1 1 2 1 1 1 1 2 d z n z t t n n c n c (1.13) Альтернативный путь рассмотрения дисперсии заключается в том, что ее характеризуют значением пространственного уширения z d импульса по мере его распространения. Через время t уширение достигает величины: 2 1 2 1 1 1 2 1 C d n t c n t c n n n t c z (1.14) 11 11 1.3 Примеры решения задач 1.3.1 Рассмотрим ОВ со ступенчатым ППП, n 1 = 1,475; n 2 = 1,460; = 25 мкм. Каково значение критического угла скольжения С , при котором лучи являются направляемыми. Определите число отражений такого луча на одно- километровом участке ОВ. Решение 2 , 8 475 , 1 46 , 1 arccos arccos 1 2 n n C . Число отражений для луча, распространяющегося под углом = С в ОВ длиною L определим по следующей формуле: , 10 44 , 1 10 10 50 2 2 , 8 2 6 3 6 tg tg N C таким образом, около 1,44 10 6 отражений происходит в ОВ длиною 1 км. |