Lucrarea de laborator nr.4Bugetul energetic a liniilor de comunicatii prin fibre

optice

4.1. Scopul lucrării:Calculaţi lungimea fibrei limitată de atenuare pe baza ecuaţiei

de buget a puterii. Simulaţi rezultatul sistemului şi verificaţi această ecuaţie.

4.2. Teorie:Atenuarea în fibra optică – aceasta este valoarea micşorării

puterii optice, care se propagă dea lungul fibrei optice între două secţiuni transversale la lungimea de undă dată. Atenuarea în fibrele optice se exprimă în dB. Coeficientul de atenuare în fibrele optice este valoarea atenuării pe o unitate de lungime a fibrei optice şi se exprimă în dB/km. Coeficientul de atenuare în fibrele optice este condiţionat de pierderile în fibra optică şi se exprimă prin relaţia:

(4.1)unde , , , - corespunzător componentele coeficientului de atenuare pe baza dispersiei Relei, absorbţia în materialul fibrei, absorbţia infraroşu şi absorbţia la impurităţi.

În general pierderile de energie în materialul fibrei depind de absorbţia energiei luminoase, existenţa diferitor impurităţi, aşa ca grupele hidroxile (OH), ioni de metale (fer, cobalt, nichel, cupru) şi alţi compuşi, şi de asemenea pierderile la absorbţia puterii transmise în intervalul spectrului infraroşu.

Pierderile totale la absorbţia în fibrele optice se determină prin relaţia:

(4.2)Mecanismul pierderilor de bază, care apar la propagarea prin

fibra optică a energiei electromagnetice, este reprezentată pe fig.3. O parte din putere, care se transmite la intrarea ghidului de undă Pin, se disipează din cauza variaţiei direcţiei razelor care se propagă la neregularităţi şi iluminarea lor în mediul înconjurător (DR), o altă parte a puterii se absoarbe de către materialul fibrei optice (AM) sub

66

forma polarizării dipolilor fibrei optice, la impurităţile adăugătoare, ce apare sub formă de căldură Joule (AI). În rezultat puterea la ieşire Рout, se micşorează.

Pierderile la absorbţie foarte mult depind de puritatea materialului şi existenţa impurităţilor parazite duc la mărirea considerabilă a ei. Pierderile la dispersie limitează valoarea minimă a pierderilor accesibile în fibrele optice.

Fig.3. Mecanismul pierderilor de bază în ghidurile de undă: DR – dispersia la neregularităţi; AI – absorbţia din cauza impurităţilor; AM – absorbţia în materialul fibrei optice

Dispersia, pe de o parte, este condiţionată de neomogenităţile materialului fibrei optice, dimensiunile cărora sunt mai mici decât lungimea de undă, iar pe de altă parte – de fluctuaţiile de temperatură a indicelui de refracţie.

Dispersia luminii în general nu poate fi înlăturată total şi influenţează asupra factorului de atenuare în fibrele optice chiar şi în cazul, când pierderile de lumină la absorbţie sunt nule.

Componenta coeficientului de atenuare în fibrele optice DR

(dB/km) care apare din cauza dispersiei Relei poate fi determinată din relaţia:

(4.3)

unde n1 – indicele de refracţie a miezului şi este egal cu 1,48 – 1,50; k = 1,3810-23 J/K – constanta lui Boltzman; T = 1500 K – temperatura de solidificare a sticlei la extragerea fibrei; =8,110-11

m2/H – coeficientul de elasticitate (pentru cuarţ).Componenta AM (dB/km), legată de pierderile la polarizarea

dielectrică, poate fi determinată din expresia:

67

DR DR

AM

AI

, (4.4)

unde: n1 este indicele de refracţie al miezului; – tangenta unghiului de pierderi dielectrice al materialului miezului fibrei optice (tg = 2,4 ∙ 10 – 12); λ - lungimea de undă, exprimată în km.

Componenta IR (dB/km), condiţionată de rezonanţele electronice şi atomice în intervalul infraroşu a spectrului pe baza oscilaţiilor atomilor în reţeaua cristalină, poate fi determinată din expresia:

(4.5)unde C şi k – coeficienţi constanţi, egali, de exemplu, pentru cuarţ C = 0,9; k = (0,7.. .0,9)10-6 m. În fig.4 sunt reprezentate dependenţele tipice a componentelor de bază a pierderilor de lungimea de undă. Cum se observă din grafic, dispersia Relei DR limitează valoarea inferioară a pierderilor în partea stângă, iar absorbţia infraroşu IR

partea dreaptă a spectrului lungimilor de undă.

Fig.4. Componentele pierderilor de energieDin pierderile din cauza impurităţilor în fibrele optice reale,

care sunt fabricate în corespundere cu cerinţele ITU-TG.651, G652, cele mai puternice pierderi se observă la grupele hidroxile (OH), valorile cărora sunt următoarele:

68

AI

IR

AM

DR

, m

, d

B/k

m

(4.6)

În prezent în tehnica de telecomunicaţii în general se folosesc fibre optice din cuarţ, regiunea de folosire efectivă a cărora se află în intervalul lungimilor de undă până la 2 m. La mărirea în continuare a lungimii de undă din cauza mării considerabile a coeficientului IR în fibrele optice cuarţul este schimbat prin alte materiale. În particular, este vorba despre cercetările firmei Hiuz Ercraft a fibrelor, îndeplinite din compuşii policristalini TaBr şi TaBrI, care conţin la lungimea de undă 4 – 5 m coeficientul de atenuare, egal cu 0,01 dB/km.

La lungimi de undă mai mari în calitate de materiale pentru fibrele optice se folosesc sticlele halogenice, halcogenide şi cele pe baza fluorului. În comparaţie cu fibrele din cuarţ ele posedă o transparenţă mai înaltă şi asigură nişte pierderi de câteva ori mai mici. Cu apariţia fibrelor optice din materiale noi devine real elaborarea liniilor de conexiune prin fibre optice fără regeneratoare. Este cunoscut proiectul de construcţie a liniei optice subacvatice prin oceanul Atlantic de lungimea 6000 km fără regeneratoare, în care se analizează posibilitatea de folosire a fibrelor optice din tertraftorid, izirconiu, fluor beriliu.

Determinarea pierderilor optice în tractul lineic. Această etapă a proiectării constă din determinarea pierderilor totale αtot. Se definesc următoarele tipuri de pierderi:

Pierderi în fibra optică αFO, care sunt provocate de procesele de împrăştiere şi absorbţie în interiorul acesteia. Metoda de calcul a acestor pierderi a fost prezentată în punctul mai sus. Unitatea de măsură – dB / km.

Pierderi în cablul optic. Atenuarea suplimentară este condiţionată de pierderile în cablu (αCO), care constă din cel puţin şapte tipuri de coeficienţi de atenuare.

αco = αi , (4.7)

69

unde: α1 – apare în rezultatul aplicării acţiunilor termo-mecanice în procesul producerii cablului optic (CO);

α 2 – apare în rezultatul dependenţei de temperatură a coeficientului de refracţie a materialului CO;

α 3 – este condiţionată de microflexiunile CO;α 4 – apare în rezultatul încălcării caracterului rectiliniu al CO

(răsucirea);α 5 – apare ca rezultat al răsucirii CO în raport cu axa sa;α6 – apare în rezultatul acoperirii neomogene a CO;α7 – apare în rezultatul pierderilor în învelişul de protecţie al

CO. În aşa fel, pierderile suplimentare sunt determinate, în general,

de procesele de împrăştiere a energiei de la neomogenităţile care apar în urma fenomenelor sus menţionate.

Valorile coeficienţilor de atenuare în CO sunt prezentate în specificaţiile producătorilor.

Pierderile la introducerea/extragerea luminii în/din fibră optică. Pierderile la injectarea luminii în FO sunt determinate (depind invers proporţional) de eficienţa acordării DEL sau DL cu FO. Unitatea de măsură – dB.

Pierderile la extragerea luminii la recepţie de asemenea depind de eficienţa acordării fibrei cu FD. Unitatea de măsură – dB.

La etapa actuală, valorile tipice ale pierderilor la injectarea undei luminoase din DL în FO sunt , iar la extragerea luminii la recepţie - .

Pierderile în joncţiuni şi conectoare. Joncţionarea cablurilor de fibră optică se poate realiza prin conectori sau prin lipire. Joncţionarea poate fi necesară pentru conectarea unei secţiuni de cablu la altă secţiune de cablu sau pentru conectarea sursei sau detectorului optic la cablul optic.

In general lipirea asigură o atenuare mai mică decât o joncţiune demontabilă. Totuşi lipirea necesită investiţii cu echipament de sudură şi tehnicieni bine pregătiţi să realizeze aceste lipiri în condiţii dificile de lucru.

Conectorul trebuie să asigure transferul eficient al semnalului prin punctele de conexiune a două fibre optice. Atenuarea de

70

inserţie a conectoarelor este cuprinsă între 0,3 dB şi 2,5 dB. Principalele pierderi introduse de conectoare sunt:

-pierderi Fresnel (reflexie) inerente în cazul separării sau tăierii suprafeţelor de fibră optică;

-pierderi determinate de apertura numerică.-pierderi mecanice determinate de erori de poziţionare într-o

conexiune (alunecare laterală sau unghiulară, separare).-pierderi determinate de lustruirea imperfectă a capătului fibrei

optice, absorbţiei în lentilele de intrare, depuneri de impurităţi pe capetele fibrelor.

Pierderile introduse. Coeficientul de transmisiune a puterii optice (coeficientul de transmitere) D la conectarea capetelor se determină ca

, (4.8)iar pierderile introduse a – se calculează reieşind din expresia

, dB, (4.9)unde şi corespunzător intensităţile radiaţiilor la intrarea şi ieşirea conexiunii. Măsurarea precisă a acestor parametri în practică corespunde următoarei proceduri. Mai întâi se determină intensitatea la sectorul continuu a fibrei ce corespunde scării receptorului ( ). Apoi fibra se rupe şi după punerea cap la cap în conectoare a locului rupturii din nouă conectează. A doua măsurare a intensităţii corespunde . De obicei pierderile introduse depind de tipul fibrei (multimod sau monomod), tipul şi calitatea conectoarelor şi alcătuiesc de la 0,3 până la 0,5 dB. Pierderile introduse pot fi divizate în două categorii: pierderi interne şi externe

Pierderile interne sunt determinate de factorii, care nu pot fi controlaţi (de a obţine îmbunătăţirea lor la amplasarea fibrei în conector), şi anume variaţia în pereche a diametrelor miezurilor, indicilor de refracţie, aperturilor numerice, excentricitatea miezului/inveliş şi concentricitatea miezurilor la fibre din diferite părţi. Aceste pierderi toate trebuie considerate aditiv. Se poate de aşteptat schimbarea întâmplătoare a acestor factori, chiar şi în cazul când fibra este standardă sau cu una şi aceeaşi bobină. Aceşti factori apar mai puţin pe un segment continuu a cablului optic, deoarece ei

71

variază lent la mărirea lungimii. Asupra pierderilor interne influenţează tehnologia de producere a fibrei şi criteriile corespunzătoare de control a calităţii, dar nu construcţia conectorului. Cunoscând intervalul valorilor parametrilor enumeraţi mai sus, se poate de determinat valoarea maximă a pierderilor interne.

Pierderile apărute din cauza variaţiei indicelor de refracţie sunt ca urmare a reflecţiei Frenel şi se determină în cel mai simplu caz pentru fibra cu profilul indicelui de refracţie în trepte

[dB], (4.10)

unde n1 şi n2 – indicele de refracţie a fibrelor (distanţă între fibre nu este). Aceste pierderi dispar numai pentru egalitatea indicelor de refracţie. Pierderiel la variaţia aperturilor numerice apar numai în cazul, dacă apertura fibrei, care transmite semnalul NA1, este mai mare decât apertura fibrei care recepţionează semnalul NА2

şi se determină conform

[dB]. (4.11)

Pentru NA1<NA2 pierderile de apertură nu apar. Pierderile la variaţia diametrelor apar, atunci când diametrul a fibrei de emisie este mai mic decât diametrul fibrei de recepţie, şi se determină după relaţia

[dB], (4.12)

unde D1 şi D2 – diametrele fibrelor de emisie şi recepţie. Pentru D2

< D1 pierderi nu apar.Conectarea fibrelor 62,5/125 şi 50/125. Faptul de existenţă a

două standarde de fibre multimod 50 m şi 62,5 m este considerat perfect. Fibra multimod se foloseşte pe larg la construcţia reţelelor locale. Întreprinderile din Rusia care produc cablul optic folosesc pe larg standardul fibrei multimod cu diametrul purtătoarei de lumină 50m. Dacă lumina se propagă din fibra 50/125 în fibra 62,5/125,

72

atunci nu au loc pierderi de lumină (neglijăm alte pierderi). Dacă lumina trece din fibra 62,5/125 în fibra 50/125, atunci numai o parte din intensitatea luminii (50/62,5)2 va trece în fibra a doua, ce corespunde pierderilor de 1,94 dB.

Acest fapt se ea în consideraţie la producerea emiţătoarelor receptoarelor. Deci, de obicei dioda luminescentă a emiţătorului este calculată pentru o fibra cu un diametru mai mic (50 m), iar receptorul în acelaşi dispozitiv este calculat pentru o fibra cu diametrul mai mare (62,5 m). În acest caz nu este stric necesar folosirea în segmentul de cablu, care uneşte astfel de dispozitive, a standardului 62,5/125, recomandat de specificarea ANSI/TIA/EIA – 568A.

Mai mult ca atât, multe standarde de reţea pun o rezervă foarte mare pentru atenuarea în sistema de cabluri. De exemplu, standardele nivelului fizic pentru fibra multimod FDDI (PMD), Fast Ethernet (100 Base - FX) sunt calculate pentru o atenuare maxim admisibilă în linie până la 11 dB pentru o distanţă maximă de 2 km. Dacă de luat în consideraţie că pierderile în cablu alcătuiesc 3 dB/km, iar în conectoarele cu fibre de acelaşi tip – 0,5 dB, atunci o trecere adăugătoare de la 62,5 la 50 m, care introduce atenuarea 2,5 dB nu va fi critică chiar pentru lungimea maximă a segmentului de cablu (2 km).

Conexiunea fibrelor multimod şi monomod. Pierderi interne şi mai mari apar la conectarea fibrei monomod şi multimod (aproximativ 16 dB), când lumina se propagă din prima fibra în a doua.

Pierderile extrinseci (externe).Sursa de radiaţie este livrată de fabricant gata cuplată şi aliniată la un segment de cablu optic de câţiva centimetri, cuplaj care este cunoscut sub numele de cuplaj pigtail. In acest fel cuplajul de intrare este înlocuit cu un cuplaj de două segmente de cablu.

Pierderile extrinseci (externe) în îmbinare determinate de nealiniere sunt determinate de realizarea defectuoasă a sistemelor de cuplare. Nealinierile pot fi determinate de:

- deplasare radială între axele optice ale celor două fibre,- deplasarea axială între suprafeţele frontale ale fibrelor,

73

un unghi necorespunzător între axele optice ale celor două fibre.Aceste nealinieri sunt greu de evitat practic. O îmbunătăţire a cuplajelor se obţine prin utilizarea unor conectori optici adecvaţi, ceea ce permite realizarea curentă de îmbinări cu atenuări sub 0,5 dB.

Aceste pierderi, apar atât din cauza construcţiei neideale a conectorului, cât şi în procesul de asamblare a cablului optic. Pierderile externe depind de astfel de factori ca: ne îmbinarea mecanică (deplasarea unghiulară , deplasarea radială L, deplasarea axială S); porozitatea la capătul miezului; murdăriile sectorului între capetele fibrelor, fig.5.

Pierderile pentru deplasările unghiulare , radiale L şi axiale S se determină conform formulelor (fig.5 a, b, c)

(4.13)

(4.14)

(4.15)

unde NA – apertura fibrei; D – diametrul părţii purtătoare de lumină a fibrei; L – deplasarea radială; S – deplasarea axială; n0 – indicele de refracţie a mediului, care umple spaţiul joncţiunii.

Curăţarea necalitativă a capetelor fibrei, şi de asemenea frecarea, care apare la conectările multiple în conector (care au un contact fizic), poate duce încă la un tip de pierderi – pierderile legate de dispersia la microcrăpături (fig.5, d).

74

Fig.5. Cele patru tipuri de pierderi externe în conectoare: a) pierderile la deplasarea unghiulară; b) pierderi la deplasarea radială; c) pierderi la deplasarea axială; d) pierderi din cauza

dispersiei Frenel la neomogenităţi

Relaţiile arătate pentru pierderile la deplasările axiale ea în consideraţie numai factorul împrăştierii datorită aperturii a fluxului de lumină. Însă la apariţia unui spaţiu între fibre, între fibre apare şi reflecţia Frenel din cauza, că mediul, care umple spaţiul între suprafeţele deschise a capetelor fibrelor are un indice de refracţie diferit de cel al fibrelor, fig.6.

Luând în consideraţie cele două salturi a indicelor de refracţie coeficientul de propagare se determină din relaţia

(4.16)

La valoarea spaţiului, comparabilă cu lungimea de unsă sau mai mare, după oscilaţiile sinusului se poate de efectuat medierea. Atunci pierderile se determină conform

75

[dB], (4.17)

unde n1 – indicele de refracţie a fibrei (1,5), însă pentru ambele părţi, n – indicele de refracţie a miedului din spaţiu, fig.6. În cazul spaţiului cu aer (n = 1) pierderile alcătuiesc 0,35 dB.

Fig.6. Reflecţia Frenel

Pierderile Frenel pot fi micşorate, alegând materialul de umplere între conectoare, aproape de indicele de refracţie a fibrei, sau efectuând spaţiul cu mult mai mic decât lungimea de undă.

Îmbinările pot fi permanente sau demontabile. Pentru îmbinări permanente se utilizează lipiri cu diverse substanţe adezive cu proprietăţi optice deosebite (epoxy) sau prin topire şi sudură cu arc electric.

Conectorii de fibră optică trebuie să asigure o aliniere precisă. Tipurile de conectori de fibră optică sunt următoarele:

- conector cu canal de ghidare care poate fi simplu sau multiplu;- conectorul multiplu permite îmbinarea simultană a mai multor

cabluri optice de tip platbandă;- conector cu trei ace, care utilizează pentru ghidaj trei cilindri de

ghidare cu acelaşi diametru între care sunt presate fibrele ce trebuie îmbinate;- conector cu trei bile, care utilizează o metodă de aliniere

similară conectorului cu trei ace, dar care utilizează trei bile în locul cilindrilor de ghidare; - conector cu manşon de ghidare, care poate fi conector

tubular (utilizează un ghid tubular pentru menţinerea

76

aliniamentului) sau biconic.Pierderile ce au loc în joncţiuni şi conectoare sunt determinate

experimental la testarea liniei după instalarea tuturor componentelor.

Notă. Metodele moderne de sudare a fibrelor optice asigură pierderi în limitele de 0,01 – 0,03 dB.

Pierderile în cele mai bune uniri cu conectori optici au valori de 0,35 – 0,5 dB pe unire.

Aprecierea rezervei de sistem. În LCFO, utilizate în practică, în dependenţă de condiţiile de exploatare, trebuie să fie prevăzută o anumită abatere a parametrilor sistemului. Se introduce noţiunea de rezervă de sistem M, care ia în considerare următorii factori:

termenul de exploatare a emiţătorului optic (puterea emiţătoarelor optice de regulă scade cu timpul);

orice mărire a presiunii fizice asupra cablului (în astfel de situaţii pierderile în cablu cresc);

degradarea conectorilor la instalarea şi la înlocuirea lor; murdărirea conectoarelor optice (praful şi murdăria pot

bloca trecerea unei oarecare părţi a semnalului prin conector).Valoarea rezervei de sistem (M) se indică la proiectarea LCFO

bazându-se pe destinaţia şi condiţiile de exploatare a LCFO. Diapazonul valorilor recomandabile este de la 2 dB (pentru condiţii de exploatare mai favorabile) până la 6 dB (pentru cele mai nefavorabile condiţii de exploatare).

Determinarea pierderilor totale. După calculul valorilor pierderilor sus-menţionate se determină pierderile totale în linie:

, (4.18)unde nîmbin este numărul de sudări (îmbinări).

4.3. Îndeplinirea lucrării:Calculaţi atenuarea fibrei.Ecuaţia de buget a puterii exprimă că bugetul de putere trebuie

să fie egal cu suma tuturor pierderilor plus rezerva de sistem. Bugetul de putere este diferenţa dintre puterea la ieşirea

77

transmiţătorului şi sensibilitatea receptorului în dBm. Ecuaţia este următoarea:

T R F C AP S AL L L M , (4.19)unde: • PT = puterea de ieşire a transmiţătorului (dBm)• SR = sensibilitatea receptorului (dBm)• A = atenuarea fibrei (dB/km)• LF = lungimea fibrei (km)• LC = pierderi la conexiune (dB)• LA = pierderi adăugătoare cunoscute (dB)• M = rezerva de sistem (dB)În acest exerciţiu, toţi parametrii din ecuaţia de mai sus sunt

daţi, în afară de lungimea fibrei, care trebuie determinată. Sensibilitatea receptorului este definită aici pentru a avea

puterea minimă şi a obţine coeficientul BER 10-9, care corespunde factorului de calitate Q egal cu 6. Sensibilitatea receptorului depinde de viteza de transmitere a biţilor. Atenuarea fibrei depinde de lungimea de undă lucrătoare.

Calculele preventive:Utilizînd ecuaţia de buget a puterii de mai sus şi parametrii de

mai jos, determinaţi lungimea fibrei limitată de atenuare.Tabelul 3.1. Parametrii sistemuluiputerea de ieşire a transmiţătorului 0 dBmlungimea de undă lucrătoare 1550 nmViteza de transmitere a biţilor (Rata de bit) 2.5 Gb/ssensibilitatea receptorului -30 dBmatenuarea fibrei 0.19 dB/kmNumărul de conectori 2Pierderile la o conectare 0.5 dBpierderi adăugătoare cunoscute 0 dBrezerva de sistem 6 dBSistemul a fost creat folosind Optisystem şi exportat ca un

fişier OptiPerformer. Există două versiuni: una pentru 2.5 GB/s şi una pentru 10 GB/s. Lucraţi cu 2.5 GB mai întâi. Un atenuator optic este utilizat ca să reprezinte pierderi de conector şi rezerva de sistem. Când dvs deschideţi fişierul Optiperformer, acolo va fi o

78

listă de parametri care dvs puteţi să reglaţi. Ei sunt localizaţi în colţul drept de jos. Reglaţi parametrii conform tabelului de mai sus.

De asemenea, dispersia şi efectele neliniare în fibră nu se iau în considerare.

Pentru a seta sensibilitatea receptorului la -30 dBm pentru 2.5 GB/s, asiguraţi parametrul zgomotului de agitaţie termică în receptor de 8.97e-24 W/Hz.

Componentele de vizualizare necesare sunt plasate în OptiPerformer, pentru a obţine datele necesare pentru simulare.

Simularea1. Porniţi simularea şi notaţi următoarele date:• Puterea optică în punctele (dBm)o Ambele capete ale fibreio la intrarea receptorului• caracteristicile BER o BERo Factorul Q o Diagrama ochi2. Setaţi lungimea fibrei 125 % din valoarea obţinută în

calculele preventive şi repetaţi simularea şi notaţi datele.Analiza şi RaportulComparaţi rezultatele simulării cu calculele preventive şi

scrieţi observaţii şi explicaţii asupra acestor rezultate. Raportul trebuie să conţină:• Pagină de titlu • Calculele preventive• Schema studiată şi rezultatele obţinute, inclusiv şi

diagramele ochi• Tabelul cu rezultate pentru fiecare simulareo Lungimea fibrei în kmo puterea recepţionată în dBmo Factorul Q o BERScrieţi concluzii şi observaţii.

79

4.4. Întrebări de control

1. Ce se numeşte atenuarea fibrelor optice?2. Tipurile de pierderi în fibrele optice.3. Tipurile de pierderi la nealinierea fibrelor în conectoare.4. Ce reprezintă o joncţiune? 5. Ce tipuri de conectoare cunoaşteţi? 6. Ce reprezintă bugetul de putere?7. Ce reprezintă reflecţia Frenel?8. Explicaţi noţiunea de rezervă de sistem.9. Care sunt pierderile interne la conectarea a două fibre?

10. Enumeraţi pierderile de cablu.

80