Название: Направление системы электросвязи Часть 1 - учебное пособие (Анатолий Денисов, Константин Алексеев)

Жанр: Технические

Просмотров: 4010


3.2.  расчет затухания в оптических кабелях

 

Затухание в оптических волокнах

 

Затухание является важнейшим параметром оптических кабелей. Затухание обусловлено собственными потерями в волоконном световоде αс и дополнительными потерями, так называемыми кабельными, αк, обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления ОК:

α  = αс + αк.                                                 (12)

Собственные потери волоконного световода состоят из потерь поглощения αп и потерь рассеяния αр:

αс = αп + αр.                                                 (13)

Потери, возникающие при распространении сигнала по волоконному световоду, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярности и их высвечивания в окружающее пространство (αр), другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (αп), так и посторонними примесями (αпр), выделяясь в виде джоулева тепла. Примесями могут являться ионы металлов (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания. В результате суммарные потери определяются из выражения:

α = αп + αр + αпр + αк.                                      (14)

Затухание за счет поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала оптического волокна (tg δ) и рассчитывается по формуле

                                   (15)

Потери рассеяния обусловлены неоднородностями материала волоконного световода, расстояние между которыми меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Величина потерь на рассеяние, называемое рэлеевским, определяется по формуле

(дБ/км).                                        (16)

Потери на рэлеевское расстояние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных волн и с увеличением длины волны уменьшается. Потери на поглощение растут линейно с увеличением частоты, а потери на рассеивание существенно быстрее – по закону f 4.

При распространении электромагнитной волны с λ > 2 мкм начинают интенсивно расти потери на поглощение. Это обусловлено иным механизмом потерь кварцевых ВС в инфракрасной области спектра. Эти потери пропорциональны показательной функции и уменьшаются с ростом частоты по закону:

αик = Се –k/λ, дБ/км,                                      (17)

С и k – постоянные коэффициенты (для кварца k = (0,7…0,9)·10–6м, С = = 0,9).

В световоде существует три окна прозрачности: первое окно прозрачности на длине волны 0,85 мкм, второе окно – на длине волны

1,3 мкм и третье – на длине волны 1,55 мкм. Наименьшее затухание имеется в третьем окне прозрачности.

Кабельные потери

 

Дополнительное затухание, обусловлено кабельными потерями (αк), состоит из суммы, по крайней мере, семи видов парциальных коэффициентов затухания:

,                                             (18)

где  – возникает вследствие приложения к ОВ термомеханических воздействий в процессе изготовления кабеля;  – вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материала ОВ;  – вызывается микроизгибами ОВ;  – возникает вследствие нарушения прямолинейности ОВ (скрутка);  – возникает вследствие кручения ОВ относительно его оси (осевые напряжения скручивания);  – возникает вследствие неравномерности покрытия ОВ;  – возникает вследствие потерь в защитной оболочке ОВ.

Таким образом, дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причинами увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в ОВ, которые могут возникнуть при изготовлении кабеля.

В ряде случаев микроизгибы могут существенно влиять на прирост αк. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах 0,01…0,1 дБ. Приращение затухания от микроизгибов  зависит от мелких локальных нарушений прямолинейности ОВ, характеризуемых смещением оси ОВ в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные неосесимметричные механические усилия различного происхождения, приложенные к очень малым участкам ОВ. К микроизгибам следует отнести такие поперечные деформации ОВ, для которых максимальное смещение оси ОВ соизмеримо с диаметром сердцевины волокна. Особенностями микроизгибов является то, что они, как правило, многочисленны, расстояние между соседними микроизгибами существенно больше их размера. Общий вклад потерь, создаваемых микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из ОВ. Зависимость приращения затухания от микроизгибов  можно определить из выражения

,                                 (19)

где k3 = 0,9…1,0; Nн – число неоднородностей в виде выпуклостей со средней высотой ун на единицу длины; b – диаметр оптической оболочки; Ео и Ес – модули Юнга оболочки и сердцевины ОВ.

 

Затухание в местах соединений оптических волокон

 

В отличие от традиционных кабелей затухание в сростках ОВ может достигать больших величин, соизмеримых с километрическим затуханием. На затухание сростка большое влияние оказывают поперечное смещение и смещение осей. На рис. 13 приведены возможные варианты дефектов сопряжения ОВ (радиальное, угловое и осевое). При радиальном смещении дополнительные потери определяются из формулы:

, дБ,                                         (20)

где d – диаметр сердцевины ОВ; δ – радиальное смещение ОВ.

 

 

 

 

                       а                                           б                                           в

Рис. 13

При угловом смещении дополнительные потери определяются по формуле (дБ)

,                                         (21)

где θА – апертурный угол волокна; θ – угловое смещение ОВ.

При осевом смещении дополнительные потери определяются по формуле (дБ)

,                                   (22)

где S – осевое смещение (зазор) ОВ.

Приведенные выражения достаточно хорошо согласуются с экспериментальными, если значения δ, θ и S достаточно малы (δ/d < 1,

S/d ≤ 1, θ < 10°). Наиболее жесткие требования предъявляются при радиальном и угловом смещении. Наличие зазора между торцами волокон существенно меньше влияет на потери.