Магистральды ТОБЖ-нің техникалық сипаттамаларының есептері

                (3.3.17)

 Квазимонохроматикалық импульс берілген спектрда ең үлкен ұзақтыққа ие. Сондықтан жиілікті модуляциясы жоқ жарық импульстары шектелген спектр деп аталады  [7].

Оптикалық талшықтан өткен жарық импульсінің жиілікті модуляциясы келесі түрге енеді:

     (3.3.18)

Осындай жолмен гаустық импульс таралу кезінде өзінің пішінін сақтайды. Талшықтан шығар кезде импульс ұзақтығының қатынасы:

              (3.3.19)

(3.3.19) теңсіздігінде параметр белгісі мен жиілікті модуляцияның параметрі бір-біріне /С/ тәуелді. Гаустық импульс арақашықтығының өсуімен монотонно кеңейеді .

Қисық дисперсияның физикалық қасиеті. Оптиалық талшықтағы дисперсия әсерінің математикалық түсіндірілуі алдыңғы бөлімдерде айтылған. Ол Тейлор қатарындағы негізгі жиіліктің тұрақты таралуы арқылы ыдырауына негізделеді  (3.3.10, 3.3.12 ф. қара). Жарық импульсі айналу арқылы жылдамдықпен қозғалады, ал параметрі импульстің кеңейюін анықтайды  [7]. Параметр сыну көрсеткішімен /n/ келесідей жағдайда байланысады:

       (3.3.20)

Заттардың сыну көрсеткіші екі физикалық механизмдермен анықталады: толқын ұзындығының жиілігіне байланысты және толқын ағынының талшықтық сипаттамасы. Заттардың сыну көрсеткішінің жиілікке тәуелділігі материальдық дисперсия деп аталады, ал талшықтардың каналдық қасиеті – толқын ағының дисперсиясы деп аталады (см. п. 3.2).

Жоғарыда айтылғандай оптикалық талшықтардың дисперсиясы қисық дисперсияның коэффициентімен және үлестік қисық дисперсиямен /D/сипатталды. /D/ коэффициентінің коэффициентімен байланысу мәні келесі формуламен анықталады:

                (3.3.21)

  /D/ коэффициентін басқаша таралу жолымен де \n/(/l/)анықтауға болады:

                          (3.3.22)

/D/ қисық дисперсиясының коэффициенті нөлге тең, толқын ұзындығында шамамен 1,31 мкм, сонда бұл үлкен толқын ұзындығына тиімді болады. /D/ = 0 тең толқын ұзындығы нөлдік дисперсияның толқын ұзындығы деп аталады .  Стандартты бір модалы талшықта дисперсияға толқынды үлес ықпалын жасауы апарылады , негізінде , толқын ұзындықтарының нолдік дисперсияның  ұзын толқындық аймағы 1,31 мкм . Толқынды дисперсияның маңызды ерекшелігі /D/  жинағы оптикалық талшық параметрлерінен тәуелді болады . Жалпы алғанда , толқынды дисперсия өзек мөлшерлерінің азаюымен өседі. Бұл толқын ұзындықтарының  нолдік дисперсиясы ретінде қолданыла алады [7].

 

  Қисық дисперсия алғашқы форманы қайта қалпына келтірмей-ақ сандық сигналдардың максимальды ұзақтығын шектейді.  Берілу ұзақтығының сипаттамасы үшін «дисперсионды ұзындық» түсінігі амплитуда бойынша рет импульстің кеңеюіне қатысты жүзеге асады. еніндегі сигналдың дисперсионды ұзындығын келесі формуламен бағалауға болады:

 

                       (3.3.23)

 

 

3.4. Поляризацияланған  модалық дисперсия

 

Ақпаратты берудің оптикалық техникасы соңғы жылдарда қарыштап дамуда. Бұл жарық сигналының әлсіреуінің шектелуімен, қисық дисперсия әсерінен жарық сигналының бұрмалануымен, қисық дисперсияны компенсациялаудың тиім ді әдістерін өңдеу нәтижесінде оптикалық күшейткіштер мен олардың сипаттамасының артуына байланысты. 10 және 40 Гбит/с дейінгі бір канал бойынша берілген ақпараттың  жылдамдығын арттыру және бірнеше мыңдаған километрге дейін полярлы модалық дисперсияның PMD (polarization mode dispersion) әлсіз әсерінің өзі де жүйенің жұмысыныа көп пайдасын тигізеді.

Бір модалы оптикалық талшықтардың поляризациялық нәтижесінің табиғаты. Жарық элетромагнитті толқын сияқты болғандықтан, ал оның таралуы кез-келген ортада Максвелл теңдеуімен анықталады, жарықтың таралуы кеңістіктегі және уақыт ішіндегі электрлі және магнитті алаңның анықталу жолымен қарастыруға болады [4].

Вектордың кеңістіктегі жағдайын /r/ белгіленеді. Бұл векторларды Фурье (3.3.3 ф.қара)түрлендіргішімен есептеу тиімді. Атомдағы электрондар теріс зарядталса, ал ядро оң зарядталса, онда электрлік алаңның материалға әсері кварцқа қатысты атомдар полярланады.  Ортаның ерекшелігіне қарай және электрлік алаңға байланысты индуктивті поляр вектормен анықталады :

 

                  (3.4.1)

 және  байланыс оптикалық талшықта ортаның қасиетімен анықталады және дисперсияның маңыздылығына себепші болады. электрлік толқынды жарық толқыны ретінде алып, фундаментальды моданы қарастырамыз:

 

                   (3.4.2)

мұндағы: ,   және   - бірліктік вектор,  /z/ – жарықтың таралу бағыты.  

 Уақыт өте өзгеретін  электрлік алаң бағыты тұрақты  болып қалатын болса сызықтық полярлы болып есептеледі. Егер электрлік алаң электромагнитті толқынмен ойша байланысса, алаң көлденең болып есептеледі, ал ереге олай болмаса продоьный деп аталады. Осыны ескере отырып, толқындық теңдеуінің екі сызықтық тәуелсіз шешім сызықтық полярлы /x/ және /y/  өсінде электрлік алаңды құрайды. Электрлік алаңға өзара перпендикуляр күшті электрлік алаңның ортогональды полярлы құрастырушысы немесе SOP (State of Polarization)  деп атайды. Бұл екі сызықтық полярлы құрастырушының  кез-келген сызықтық комбинациясы теңдеудің шешімі болып табылады, сондай-ақ фундаментальды мода деп аталады. Нақты оптикалық изотропты талшықта поляризацияның екі жағдайының тұрақты таралуы бірдей, яғни, бірдей жылдамдықпен таралады, нәтижесінде мұндай ортаның жүріп өту ұзақтығы нәтижелі импульста өзгеріссіз қалады. Бірақ, нақты оптикалық талшықтарда дөңестік симметрияның бұзылу әсерінен аздаған анизотропия пайда болады, сондықтан да, жарық энергиясы SOP арасына таралады деп есептеп, таралу константының әр түлілігі ОТ шығатын импульстің ұзақтығын өсіреді. Оптикалық талшықтың анизотропиясы – өзекшенің нақты дөңес пішінің бұзылуынан болуы мүмкін. Мысалы: ОТ материалындағы симметриялы емес кернеу 3.4а-суретте көрсетілгендей немесе өзекше мен қабықшаның геометриялық сәйкес келмегендіктен.

Дөңес симметрияның жоғалуы анизотропияның пайда болуына әкеледі. Содан кейін оптикалық талшықта әр түрлі фазадағы және топтық жылдамдықтағы екі ортогональды полярлы мода таралады.

3.4а-сурет. Оптикалық талшықта  анизотропияның пайда болу себебі.

 

  Оптикалық талшықта ПМД пайда болу әсері. Уақытша тоқтауға әкеліп соқтыратын жарық импульсінің полярлы компонентінің таралу жылдамдығы әр түрлі, оны нәтиделі сигналдың кеңейтетін дифференциальды топтық кідіріс DGD (Differential Group Delay) деп аталады. Сигналдың ең тез және ең жай таралуын сипаттайтын поляризация анизопторптық ортаның PSP (Principal State of Polarization) деп аталады. Жылдамдықтың әр түрлілігі PSP жай қозғалатын өсінде полярлы импульстің қалып қоюына әкеледі (3.4б-суретті қараңыз).

DGD пайда болуы импульс ұзақтығын өсіретін ақпараттық сигналдың бұрмалануын болдырады. Бірақ қисық дисперсияға қарағанда PMD қалыпты емес, оның статистикалық қасиеті басым. Талшықтың анизотропиялық бірнеше өсу факторы бар :

Статтық фактор:

- талшықтың зауыттық сору процесінің ерекшелігі;

- талшықты – оптикалық  кабельді дайындау кезінде талшықтардың  иірілуі;

- кабельді төсеу кезінде  пайда болған талшықтардың мехникалық  өзгеру әсерінен  ТОК бұрмалануы.

Динамикалық фактор:

- топыраққа енгізілген ТОК арналған – қоршаған ортаның температурасының өзгеруі.

  ТОК ілмектеріне арналған талшықтардың динамикалық өзгеруі (желдің әсерінен, қоршаған ортаның температурасының түрленуінен, кабельді мұз басу әсерінен) төмендегідей түсіндіріледі.

  3.4б-сурет. Оптикалық талшықта жарық импульсінің таралуы кезінде PMD пайда болуы.

 

Талшықтың бөлек сегменттерінде динамикалық ффактордың болуы, осы сегмент жүріп өткеннен кейін полярлы сигналдың бағытын анықтайды. PSP арасында энергия таралса талшықтың келесі учаскесінде пропорцияны анықтау мүмкін болмайды. Дифференциальды топтық кідіріс – тұрақты мөлшер емес, ол уақыт өте өзгере береді.

DGD динамикалық әсері бұл кездейсоқ мөлшер екенін көрсетеді, ол ең жақсы жағдайда Максвелл таралуына түседі, ал орта квадратты ауытқу дифференциальды топтық кіңдірудің орта мәнінің қатынасына байланысты:

 

                                           (3.4.3)

мұндағы: /Max/ индексі – Максвелл таралымының функциясы бойынша орташалануын көрсетеді.

Полярлы модалық дисперисия PMD деп дифференциальды топтық кідірістің орта квадраттық мәнін атайды:

                               (3.4.4)

Сызықтағы үлкен мәнді сегменттердің PMD мәні [5] формула бойынша суммалық арақашықтыққа байланысты анықталады:

 

                                                                        (3.4.5)

мұндағы: /L/ - байланыстың оптикалық желісінің арақашықтығы (км),   - оптикалық талшықтың PMD коэффициенті (пс/км^1/2 ).

0,1 ден пс/км^1/2 дейінгі шектікте орналасқан ОТ коэффициентінің мәні - . Ол 3.4-кестеде көрсетілген.

3.4-кесте

Талшықты –оптикалық байланыс желісінің максимальды аралығының мәні.

 

/D_PMD /	(пс/км^1/2 )	0,1	0,5	2,0
B=2,5Гбит/с	/L/ (км)	160 000	6 400	400
B=10Гбит/с	/L/ (км)	10 000	400	25
B=40Гбит/с	/L/ (км)	625	25	1,56

 

Толқынға қатысты, жай қозғалатын өстің алдына, полярланған тез қозғалатын өстің алдына  жарық толқының тоқтауы әр түрлі фазалардың пайда болуына әкеледі .

                (3.4.6)

ТОБЖ пайдалану үдерісіндегі PMD бақылау. Кабельді төсегеннен кейін көптеген параметрлер, соның ішінде PMD, құжаттағы мәліметтерден (талшықтың өзгеруі, температураның өзгеруі, созылуы және т.б) ауыткып кетуі мүмкін. Бұл талшықты – оптикалық кабельдік жүйенің инсталляциясынан кейін PMD өлшеу жүргізуді талап етеді.  

Күрделі сызықтардағы үлкен санды талқышты – оптикалық кабельдердің сегменттеріне  PMD тестілеуін жүргізу керек. Егер сызық /N/ сегменттерінен тұратын болса, онда дисперисия олардың әрқайсысында тең. Сонда полярлық модалық дисперсия тәуелсіз кездейсоқ мөлшердің суммасының заңына сәйкес келесі теңдеумен анықталады:

                                      (3.4.7)

Қарапайым мысал келтірейік. Мысалы: сызық тоғыз сегменттен тұрады, оның сегізі =0,2 пс/км^1/2  және біреуі = 2,0 пс/км^1/2 . Мұндай нәтижелі сызық 2,078 пс/км^1/2 тең. Егер барлық тоғыз сегмент _ = 0,2 пс/км^1/2 болса, онда нәтижелі 0,6 пс/км^1/2 тең болады. Бұл барлық сегменттер сызықтағы тұтас бір сегменттің төменгі сипаттамасы тез әсер ету мүмкіндігінен айрытатындықтан тестілеу қажет екенін түсіндіреді.

 

4. Қисық дисперсияны  компенсациялау әдісі

4.1. Дисперсияны  компенсациялау әдістері

 

Қазіргі кезде дисперсиялық өтеу әдістерінің көптеген түрлері қарастырылуда және зерттелуде. Оларды төмендегідей үш топқа бөлуге болады [7]:

- барлық желілерге арналған  дисперсиялық нөлдік суммарлық (интегральды) мәнін қамтамасыз ету үшін ТОБЖ дисперсияны аймаққа таратылуын басқаруға негізделген әдіс;

- сәулеленуді хабарлағышпен  немесе қабылдағышпен басқаруға  негізделген әдіс;

- жарық импульсінің аймақтық  – уақытша сипаттамасымен басқаруға арналған желілік емес оптикалық әсерді қолдану.

Дисперсия өтемінің барлық желілерге арналған дисперсиялық нөлдік суммарлық (интегральды) мәнін қамтамасыз ету үшін ТОБЖ дисперсияны аймаққа таратылуын басқаруға негізделген әдісінің мақсаты – телекоммуникациялық талшықтардың учаскелерінің арасындағы ТОБЖ –не дисперсиясы мөлшеріне тең және алдыңғы ОК телекоммуникациялық участкенің дисперсиясының белгісіне қарма-қарсы орналасқан қондырғы қондырылады. Қисық дисперсияны сигналдың әр түрлі толқын ұзындығының арасындағы жылжымалы фаза ретінде қарастыруға болады. Компенсацияланатын талшықта жылжымалы фаза тұрақты, бұл тек қана өтемнің статистикалық әдісін қолданады. Спектрлі компоненттің жылжымалы фаза негізгі жағдайда құрылғыда, яғни, қисық дисперсияның компенсаторында толықтай компенсацияланады. Бұл 4.1-суретте түсіндіріледі.

4.1. –сурет. Дисперсияның компенсациялық құрылғысын қолдану.

 

     Телекоммуникациялық талшықтардың көптеген түрлері спектрдің жұмыстық аймағында оң дисперсияларды иеленеді, сондықтан да, олардың компенсациялары үшін теріс дисперсиялы құрылғыларды қолданады.

ТОБЖ дисперсиясының компенсациясы үшін кең тараған құрылғыларға төмендегілер жатады:

- талшықтың компенсацияланған ддиспенсиясының қиындысы (DCF);

- өзгеру кезеңі бар торламаның брэгговты дифракциялы торламасының негізіндегі құрылғысы;

- интерферометрикалық құрылғы.

Екінші класқа ақпаратты қалпына келтіруге арналған берілген сигналдың модуляциясын қолданатын немесе сигналдарды арнайы өңдейтін фотоқабылдағыш қолданылатын құрылғылар жатады. Бұл класта дисперсия компенсациясының құрылғылары кеңінен тараған, олар ОТ пайда болатын модуляцияға қарама-қарсы белгіден берілентін сигналдың желілік, жиілікті модуляциясына негізделген. 

Қисық дисперсияның желілік емес оптикалық компенсациясының әдістерінің класына байланыс желісінің ортасындағы жарық сигналының спекртінің инверторы кіреді. Спектр инвенторының жұмыс принцепі толқын аймағының айналымына (ОВФ) негізделген. Бұл бір толқынның екінші бір амплитудаға, фазадға сәйкес таралуында және қарама-қарсы бағытта таралуына негізделген.  Толқын аймағының айналымы төрт толқынды ығыстыру әдісімен алынады[8].  Бұл әдісте желілік емес ортада төрт жарық түйінін интерференциялайды. Олардың үшеуі; нысаналы түйін – басты назарда болуы тиіс және екі – тіректік толқын. Бір-біріне қарсы таралатын тіректік түйіндерде нысаналы түйіндегідей бірдей жиілік және жазық толқынды аймағы болады.  Нысаналы түйін аймақтағы кез-кезген жаққа бағыттала алады.