Файл: Методические указания по выполнению курсового проекта Выбор типа кабельных линий связи на проектируемом участке. 14.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 231
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
λ = 1,55 мкм, 0,32 дБ/км при λ = 1,3 мкм; В = 0,067
Результаты расчетов приведены в таблице 14.
Таблица 14 - Результаты расчета длин ЭКУ
5.11.5 Расчет длины регенерационного участка, исходя из ограничений по дисперсии
Волоконно-оптическую систему связи можно рассматривать как линейную систему с ограниченной полосой пропускания. Оптическая полоса пропускания волокна
определяется как область частот, в пределах которой значение передаточной функции волоконного световода уменьшается наполовину от ее величины при нулевой частоте модуляции оптической несущей .
Между информационной пропускной способностью оптического волокна (В, бит/с), уширением импульса (
, с) и шириной оптической полосы пропускания [
, Гц] имеется взаимосвязь. Ширина оптической полосы пропускания в герцах должна быть не менее скорости передачи информации в битах. Связь между величиной уширения оптических импульсов и оптической ширины полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка выражается соотношением
Для гауссовского спектра источника излучения и скорости передачи менее 565 Мбит/с для практических оценок можно использовать следующие соотношения:
Уширение импульса будет определено формулой:
Пример. Исходя из условия потерь на линии, максимальная длина регенерационного участка для системы передачи 140 Мбит/с равна 100 км. Рассчитать уширение импульса и ширину оптической полосы пропускания при
= 100 км и использовании полупроводникового лазера с эксплуатационной длиной волны 
= 1500 нм, шириной спектральной линии
= 0,5 нм и хроматической дисперсией 
=15 пс/нм .км.
Уширение импульса на длине регенерационного участка равно
.
Ширина оптической полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка равна
.
Расчетная ширина оптической полосы пропускания световода = 0,59ГГц сравнивается с требуемой полосы частот
0,14 ГГц для работы системы передачи 140 Мбит/с.
0,155 ГГц для работы системы передачи 155 Мбит/с.
0,622 ГГц для работы системы передачи 622 Мбит/с.
Следовательно, ограничение длины регенерационного участка, исходя из потерь в линии, является более строгим, чем ограничение по дисперсии и максимальная длина регенерационного участка равна
=100 км.
Прочность и срок службы оптических волокон (период времени до разрушения) зависит от:
Определение срока службы оптических волокон (кабеля) основывается на исследовании структурных изменений в волокнах в процессе эксплуатации оптических кабелей.
Прочность кварцевого стекла определяется величиной и числом связей между атомами, приходящимися на 1 сантиметр стекла. Теоретическая прочность сцепления бездефектного объёма кварцевого стекла (ST) можно определить из выражения:
Для кварцевого стекла длина связи примерно равна a = 0,16 нм, а теоретическая прочность ST = 18000 МПа. Это очень высокая прочность. Для сравнения укажем, что прочность стали составляет 1500…3000 МПа. Однако, реальная прочность стекол существенно меньше теоретической. Объясняется это наличием поверхностных дефектов, обусловленных воздействием механических напряжений. Они возникают за счёт того, что в любой момент времени определённая часть Si-O связей разорвана вследствие статического разброса энергий колебаний. При этом нормальные связи, находящиеся в непосредственной близости от разрушенной связи, мгновенно испытывают перегрузку, что увеличивает вероятность их разрыва. Если одновременно в состоянии разрыва находится критическое число соседних связей, разрушение приобретает необратимый характер. Аналитическая трактовка рассматривает дефекты как узкие трещины с малыми радиусами кривизны на тонком конце трещины. Гриффит для характеристики концентрации напряжения на конце прямой трещины эллиптического сечения глубиной (С) использует фактор интенсивности напряжения (K)
При воздействии растягивающего напряжения стекло разрушается, если концентрация напряжений в доминирующем поверхностном дефекте достигает критического разрушающего значения. Гриффит получил выражение для расчёта параметра критической интенсивности напряжения (Kкр), при котором имеет место разрыв, в виде
Из выражений (5.12.2) и (5.12.3) можно получить выражение для расчёта разрывного усилия (Sразр) при наличии трещины
Заметим, что разрывное усилие пропорционально корню квадратному от глубины трещины. Поэтому Sразр уменьшается вдвое для четырёхкратного увеличения глубины трещины.
Если приложенное напряжение меньше критического, то в присутствии влаги стекло с течением времени также разрушается. Трещины увеличиваются таким образом, что рост концентрации напряжений происходит на их концах. Это ведёт к распространению дефекта с постепенно возрастающей скоростью до тех пор, пока концентрация напряжений не достигнет критического значения. Данный механизм разрушения называют коррозионным. Таким образом, волокно, которое уцелело при изготовлении и прокладке кабеля, через некоторое время может разрушиться даже при небольших остаточных напряжениях из-за наличия поверхностных трещин.
Пример. Рассчитать разрывное усилие в ГПа и процент относительного удлинения оптического волокна, имеющего эллиптическую трещину глубиной C = 12 нм. Определить во сколько раз (n) уменьшилось разрывное усилие по сравнению с волокном, не имеющим трещин.
Результаты расчетов приведены в таблице 14.
Таблица 14 - Результаты расчета длин ЭКУ
| Рассчитанная величина | Длины ЭКУ при оптических интерфейсах ADM 16/1 | ||
| SI-L 16.1/1C | SI-L 16.2/1C | SI-L 16.3/1B | |
| λ = 1,3 мкм | λ = 1,55 мкм | λ = 1,55 мкм | |
| W, дБ | 27 | 27 | 31 |
| LНОМ, км | 43,2 | 71,8 | 88,1 |
| LМИН, км | 23,5 | 37,9 | 47,3 |
| LМАКС, км | 48,3 | 77,0 | 95,2 |
| LD, км OB G.652 | 53 | 90 | 90 |
5.11.5 Расчет длины регенерационного участка, исходя из ограничений по дисперсии
Волоконно-оптическую систему связи можно рассматривать как линейную систему с ограниченной полосой пропускания. Оптическая полоса пропускания волокна
определяется как область частот, в пределах которой значение передаточной функции волоконного световода уменьшается наполовину от ее величины при нулевой частоте модуляции оптической несущей .Между информационной пропускной способностью оптического волокна (В, бит/с), уширением импульса (
, с) и шириной оптической полосы пропускания [ , Гц] имеется взаимосвязь. Ширина оптической полосы пропускания в герцах должна быть не менее скорости передачи информации в битах. Связь между величиной уширения оптических импульсов и оптической ширины полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка выражается соотношением  , ГГц, | (32) | |
| где | к – коэффициент, учитывающий форму оптического сигнала. Для импульсов гауссовой формы к≈0,441 | |
Для гауссовского спектра источника излучения и скорости передачи менее 565 Мбит/с для практических оценок можно использовать следующие соотношения:
Уширение импульса будет определено формулой:
 ,пс, | (33) | |
| где |  - хроматическая дисперсия, пc/нм км (берется из п. 5.9); - ширина спектральной линии источника излучения, нм;Lp - максимальная длина регенерационного участка исходя из условия потерь в линии, км. | |
Пример. Исходя из условия потерь на линии, максимальная длина регенерационного участка для системы передачи 140 Мбит/с равна 100 км. Рассчитать уширение импульса и ширину оптической полосы пропускания при
= 100 км и использовании полупроводникового лазера с эксплуатационной длиной волны
= 1500 нм, шириной спектральной линии
= 0,5 нм и хроматической дисперсией =15 пс/нм .км.Уширение импульса на длине регенерационного участка равно
.Ширина оптической полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка равна
. Расчетная ширина оптической полосы пропускания световода
= 0,59ГГц сравнивается с требуемой полосы частот 0,14 ГГц для работы системы передачи 140 Мбит/с.
0,155 ГГц для работы системы передачи 155 Мбит/с.
0,622 ГГц для работы системы передачи 622 Мбит/с.
Следовательно, ограничение длины регенерационного участка, исходя из потерь в линии, является более строгим, чем ограничение по дисперсии и максимальная длина регенерационного участка равна
=100 км.5.12. Расчет разрывного усилия оптических волокон
Прочность и срок службы оптических волокон (период времени до разрушения) зависит от:
-
напряжения растяжения при заводских испытаниях волокна на прочность; -
максимальной величины усилия, которое было приложено к оптическому кабелю в процессе его прокладки; -
напряжения растяжения, приложенное к волокну в процессе эксплуатации; -
коэффициента устойчивости оптических волокон к статической коррозии.
Определение срока службы оптических волокон (кабеля) основывается на исследовании структурных изменений в волокнах в процессе эксплуатации оптических кабелей.
Прочность кварцевого стекла определяется величиной и числом связей между атомами, приходящимися на 1 сантиметр стекла. Теоретическая прочность сцепления бездефектного объёма кварцевого стекла (ST) можно определить из выражения:
| ST2 = gp E / 4 a, МПа, | (34) | |
| где | gp – поверхностная энергия кварцевого стекла; E – модуль Юнга (E = 9 1010 Н/м2); а - межатомное расстояние или длина связи. | |
Для кварцевого стекла длина связи примерно равна a = 0,16 нм, а теоретическая прочность ST = 18000 МПа. Это очень высокая прочность. Для сравнения укажем, что прочность стали составляет 1500…3000 МПа. Однако, реальная прочность стекол существенно меньше теоретической. Объясняется это наличием поверхностных дефектов, обусловленных воздействием механических напряжений. Они возникают за счёт того, что в любой момент времени определённая часть Si-O связей разорвана вследствие статического разброса энергий колебаний. При этом нормальные связи, находящиеся в непосредственной близости от разрушенной связи, мгновенно испытывают перегрузку, что увеличивает вероятность их разрыва. Если одновременно в состоянии разрыва находится критическое число соседних связей, разрушение приобретает необратимый характер. Аналитическая трактовка рассматривает дефекты как узкие трещины с малыми радиусами кривизны на тонком конце трещины. Гриффит для характеристики концентрации напряжения на конце прямой трещины эллиптического сечения глубиной (С) использует фактор интенсивности напряжения (K)
| K = SYC1/2, | (35) | |
| где | S – напряжение на конце трещины в направлении приложенного напряжения вдоль малой оси эллипса; Y – постоянная величина, зависящая от профиля трещины и равная Y = p1/2 для эллиптической трещины. С – глубина трещины | |
При воздействии растягивающего напряжения стекло разрушается, если концентрация напряжений в доминирующем поверхностном дефекте достигает критического разрушающего значения. Гриффит получил выражение для расчёта параметра критической интенсивности напряжения (Kкр), при котором имеет место разрыв, в виде
| Kкр = (2 E gp )1/2 , | (36) |
Из выражений (5.12.2) и (5.12.3) можно получить выражение для расчёта разрывного усилия (Sразр) при наличии трещины
| (2 E gp )1/2 = SразрYC1/2, | (37) |
| Sразр = (2 E gp/ (Y2C))1/2 , МПа, | (38) |
Заметим, что разрывное усилие пропорционально корню квадратному от глубины трещины. Поэтому Sразр уменьшается вдвое для четырёхкратного увеличения глубины трещины.
Если приложенное напряжение меньше критического, то в присутствии влаги стекло с течением времени также разрушается. Трещины увеличиваются таким образом, что рост концентрации напряжений происходит на их концах. Это ведёт к распространению дефекта с постепенно возрастающей скоростью до тех пор, пока концентрация напряжений не достигнет критического значения. Данный механизм разрушения называют коррозионным. Таким образом, волокно, которое уцелело при изготовлении и прокладке кабеля, через некоторое время может разрушиться даже при небольших остаточных напряжениях из-за наличия поверхностных трещин.
Пример. Рассчитать разрывное усилие в ГПа и процент относительного удлинения оптического волокна, имеющего эллиптическую трещину глубиной C = 12 нм. Определить во сколько раз (n) уменьшилось разрывное усилие по сравнению с волокном, не имеющим трещин.