Магистральды ТОБЖ-нің техникалық сипаттамаларының есептері

Оптикалық талшықтарды біріктіру. Талшықты оптикалық телекоммуникациялық технологиясын дамыту  негізінен көп модалы және бір модалы оптикалық талшықтардағы ТОК сапасымен анықталады. Осы талшықтардың бірнешеуі қазіргі кезде шектік жобаланған көрсеткіштерінің сипаттамасымен бірдей. Сонда бір модалы талшықтың жұмыстық 1,55 мкм толқын ұзындығы затухание бойынша 0,154 дБ/км тең. Қазіргі уақытта бұл 200км және одан да көп телімдерді ТОБЖ құрылысына кететін шығынды төмендете отырып қайта қалпына келтіруге мүмкіндік береді.

Бірақ мұндай талшықтардың жасанды түрлерін жасап шығару мүмкін емес. Сондықтан да, оптикалық талшықтарды біріктіруді участок аралық құрылыстық ұзындық деп атайды. Талшықты оптикалық затухание коэффициентін төмендету талабын күшейтуін талап етеді. Бұл мұндай жалғастырудың мәндері ережеге сәйкес жеткілікті түрде жоғары. Басқа  талаптар аздаған ұзындықтағы учаскелердің локальды желілеріне арналған ТОК біріктіру құрылғыларына қойылады. Мұндай құрылғылар ықшамды, біріктірудің көп түрлілігімен және біріктірудің қарапайым.

    

 

2.2. Оптикалық талшықтар. Жалпы талаптар

 

ТОБЖ құрылымы – бұл оптикалық талшықтар. Сигналдарды беру мақсатында талшықтардың екі түрі қолданылады: бір модалы және көп модалы. Бұл талшықтар сәулену атауы бойынша кең тераған. Оптикалық талшықтар (2.1-cурет)  жарық толқындары таратылатын өзекшеден және бір жағынан «өзекше\қабық» шекарасына жақсы жағдай қалыптастыру үшін, ал екінші жағынан қоршаған кеңістікке шығарылатын сәулелену энергиясын төмендету үшін арналған қабығы. Талшықтардың беріктілігін және сенімділігін арттыру мақсатында ереже бойынша қабықтың бетіне \қорғағыш тұрақтандырғыш қаттама\ төселген.

2.1-сурет. ОТ жалпы көрінісі.

 

ОТ мұндай құрылысы базалық сапа ретіндегі оптикалық қабельдерде (ОК) қолданылады[5]. Өзекше оптикалық барынша материалдан жасалады. Оптикалық талшықтар өзекше мен қабықың диаметрлерінде және ОК өсінің арақашықтығының өзгеру көрсеткішіне байланысты өзекшенің сыну көрсеткішінің профилінде айырмашылығы бар (2.3-сурет). Барлық оптикалық талшықтар негізгі екі топқа бөлінеді: көпмодалы MMF (multi mode fiber) және бір модалы SMF (single mode fiber).  жарық тасымалдағыш диаметрі көп модалы ОТ бар – жарық сәулері – мод арқылы таралады. Көп модалы талшықтар өзгеру профилінің көрсеткіштеріне байланысты: сатылы (step index multi mode fiber) және градиентті (graded index multi mode fiber) болып бөлінеді.

 

    

2.3. Оптикалық талшықтардан  жарық сәулелерін тарату

 

Талшықтардағы толқын ұзындығының сәулеленуін түрлендіру арқылы жарықты тарату сипаты әсер ететін факторлар: талшықтың геометриялық параметрлері, затухание, дисперсия.

2.2 –сурет. Сатылы және градиентті көп модалы және бір модалы ОТ бойынша сәулені тарату.

Оптикалық талшықтар бойымен оптикалық сәуленің таралыуы өзгерудің әр түрлі көрсеткіштерімен шекарасында толықтай ішкі көрінісінің пайда болуына негізділген.  Жарық сәулелерінің таралу процесі 2.2 суретте көрсетілген. Толық ішкі көріністің бұрышы оптикалық жағынан барынша тығыз және оптикалық түрде сәулелену толықтай көрсетіледі, ол төмендегідей қатынаста анықталады.

Өкр =arcsin (n2/n1)                    (2.3.1)

мұндағы:   /n_1 / - ОТ өзекшесінің өзгеру көрсеткіші, n2;

/n_2 / - ОТ қабығының өзгеру көрсеткіші /n_1 / > /n_2 /.

 

Жарық сәулесі ОТ шетіне түсетін болса, онда жарық сәулесінің үш түрі таралады, олар бағытталған, ағыды және нұрлы деп аталады. Қандай да бір сәуле түрі пайда болса, «өзекше\қабық» бөлімінің шегіне түскен бұрышпен Ө>Өкр анықталады. Бөлімнің шегіне түсетін сәулелер –(1,2,3 сәулелер) сыртқа сәуле таратып, талшықтың өзекшесіне қайтып оралады және өздерісті болдырмайды.

Мұндай сәулелердің траекториясы таралу аймағының ішінде толықтай орналасқан – талшықтың өзекшесі одан да көп аралыққа таралады, бұл бағытталған сәулелер деп аталады. Бөлімнің шегіне бұрыш Ө>Өкр жасай отырып түсетін сәулелер (сәуле 4), ағынды сәуле (қабықтың сәулесі) деп аталады. Бұл сәулелер «өзекше\қабық» шегіне жеткен кезде сәуле шашады да өзгеріске енеді. Бұл кезде олар әр сәуле таратуында талшықтың қабықшасындағы энергия бөлігін жоғалтады. Қабықшадан оршаған кеңістікке таралатын сәулені нұрлы сәуле деп атайды, олар ОТ реттелмеген және ирелеңдеген орындарда пайда болады. нұрлы және ағынды сәулелер паразитті болып есептеледі және олар энергияның азаюы мен ақпаратты сигналдың бұрмалануына әкеліп соқтырады.

 

2.4. Оптикалық талшықтарда таралатын модалар

Жалпы жағдайда электромагнитті толқындардың таралуы дифференциальды пішінде Максвелл теңдеуінің жүйесімен анықталады:

                                  (2.4.1)

мұндағы:   - электрлік зарядтың және тоқ тығыздығына сәйкес электрлі және магнитті алаңның кернеуінің және электрлік және магнитті индукцияның  тығыздығы [5]:

                 (2.4.2)

бірақ, толқынды теңдеу былай өзгереді:

    _ ,                                                                (2.4.3)

мұндағы_  - оператор Лапласа.

Жарық ағыны  /z/ бойдық өспен идеальды цилиндр бола алады,  (/ху/)-тің бойлық аралығындағы /х/ и /у/ горизонтальды (/xz/) және вертикальды (/xz/) аралықты құрайды. Бұл жүйеде толқынның төрт класы бар  (/Е/ и /Н/ ортогональды):

бойлық /Т/: /E/_z  = /Н/_z  = 0; /Е/ = /Е/_y ; /Н/ = /Н/_x ; электрлік /Е/: /Е/_z  = 0, /Н/_z  = 0; /Е/ = (/Е/_y  , /Е/_z ) – аралыққа таралады (/yz/); /Н/ = /Н/_x  ; магнитті /Н/: /Н/_z  = 0, /Е/_z  = 0; /Н/ = (/Н/_x  , /Н/_z ) – аралыққа таралады

(/xz/), /E/ = /E/_z ; аралас /ЕН/ или /НЕ/: /Е/_z  = 0, /Н/_z  = 0; /Е/ = (/Е/_y  , /Е/_z ), /Н/ = (/Н/_x  , /Н/_z ) – аралыққа таралады (/xz/) и (/yz/).

Максвелл теңдеу жүйесін шешу кезінде (/z, r, φ/) цилиндрлік координаттары қолданылады, сондықтан оның шешімі компонентті толқын түрінде анықталады/E/_z  , /Н/_z  :

                               (2.4.4)

Мұндағы:   және   нөмерлі тұрақты, – ізделіп жатқан функция, _  - толқын таралуының бойлық коэффициенті.

  арналған шешім өзекшеге арналған Бесселдің қарапайым функциясынан тұтас индаксі пайда болады) теріп алса, және қабықшаға арналған Ханкелдің жетілдірілген функциясы, мұндағы және толқындық санға сәйкес өзекше мен қабықшаға таралатын коэффициент.

• параметрі  өзекше мен қабықшаның шегіндегі электромагнитті алаң/E/_z   и  /Н/_z  тангенциальдық құрылымының үздіксіздігін талап ететін  сипаттамалық шектік шарттан алынған теңдеу сияқты анықталады. Сипаттамалық теңдеу әр / m/ тұтас мәнінен /n/ шешімін шығаруға мүмкіндік береді, яғни, мода деп аталатын толқын типінің анықталған мәніне сәйкес. Нәтижесенде екі еселенген индексті қолдану негізінде теріліп алынған мод жиынтығы құрастырылады.

Бағытталған моданың маңызды шарты қабықшадағы /r/ координаты экспоненциальды жойылу болып табылады, бұл қабықшада таралған көлденең коэффициентінің мәнін анықтайды. кезінде бағытталған моданың мүмкін болмайтындығымен бекітілетін қиын жағдай орын алады [5]:

                 (2.4.5)

Соңғы теңдеудің сансыз көп шешімі бар [5]:

             (2.4.6)

ОТ структуралық параметрлері мен жарық толқынының ұзындығын байланыстыратын мөлшерленген жиілік /V/ деп аталатын шаманы енгіземіз де төмендегідей формуламен анықтаймыз:

                   (2.4.7)

 = 0 кезінде теңдеудің (2.4.5) әр шешімінен мөлшерленген жиіліктің қиын мәні орындалады (/m/ = 1, 2, 3., /n/ = 0, 1, 2, 3.) және т.б: 

   /HE_11 / модасы үшін мөлшерленген жиіліктің қиын мәні . Бұл мода талшықтардың кез келген жиілігі мен құрылымдық параметрінде таралады және сатылы ОТ түпкі модасы болып саналады. ОТ параметрлерін таңдай отырып, төмендегідей жағдайда анықталатын тек сол модамен таралу режиміне қол жеткізуге болады.

                         (2.4.8)

ОТ түпкі мода тарататын толқынның ең кіші ұзындығы толқынның талшықты ұзындығы деп аталады. Оның мәні соңғы теңдеу сияқты анықталады.

                                  (2.4.9)

    

2.5. Бір модалы  оптикалық талшықтар

Бір модалы талшықтар сатылы бір модалы талшықтар (step in­dex single mode fiber) немесе стандартты талшықтар SF (standard fiber), аралас дисперсиялы талшықтар DSF (dispersion-shifted single mode fiber), нөлдің емес аралас дисперсия NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).

Сатылы бір модалы оптикалық талшықтар (SF) (2.3 сурет) жарық тасымалдағыштың диаметрі   8-10 мкм және оны жарық толқынының ұзындығымен салыстырамыз. Жарық толқынының /λ/ > / λ/_CF  (/λ/_CF  - длина волны отсечки) жеткілікті ұзындыңында мұндай талшықтарда тек бір ғана сәуле (бір мода) таралады. Бір модалы режим 1310 нм және 1550 нм терезе айқындығында өткізіледі.

Тек бір модамен таралу мода аралық дисперсияны қалыпқа келтіреді және осы айқын терезелерде бір модалы талшықтардың өткізу қабілетілігін қамтамасыз етеді. Таралудың ең жақсы режимі дисперсиясымен қарағанда аймақта толқын 1310 нм ұзындығында хроматикалық дисперсия нөлге жеткенде таралады. Шығындалу жағынан қарағанда терезе айқындылығы ең тиімді тәсіл емес. Бұл терезеде шығын 0,3 - 0,4 дБ/км жетеді, ал бұл уақытта 1550 нм терезесінде ең кіші затухание 0,20 - 0,25 дБ/км жетеді.

   

2.3.сурет. Өзгеру көрсеткішінің профилі

 

Аралас дисперсиядағы бір модалы оптикалық талшықта (DSF) (2.3 сурет) толқын ұзындығында дисперсия нөлге қарайды.

 ТОБЖ талшықтардың төмендегідей стандарттары кеңінен қолданылады:

-   көп модалы градиентті  талшықтар  50/125;

-   көп модалы градиентті  талшықтар  62,5/125;

-  бір модалы сатылы  талшықтар  SF (аралас дисперсиялы талшықтар немесе стандартты талшықтар) 8-10/125;

-    аралас диперсиялы бір модалы талшықтар  DSF 8-10/125;

-    нөлдік емес  аралық дисперсиялы бір модалы  талшықтар NZDSF (өзгеру көрсеткішінің профилі бойынша  бұл талшықтар алдыңғы типтерге ұқсас) 

    

2.6. Константты  таралу және фазалық жылдамдық

 

Толқынның мәнін /k/ вектор ретінде қарастыруға болады, себебі оның бағыты көлемді ортадағы таралатын жарықтың бағытымен бірдей. Бұл вектор толқында вектор деп аталады. Өзгеру көрсеткіші бар ортада толқынды вектордың мәні тең. Жарық толқын ағынының ішінде таралған жағдайда жарықтың таралу бағыты толқын векторының проекциясының /β/ бағытымен сәйкестенеді, толқын ағынының өсі:

                     (2.6.1)

мұндағы: Ө  - бұрыш, 900 дейінгі /i/ бұрышты  толықтырырады (немесе 2.4-суретте көрсетілгендей сәуле мен өстің арасындағы бұрыш), константты таралу деп аталады және /k/ толқын мәнінің қызметін атқарады[6] , яғни, (ф. 2.6.1) сәйкес Ө және /i/ толқын ұзындығына сәйкес болады.

  2.4-сурет. Толқынды вектор және таралу константы

 

Толқынды вектор және таралу константы _ түсу бұрышы _  және π/2 аралығында өзгереді. Атап айтқанда:

                         (2.6.2)

Осындай жағдайда, толқын ағынының ішіндегі константтың таралу мөлшері, әрқашан өзекше және қабықша метриалдарының жазық жарық толқынының  толқындық мәндерінің арасында болады. Сонда, қатынасын фазалық жылдамдық түрінде төмендегідей жазуға болады:

                   (2.6.3)

 мод таралуының фазалық жылдамдығы екі көлемді материалдардағы фазалық жылдамдық арасында бекітілген.

Жарық сигналы немесе топтық жылдамдың таралу жылдамдығы – бұл, импульстің айналу жарығының таралу жылдамдығы. Жалпы жағдайда топтық жылдамдық / u/ фазалық жылдамдыққа тең емес. Моданың фазалық жылдамдығының әр түрлілігі, оның талшықта таралу өлшемі бойынша жарықтың шығуын бұрмалауға әкеледі.

Өзгерудің параболалық градиентті талшықтарында қисық сәулелер аксиальды сәуленің таралу жолынан біршама ұзын қисық сызықты траектория бойынша таралады. Бірақ, талшық өсінен жойылу өлшемі бойынша өзгеру көрсеткішінің әсерінен, оптикалық талшықтың қабықшасына жарық сигналы жақындаған кезде таралу жылдамдығы жоғарылайды, соның нәтижесінде, ОТ бойынша  таралу уақыты шамамен бірдей болады. Осындай тәсілмен дисперсия немесе әр түрлі модалардың таралу уақытының өзгеруі ең мәнге сыйады, ал өткізу аралығының ені өседі. Дәлме –дәл есептеу әр түрлі модалардың топтық жылдамдығын шашу өзгеру көрсеткішінің сатылы профилінің  талшықтарында мейлінше аз. Ең төменгі қатардағы таралатын модаларды қолдайтын оптикалық талшықтар бір модалы деп аталады.

Осындай жағдайда ОТ таралатын  әр мода,  көлденең қимада, /β/ тұрақты таралатын, сондай-ақ әр мода үшін әртүрлі фазалық /v/  және топтық /u/ жылдамдықта оптикалық өстің маңында жарық ағының ұзындығы бойынша таралатын сәуле тұрақты болып сипатталады. Моданың фазалық жылдамдығының әр түрлілігінен көлденең қимадағы толқынды аймақ пен таралу алаңы талшықтың өсінің маңында өзгереді. Моданың топтық жылдамдығының әртүрлілігінен жарық импульстары кеңейеді және бұл құбылыс мода аралық дисперсия деп аталады.

Бір модалы талшықтарда тек қана бір мода таралады, сондықтан, мұндай талшық көлденең қимадағы тұрақты таралу алаңымен сипатталады. Онда мода ралақы дисперсия болмайды және ол дисперсияның басқа түрлерімен шектелетін модуляцияның өте кең аралығында сәуле таратады(см. п. 3.2).

    

3.Оптикалық талшықтарда  орындалатын үдерістер және олардың  жылдамдыққа әсері мен ақпараттарды  беру қашықтығы