Выпускная квалификационная работа «Разработка устройства управления лазерным диодом для передачи сигнала по одноволоконному оптическому кабелю со скоростью 2,048 Мбит/с» (стр. 2 )

2.3.1. Основные элементы приемных оптоэлектронных модулей

Основными функциональными элементами ПРОМ являются:

- фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

- каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

- регенератор или демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

На практике функциональные элементы могут несколько отличаться у разных ПРОМ. Например, детектор типа лавинный фотодиод обеспечивает внутреннее усиление, в результате чего собственные шумы последующего электронного усилителя становятся не столь заметными по сравнению с уровнем полезного сигнала. В некоторых ПРОМ отсутствует демодулятор или цепь принятия решения, поскольку электрический сигнал с выхода каскада усилителей приемлем для непосредственной обработки другими электронными устройствами. Иногда для более эффективной работы ПРОМ перед детектором устанавливается оптический усилитель.

На рис.2.5. приведены функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) ПРОМ. Аналоговые ПРОМ принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе также выдают аналоговый электрический сигнал. К аналоговым приемникам предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов - в противном случае возрастают искажения сигнала. На протяженных линиях с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов, Цифровой приемник должен включать узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги на принятие сигналов 0 и 1, который распознает, какой сигнал пришел, устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Рис. 2.5. Функциональные элементы приемных оптоэлектронных модулей (ПРОМ): а) аналогового; б) цифрового

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала.

("9") При синхронном режиме битовый поток между приемником и передатчиком носит непрерывный характер. При асинхронном режиме данные передаются в виде организованных битовых последовательностей - пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит - сигнала нет. При синхронном режиме приема-передачи таймер приемника выделяет в приходящей битовой последовательности специальные сигналы - синхроимпульсы, на основании которых приемник регулярно настраивает или подстраивает свои часы.

При асинхронном режиме приема-передачи приемник имеет свой независимый таймер. Принимая начальные биты пакета, таймер приемника настраивает узел принятия решения так, чтобы определение приходящего бита выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает узел принятия решения, идет на частоте таймера. Так как есть погрешность у разных таймеров, то, по мере принятия последующих битов пакета, момент определения приходящего бита плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего бита. Для правильной идентификации всех битов пакета важно, чтобы смещение за время принятия пакета не превысило 0,5 бита. Это приводит к ограничению на максимальную длину пакета. Чем меньше погрешность таймеров, тем большая длина пакета может использоваться для передачи.

2.3.2. Принципы работы фотоприемника

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый обычно из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда. Для этого используется конструкция с р-п переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Главная функция фотоприемника - это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из волокна. Две фундаментальные характеристики влияют на то, как хорошо фотоприемник справляется с этой задачей: амплитуда входного сигнала и уровень шумов.

2.3.3. Электронные элементы ПРОМ

Выходящий электрический сигнал от фотоприемника усиливается каскадом электронных усилителей и, при необходимости, сигнал подвергается дополнительной обработке. Основные функции, которые выполняет ПРОМ на этом этапе: электронное предусиление и усиление, выравнивание, фильтрация, дискриминация, синхронизация и работа таймера.

Электронное предусиление и усиление. Типовое значение оптического сигнала на входе фотоприемника составляет 1-10 мкВт, а иногда и меньше. Если такой сигнал обрабатывается p-i-n фотодиодом с токовой чувствительность от 0,6 до 0,8 А/Вт, то выходной ток составит несколько микроампер, и необходимо последующее его усиление. Допускается одна или несколько стадий усиления. Обычно усилитель на первой стадии называется предусилителем. Его особенностью является низкий уровень вносимых шумов. Далее следует усилитель мощности.

Выравнивание. Прием и усиление сигнала может несколько изменять обрабатываемый сигнал. Например, каскад электронных усилителей, принимающий широкополосный аналоговый сигнал, может иметь разный коэффициент усиления для высоких и низких частот. Чтобы восстановить правильное соотношение амплитуд в низкой и высокой областях спектра, необходимо добавить цепь выравнивания сигнала.

Фильтрация позволяет увеличить соотношение сигнал/шум посредством избирательного (в определенных диапазонах частот) подавления шума. Часто, таким образом, можно подавить высокочастотные гармоники шума, заведомо зная, что полезный сигнал не распространяется в этой области спектра.

Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как при обработке аналогового сигнала, так и цифрового, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов. Из-за наличия дисперсии при распространении света по волокну приходящие фронты импульсов могут потерять первоначальную прямоугольную форму и стать размытыми. Необходимо восстановить их прямоугольную форму. Для этой цели предназначена цепь принятия решения или дискриминатор, который имеет порог срабатывания. Если амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала меньше порога, то на выходе сигнала нет (0), если же превосходит порог, то на выходе идет сигнал определенной амплитуды (1). Главным недостатком такой регенерации цифрового сигнала является возможность нарушения длительности импульсов. Чем меньше амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала, тем короче могут быть импульсы, соответствующие единичному сигналу на выходе дискриминатора. Низкое значение порога также нежелательно, поскольку можно ошибочно принять шум за полезный сигнал.

Для того, чтобы строго сохранялась длительность импульсов на выходе дискриминатора, необходимо, чтобы дискриминатор получал информацию о частоте, с которой должны следовать импульсы. Такая информация выделяется с помощью таймера.

Работа таймера. Основная функция таймера - это подавление ресинхронизации сигнала. Традиционный цифровой сигнал генерируется на характерной частоте, например, 1 раз в микросекунду. По мере передачи и ретрансляции сигнала случайные временные ошибки могут накапливаться и достичь уровня, сравнимого с длительностью самого импульса. В результате приемник ошибочно может интерпретировать принятый бит или «потерять» бит. Такие случайные временные ошибки получили название джитер (jitter, дрожание). Их появление характерно при синхронном режиме передачи. Уменьшить джитер можно, повысив требования к стандарту частоты генератора импульсов. Однако если приемник имеет свой собственный таймер, то при длительном приеме будут проскакивать ошибки вследствие наличия джитера. Дальнейшее уменьшение ошибок из-за джитера достигается в более продвинутой технологии магистральных оптических сетей, основанных на так называемой синхронной цифровой иерархии SDH. В SDH при синхронной передаче в битовом потоке наряду с полезной информацией присутствуют специальные синхроимпульсы, по которым настраивается (плавно перестраивается под частоту передатчика) таймер приемника. В сложной сети SDH существует один независимый ведущий таймер (master clock), на который равняются другие устройства сети.

ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

3.1. Классификация оптических кабелей связи

Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.

Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.

Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.

Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.

Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

("10") Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.

Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).

Монтажные ОК используются для внутри - и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

3.2. Оптические волокна и особенности их изготовления

Основным элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны 0,85...1,6 мкм, что соответствует диапазону частот (2,3...1,2) • 1014 Гц.

Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших условий отражения на границе “сердцевина — оболочка” и защита от помех из окружающего пространства.

Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц—кварц, а второе кварц—полимер (кремнеор-ганический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м3.

Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем—эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Сечение оптического волокна:

1— сердцевина ; 2 — оболочка ; 3 — защитное покрытие

В существующих конструкциях ОК применяются световоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм) (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Оптические волокна:

а — профиль показателя преломления; б — прохождение луча;

1 — ступенчатые; 2 — градиентные; 3 — одномодовые

По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими — ступенчатые.

Важнейшая проблема оптической связи — создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве исходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло, которое является хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, как правило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких как металлы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения и рассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.

В настоящее время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми потерями путем химического осаждения из газовой фазы.

Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно. Заготовка изготавливается следующим образом (рис. 3.3).

("11") Рис. 3.3. Изготовление заготовки методом химического осаждения из газовой фазы:

1—опорная трубка (оболочка ); 2—осажденные продукты (сердцевина ); 3—нагревательная спираль;

4 — газообразный поток кварца

Во внутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода. В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц. Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900° С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем преломления, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления. Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С).

Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Вытягивание волокна из заготовки:

1 — заготовка; 2 — печь; 3 — волокно; 4 — приемный барабан

Достоинством данного способа является не только получение ОВ с сердечником из химически чистого кварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилем показателя преломления. Это осуществляется: за счет применения легированного кварца с присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. В зависимости от применяемой присадки показатель преломления волокна может изменяться. Так, германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления. Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая определенный объем присадки в осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемый характер изменения по сечению сердечника волокна.

3.3. Конструкции оптических кабелей

Конструкции ОК в основном определяются назначением и областью их применения.

В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.

Рис. 3.5. Типовые конструкции оптических кабелей:

а—повивная концентрическая скрутка; б—скрутка вокруг профилированного сердечника; в—плоская конструкция; 1— волокно; 2— силовой элемент; 3— демпфирующая оболочка; 4—защитная оболочка; 5—профилированный сердечник; 6— ленты с волокнами

Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы (рис. 3.5) :

кабели повивной концентрической скрутки кабели с фигурным сердечником плоские кабели ленточного типа.

("12") Кабели первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.

Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько первичных модулей.

Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.

В оптических кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующие элементы:

силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв; заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей; армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях; наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий.

В России изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для организации многоканальной связи применяются в основном четырех - и восьмиволоконные кабели.

Представляют интерес ОК французского производства (рис. 3.6). Они, как правило, комплектуются из унифицированных модулей, состоящих из пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по периметру и десяти ОВ, расположенных по периферии этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких модулей. Снаружи кабели имеют алюминиевую и затем полиэтиленовую оболочку.

Рис. 3.6. Конструкции оптических кабелей французского производства:

а — 10-волоконный модуль; б — 70-волоконный кабель; 1 — оптические волокна; 2 — фигурный сердечник; 3 — силовой элемент; 4 — пластмассовая лента; 5—модуль на десять волокон; 6 — алюминиевая оболочка;

7—полиэтиленовая оболочка

Американский кабель, широко используемый на ГТС, представляет собой стопку плоских пластмассовых лент, содержащих по 12 ОВ. Кабель может иметь от 4 до 12 лент, содержащих 48— 144 волокна (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Американский кабель плоской конструкции:

а—лента с 12 волокнами; б—сечение кабеля; в—общий вид кабеля; 1—оптическое волокно; 2—полиэтиленовая лента; 3—стопка лент из 144 волокон; 4— защитное покрытие; 5 — внутренняя полиэтиленовая оболочка; 6 — пластмассовые ленты; 7 — силовые элементы; 8 — полиэтиленовые оболочки

На (рис. 3.8) показан японский ОК с алюминиевой оболочкой и наружным полиэтиленовым шлангом.

("13") Рис. 3.8. Японский оптический кабель:

1 — оптические волокна; 2—медный силовой элемент; 3 — демпфирующее покрытие; 4—наружная оболочка

В Англии построена опытная линия электропередачи с фазными проводами, содержащими ОВ для, технологической связи вдоль ЛЭП. Как видно из (рис. 3.9), в центре провода ЛЭП располагаются четыре ОВ.

Рис. 3.9. Оптический кабель, встроенный в фазный провод ЛЭП:

1 — оптические волокна; 2 — защитное покрытие; 3 — проводники ЛЭП

Применяются также подвесные ОК (рис. 3.10). Они имеют металлический трос, встроенный в кабельную оболочку. Кабели предназначаются для подвески по опорам воздушных линий и стенам зданий.

Рис. 3.10. Подвесной оптический кабель с встроенным тросом:

1—оптические волокна; 2—стальной трос; 3 — полиэтиленовая оболочка

Для подводной связи проектируются ОК, как правило, с наружным броневым покровом из стальных проволок (рис. 3.11). В центре располагается модуль с шестью ОВ. Кабель имеет медную или алюминиевую трубку. По цепи “трубка—вода” подается ток дистанционного питания на подводные необслуживаемые усилительные пункты.  

Рис. 3.11. Подводный оптический кабель:

а — шестиволоконный модуль (3 варианта); б—подводный кабель; 1—оптический модуль; 2—шесть оптических волокон; 3—силовой элемент из стальной проволоки; 4 — полиэтиленовая оболочка модуля; 5 —пластмассовые трубки; 6—заполнение компаундом; 7—стальная броня; 8 — медная или алюминиевая трубка; 9—полиэтиленовый шланг

3.4. Оптические кабели российского производства

Первое поколение ОК, созданных в 1986—1988 гг., включает кабели городской (ОК-50), зоновой (ОЗКГ) и магистральной (ОМЗКГ) связи. Современные требования развития связи потребовали создания новых усовершенствованных типов ОК (второе поколение). Такими кабелями, разработанными в период 1990—1992 гг., являются: ОКК—для городской связи (прокладка в канализации), ОКЗ—для зоновой и ОКЛ—для линейной магистральной связи.

Отличительные особенности ОК второго поколения:

переход на волны 1,3 и 1,55 мкм; применение одномодовых волокон; модульные конструкции кабелей (каждый модуль на 1, 2, 4 волокна); ("14") наличие медных жил для дистанционного электропитания; разнообразие типов наружных оболочек (стальные ленты, проволоки, стеклопластик, полиэтилен, оплетка); широкополосность и большие длины регенерационных участков.

Кабель ОКК по сравнению с ОК-50 имеет меньшее затухание, большие дальность связи и широкополосность. Кабель ОКК состоит из градиентных и одномодовых волокон.

Новый зоновый кабель ОКЗ имеет различные типы оболочек, позволяющих использовать его в различных условиях эксплуатации (земля, вода, подвеска).

Кабель междугородной связи ОК. Л по сравнению с предшествующим (ОМЗКГ) обладает большей длиной трансляционного участка и позволяет применять наиболее мощную систему передачи на 7680 каналов (“Сопка-5”).

Рассмотрим конструкции отечественных ОК.

Кабель городской связи типа ОК-50 содержит четыре или восемь волокон (рис. 3.12). Волокна свободно расположены в полимерных трубках. Скрутка — повивная, концентрическая. В центре размещен силовой элемент из высокопрочных полимерных нитей. Снаружи имеется, полиэтиленовая оболочка.

Рис. 3.12. Оптический кабель городской связи ОК-50:

1 — силовой элемент; 2 — пластмассовая трубка; 3 — волокно;

4 — пластмассовая лента; 5—полиэтиленовая оболочка

Четырехволоконный кабель ОК-4 имеет принципиально ту же конструкцию и размеры, что и восьмиволоконный, но только четыре волокна в нем заменены пластмассовыми стержнями. Изготавливаются также кабели, содержащие больше число волокон. Городские кабели прокладываются в телефонные канализации.

Кабель городской связи типа ОКК, прокладываемый в канализации, содержит 4, 8 или 16 волокон (рис. 3.13). Кабель имеет градиентные волокна с диаметром сердцевины 50 мкм (ОКК-50-01) или одномодовые волокна с диаметром сердцевины 10 мкм (ОКК-10-02).

Рис. 3.13. Оптический кабель городской связи марки ОККС:

1 — силовой элемент (стеклопластик); 2 — оптическое волокно; 3 — пластмассовая лента; 4 — стеклопластиковые стержни; 5—полиэтиленовый шланг

Силовой центральный элемент выполнен из стеклопластиковых стержней или стального троса, изолированного полиэтиленом. Поверх наложена скрутка из восьми оптических модулей или корделей. В каждом мод или 4 ОВ. Затем наложены фторопластная лента и полиэтиленовый шланг.

Кабели, предназначенные для прокладки в грунтах, зараженных грызунами или подверженных механическим воздействиям, имеют еще броневой покров из стеклопластиковых стержней, а поверх него—полиэтиленовый шланг (ОККС). Известны конструкции, в которых вместо стержней применяется оплетка (ОККО).

Для подводных речных переходов применяется кабель в алюминиевой оболочке с броневым покровом из круглых стальных проволок и полиэтиленовым шлангом (ОККАК). Для станционных вводов и монтажа создан кабель ОКС.

("15") Кабель зоновой связи марки ОЗКГ (рис. 3.14) содержит восемь градиентных волокон, расположенных в пазах профилированного пластмассового сердечника. Так как кабель предназначен для непосредственной прокладки в грунт, он имеет защитный броневой покров из стальных проволок диаметром 1,2 мм. Дистанционное электропитание регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным проводникам диаметром 1,2 мм, расположенным в броневом покрове кабеля. Снаружи кабель имеет полиэтиленовую оболочку.

Рис. 3.14. Оптический кабель зоновой связи марки ОЗКГ:

1— профилированный сердечник; 2 — силовой элемент; 3 — волокно; 4 — внутренняя пластмассовая оболочка; 5—стальная проволока; 6—наружная полиэтиленовая оболочка; 7—медный проводник

Зоновый кабель ОКЗ содержит четыре или восемь многомодовых ОВ, расположенных в четырех модулях сердечника кабеля, покрытых снаружи полиэтиленовой оболочкой (см. рис. 3.15). Кабель предназначен для прокладки в грунт, поэтому имеет защитный броневой покров. Возможны различные варианты брони: стальные круглые проволоки (ОКЗК), бронеленты (ОКЗБ), стеклопластиковые стержни (ОКЗС), стальная оплетка (ОКЗО). Изготовляются также подводные кабели с алюминиевой оболочкой и круглой стальной броней (ОКЗАК). Станционные кабели маркируются ОКС.

Рис. 3.15. Оптический кабель зоновой связи марки ОКЗ:

1 — силовой элемент; 2 — оптическое волокно; 3 — медный проводник; 4 и 6 — полиэтиленовая оболочка; 5—стальная броня

Дистанционное электропитание регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным проводникам диаметром 1,2 мм, расположенным в сердечнике кабеля.

Кабель магистральной связи ОМЗКГ (рис. 3.16) содержит одномодовые волокна, обеспечивающие многоканальную связь на большие расстояния. Кабель содержит четыре или восемь волокон, расположенных в пазах профилированного пластмассового сердечника. Защитный покров изготавливается в двух модификациях: из стеклопластиковых стержней или стальных проволок. Снаружи имеется пластмассовая оболочка. Кабель предназначен для прокладки в грунт.

Рис. 3.16. Магистральный оптический кабель марки ОМЗКГ:

1 — профилированный сердечник; 2 — волокно; 3 — силовой элемент; 4 — внутренняя пластмассовая оболочка;

5 — стеклопластиковые нити; 6 — наружная полиэтиленовая оболочка

Магистральный кабель ОКЛ изготавливается из одномодовых волокон с сердцевиной диаметром 10 мкм, имеет две модификации: с медными проводниками диаметром 1,2 мм для дистанционного питания регенераторов (рис. 3.17) и без медных проводников с питанием от местной сети или автономных источников теплоэлектрогенераторов (ТЭГ).

Рис. 3.17. Магистральный оптический кабель марки ОКЛ:

1 — оптическое волокно; 2 — оболочка оптического модуля; 3 — центральный силовой элемент из стеклопластикового стержня;4—оболочка; 5—медная жила; 6—изоляция медной жилы; 7—гидрофобное заполнение; 8 — обмоточная лента; 9 — промежуточная оболочка из полиэтилена; 10— подушка из крепированной бумаги; 11 — сталеленточная броня; 12—наружная защитная оболочка из полиэтилена (с битумной подклейкой к броне)

Центральный силовой элемент выполнен из стеклопластиковых стержней. Наружный покров кабеля имеет несколько разновидностей: для прокладки в канализации — это полиэтиленовый шланг (марка ОКЛ), для подземной прокладки—броневой покров из стеклопластиковых стержней (ОКЛС), стальных лент (марка ОКЛБ), круглой проволоки (ОКЛК).

Для подводных речных переходов создан кабель с алюминиевой оболочкой и круглопроволочной броней (ОКЛАК). Для станционных вводов и монтажа используется кабель ОКС.

("16") 3.5. Выбор оптического кабеля

Учитывая особенности полевой линии связи, проектируемой в данной работе, необходимо отметить, что в ней используется одноволоконный оптический кабель. Это кабель, в составе которого имеется только одно оптическое волокно. Данный выбор связан с тем, что основной трудностью в установлении линии связи в полевых условиях является большое количество разъемных соединителей. Поскольку в полевой линии на соединителях происходят большие потери, то к ним предъявляются жесткие требования. И в настоящее время соединители для одноволоконных оптических кабелей обеспечивают гораздо меньшие потери, чем соединители для многоволоконных кабелей. В связи с этим для построения полевой линии связи прибегают к использованию именно одноволоконного оптического кабеля.

Пользуясь информацией описанной в этой главе и техническим заданием, для решения поставленной задачи, выбран одноволоконный кабель ПОК-01.

Технические характеристики:

коэффициент затухания
на длине волны 1,3 мкм не более 0,7 дБ/км на длине волны 1,55 мкм не более 0,4 дБ/км
прочность кабеля на разрыв 1,3кН строительная длина 1 км диапазон рабочих температур От -60ºC до +70ºC

ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ВОЛС

4.1. Исходные данные

Длина линии связи – 8 км

Длина и количество участков – 6 участков по 0,5 км

5 участков по 1 км

Количество оптических соединителей – 11 шт.

Затухание в оптическом соединителе – 2,3 дБ

Потери в оптическом волокне при длине волны 1,3 мкм – 0,7 дБ/км

при длине волны 1,55 мкм – 0,4 дБ/км

Температурные условия - -40ºС ÷ +50ºС

("17") Чувствительность приемного устройства – минус 30 дБ

4.2. Расчет энергетических потерь

Основная задача полевой оптической линии связи – обеспечение передачи необходимого количества оптической мощности к приемнику. Проведем энергетический расчет ВОЛС по известным характеристикам источника и приемника и параметрам рассмотренных элементов ВОЛС.

Вначале определим потери в волоконно-оптическом кабеле. В проектируемой линии связи потери в волокне определяются по формуле:

, (4.1)

где - величина суммарных потерь в волокне на протяжении всей линии в дБ,

- потери в оптическом волокне в дБ/км на заданной длине волны,

- длина i – того участка между соединениями в км.

Для расчета передатчика будем использовать только длину волны 1,3мкм, т. к. километрическое затухание в кабеле на длине волны 1,55 мкм ниже.

Подставляя значения величин в формулу (4.1) получаем:

.

Рассмотрим потери, возникающие при вводе излучения источника в волоконно-оптическую линию связи. В настоящее время источники света производятся уже состыкованными с оптическим волокном и соответственно в технических требованиях указываются: мощность на выходе волокна соединенного с ПОМ, диаметр сердцевины и ядра волокна и числовая апертура. Выбирая такой источник, в расчетах можно принять потери при вводе излучения в волокно равными 0 дБ.

дБ

При этом могут возникнуть потери при стыковке с основным кабелем линии передач, если нарушены условия согласования волокон по диаметрам сердцевины и числовым апертурам.

В данном случае числовые апертуры и диаметры сердцевин волокон согласованы друг с другом, но при этом надо учитывать потери возникающие на соединителе которые достигают 1 дБ.

дБ

Аналогично учитываются потери при стыковке основного кабеля линии передачи с фотоприемником.

В данном случае эти потери также можно принять равными нулю, так как фотоприемник имеет волоконный вход, для которого задана минимальная необходимая мощность, при этом числовые апертуры и диаметры сердцевин входа и волокна основной линии совпадают и остаются только потери на соединителе, которые достигают 1 дБ.

дБ

дБ

("18") Необходимо также учитывать допуск на потери, связанные с возможным ухудшением параметров ВОЛС со временем . Так как в нашей системе источником излучения и фотоприемником являются, соответственно лазерный диод и pin-фотодиод, то допуск на потери составляет 1 дБ.

дБ

Рассмотрим теперь потери на оптических соединителях. В рассматриваемой линии связи потери на соединителях являются наибольшими по сравнению с другими потерями в системе. В системе используется 11 разъемных соединителей.

Потери на соединителе равны 2,3 дБ.

дБ

В этом затухании учтены возможные дополнительные потери в соединителе. Так как соединитель должен использоваться для полевой волоконно-оптической линии передачи, то в полевых условиях, при оперативном развертывании ВОЛС, при большом количестве переподключений, при возможном загрязнении оптического соединителя происходит возрастание потерь в соединителе. Потери на соединителях рассчитываются по формуле:

, (4.2)

где - общие потери мощности на соединителях,