КОС Волоконная оптика

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Арзамасский приборостроительный колледж имени П.И. Пландина»

Утверждаю
Директор ГБОУ СПО «Арзамасский
приборостроительный колледж
имени П.И. Пландина
________________/С.А. Ермолаев/
«_______»_____________2014г.



Комплект контрольно-оценочных средств
по учебной дисциплине
ПРИБОРЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
основной профессиональной образовательной программы
по специальности СПО
11.02.01. Радиоаппаратостроение
(базовый уровень)












Арзамас, 2014
Комплект контрольно-оценочных средств разработан на основе ФГОС СПО
11.02.01 Радиоаппаратостроение
(базовый уровень)
программы учебной дисциплины
ПРИБОРЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА


Разработчик:

АПК имени П.И. Пландина
преподаватель Харитонова М.С.









Одобрено на заседании цикловой методической комиссии
Авиационных приборов и радиоаппаратостроения
Протокол № от « » _________ 2014 г.
Председатель ЦМК ________ /Лаптев А.В./



Одобрено Методическим советом колледжа
Протокол №_______ от «_____» _________ 2014 г.






СОДЕРЖАНИЕ
13 TOC \o "1-3" \h \z \u 14
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]15
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]15
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]15
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]15
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]15
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]15
15



Паспорт комплекта контрольно-оценочных средств

В результате освоения учебной дисциплины Электронная техника обучающийся должен обладать предусмотренными ФГОС по специальности СПО: 11.02.01 Радиоаппаратостроение (базовый уровень) следующими умениями (У), знаниями (З), которые формируют профессиональные компетенции (ПК); и общими компетенциями (ОК):

Уметь:
У1.рассчитывать параметры волоконно-оптических линий,
У2.оценивать работоспособность волоконно-оптических линий,

Знать:
З.1. структуру и назначение волоконно-оптических компонентов
З.2. основные типы и области использования приборов энергосбережения

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.
ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.
ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.
ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.
ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.
ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.
ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.
ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.
ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.






Формой аттестации по учебной дисциплине является дифференцированный зачет
2. Результаты освоения учебной дисциплины, подлежащие проверке
В результате аттестации по учебной дисциплине осуществляется комплексная проверка следующих умений и знаний, а также динамика формирования общих компетенций:
Таблица 1
Результаты обучения: умения, знания и общие компетенции (желательно сгруппировать и проверять комплексно, сгруппировать умения и общие компетенции)
Показатели оценки результата
Следует сформулировать показатели
Раскрывается содержание работы
Форма контроля и оценивания
Заполняется в соответствии с разделом 4 УД

Уметь:
У.1. рассчитывать параметры волоконно-оптических линий
ОК 1-9


У.2.оценивать работоспособность волоконно-оптических линий,
ОК 1-9





Вычисляет основные параметры оптического волокна для заданной ВО-линии: апертуру, количество мод, затухание, дисперсию.

Правильно выбирает
тип волоконно-оптического
кабеля, исходя из заданных режимов работы.
Рассчитывает энергетический баланс линии, временные характеристики, по результатам расчетов делает вывод о работоспособности линии

Устный опрос
Оценка выполнения практического задания
Устный опрос
Оценка выполнения практического задания
Самостоятельная работа


Знать:
З.1. структуру и назначение волоконно-оптических компонентов
ОК 1-9










З.2. основные типы и области использования приборов энергосбережения


Знает физические законы распространения оптического излучения по волокну, Понимает принцип работы и назначение источников и приемников излучения ВО-линии, знает структуру оптического волокна и оптического кабеля, классифицирует оптические волокна, оптические кабели и соединители. Правильно расшифровывает маркировку оптического кабеля. Знает основные методы оценки работоспособности линии на этапе проектирования
Знает основные виды приборов учета электроэнергии, воды и газа,
Принципы работы, характеристики и параметры, применение.

Устный опрос
Оценка выполнения практического задания
Самостоятельная работа







Устный опрос
Самостоятельная
Контрольная работа


3. Оценка освоения учебной дисциплины:
3.1. Формы и методы оценивания
Предметом оценки служат умения и знания, предусмотренные ФГОС по дисциплине ПРИБОРЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, направленные на формирование общих и профессиональных компетенций.
Контроль и оценка освоения учебной дисциплины по темам (разделам)
Таблица 2
Элемент учебной дисциплины
Формы и методы контроля



Текущий контроль
Промежуточная аттестация


Форма контроля
Проверяемые ОК, У, З
Форма контроля
Проверяемые ОК, У, З

Раздел 1 Приборы энергосбережения


Дифференцированный зачет

З2, ОК1-9

Тема 1. Счетчики электроэнергии
Устный опрос
Самостоятельная работа
З 2
ОК 1 -ОК 9



Тема 2. Измерение расхода жидкостей и газов. Расходомеры
Устный опрос
Самостоятельная работа
Контрольная работа
З 2
ОК 1 -ОК 9



Раздел 2. Волоконная оптика


Дифференцированный зачет

У 1-2, З 1. ОК 1 -ОК 9.

Тема 1.
Преимущества волоконной оптики как коммуникационной среды.
Устный опрос

У 1-2, З 1. ОК 1 -ОК 9.




Тема 2.
Основные положения передачи информации по оптоволокну.
Устный опрос
Самостоятельная работа
Тестирование
У 1-2, З 1. ОК 1 -ОК 9.




Тема 3. Волоконно-оптические компоненты

Устный опрос
Самостоятельная работа
Практические работы
У 1-2, З 1. ОК 1 -ОК 9.



Тема 4.
Волоконно-оптическая линия связи.
Устный опрос
Самостоятельная работа
Практические работы
У 1-2, З 1. ОК 1 -ОК 9.



Тема 5.
Волоконно-оптические датчики.
Устный опрос
Самостоятельная работа
У 1-2, З 1. ОК 1 -ОК 9.




3.2. Типовые задания для оценки освоения учебной дисциплины

3.2.1. Типовые задания для оценки знаний З1, З2, умений У1, У2 (текущий контроль)
1) Задания в тестовой форме
Тест по теме Основные положения передачи информации по оптоволокну
ВАРИАНТ 1 

Выберите правильный ответ.

1. Средой для передачи оптического сигнала по оптоволокну является
1. воздух
2. стекловолокно
3. лазер

2. Условие передачи сигнала по волокну
1.показатель преломления сердцевины должен быть немного больше показателя преломления оптической оболочки
2. показатель преломления сердцевины должен быть много больше показателя преломления оптической оболочки
3. показатель преломления сердцевины должен быть немного меньше показателя преломления оптической оболочки

3. Основой для изготовления оптических волокон может быть
1.диоксид кремния;
2.диоксид германия
3..керамика.

4. Падающий луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе раздела оптической сердцевины и оболочки, если
1. угол падения равен критическому
2. угол падения меньше критического
3. угол падения больше критического

5. Физический закон, на котором основана передача оптического сигнала по волокну
1. Угол падения луча меньше угла отражения
2. Угол падения луча равен углу отражения
3. Угол падения луча больше угла отражения

6. Оптическая сердцевина волокна предназначена
1. для передачи сигнала
2. для отражения излучения

7. Оптическая оболочка волокна предназначена
1. для передачи сигнала
2. для отражения излучения


2) Практическое занятие 1.
Тема: Характеристики и параметры оптических волокон.
1. Цель: уметь рассчитывать параметры двухслойных цилиндрических волокон,
и закрепить принцип распространения света по волокну.
2.Теоретические сведения.
Апертура определяет способность волокна принимать свет. Чем больше NA, тем большее количество мод может распространяться по волокну. Угловая апертура ограничивается значением критического угла , так как только лучи, входящие в волокно под углом, больше критического, могут распространяться по нему: 13 EMBED Equation.3 1415= 900- 13 EMBED Equation.3 1415
·кр
Числовая апертура NA зависит от n1 и n2: NA= 13 EMBED Equation.3 1415,
3. Нормированную частоту V. По этой величине можно определить режим оптического волокна. Если V
· 2,045, то в нем распространяется только одна мода. Если V>2,045, то это многомодовый режим работы: V =13 EMBED Equation.3 1415 · NA
4. Число мод N для ступенчатого многомодового волокна: N = V2/2
1.Задание.
Наименование параметра, обозначение и
единицы измерения
Величина


Вариант 1
Вариант 2
Вариант3
Вариант4

Радиус ядра (сердцевины), а,мкм
25
25
50
100

Радиус оптической оболочки, в,мкм
100
120
120
150

Рабочая длина волны,
·,нм
800
850
900
950

Показатель преломления оптической оболочки, n2
1,2
1,3
1,4
1,5

Показатель преломления ядра, n1
1,3
1,4
1,5
1,6

Профиль показателя преломления
ступенчатый


3.Выполнение работы. Пользуясь данными из таблицы, найти параметры оптического волокна.
а) Критический угол
·кр :
·кр = аrсsin 13 EMBED Equation.3 1415
б) Угловую апертуру 13 EMBED Equation.3 1415 и числовую апертуру NA.
Задание2. 1.Выбрать масштаб и начертить поперечный и продольный разрезы оптического волокна в соответствии с размерами ядра и оптической оболочки.
а) на поперечном разрезе обозначить размеры ядра и оптической оболочки.
б) на продольном разрезе обозначить значение критического угла
·кр и угловой апертуры .
в) на продольном разрезе начертить траекторию распространения одной моды (13 EMBED Equation.3 1415
·1>
·кр )

Контрольные вопросы :
1. Условия распространения света по оптическому волокну.
2. Траектория движения светового луча по волокну.
3. Строение оптического волокна.
4. Причины дисперсии в многомодовых волокнах и пути ее уменьшения
5. Затухание в оптоволокне и способы его уменьшения.
6. Классификация волокон по материалу в порядке ухудшения их характеристик.
7. Какие волокна нужно использовать для высокоскоростной протяженной линии связи.
8. Характеристики оптических волокон.
Литература:
Волоконная оптика и приборостроение/М. М. Бутусов и др.; Под ред. М.Бутусова-Л.:Машиностроение.Ленингр. отд-е, 1987.
Техническое руководство по волоконной оптике.
Дональд Дж.Стерлинг-«ЛОРИ», 2001
Портнов Э Л
Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических
линий связи: Учебное пособие для вузов-М.: Горячая линия-Телеком, 2007
Гордеев И.И.
Волоконно-оптические линии связи: Учеб. Пособие для вузов-М.: Радио и связь,1990.
5. Родина O. B. Волокно-оптические линии связи. Практическое руководство-М.: Горячая линия- Телеком, 2009.: -400с: ил.

Практическое занятие 3
Оптические кабели
ЦЕЛЬ Научмться разбираться в конструкциях ОКС , ознакомиться со свойствами кабельных материалов, уметь расшифровывать маркировку ОКС

2. Теоретические сведения.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОКС

По назначению ОКС разделяют на магистральные, зоновые, местные (городские, сельские и объектовые).
Магистральные ОКС предназначены для передачи информации на большие расстояния и поэтому они должны обладать малым затуханием, дисперсией и большой широкополосностью.
Зоновые кабели предназначены для связи областного центра с районами и городами области. Дальность связи, как правило, составляет порядка сотни километров.
Городские ОКС используются в качестве соединительных линий между районными АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния 5...10 км и большое число каналов. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.
Сельские ОКС предназначены для организации сельской телефонной связи, имеют преимущественно четырехволоконную конструкцию и прокладываются в грунт или подвешиваются по опорам.
Объектовые кабели служат для передачи различного рода информации внутри объекта. Сюда относятся кабели для информационных систем отдельных объектов (самолет, корабль и др.), а также для организации различных видов учрежденческой связи.
Монтажные ОКС предназначены для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры.
В зависимости от условий прокладки и эксплуатации различают станционные и линейные ОКС.
Последние, в свою очередь, подразделяют на кабели, предназначенные для прокладки в канализации и коллекторах, грунте, для подвески на опорах и стойках, для подводной прокладки.

2.ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И ПРИНЦИП ИХ РАБОТЫ

Основным элементом ОКС является оптический волновод - круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика. Оптические волноводы из-за малых размеров поперечного сечения обычно называют волоконными световодами или оптическими волокнами (ОВ).


Рис. 1. Оптическое волокно:
1 – сердцевина;
2 – оболочка;
3 – защитное покрытие

Оптическое волокно, как показано на рис. 1, состоит из сердцевины, по которой распространяются световые волны, и оболочки. Сердцевина служит для передачи световых волн. Назначение оболочки – создание лучших условий отражения на границе "сердцевина-оболочка" и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Поверх оболочки ОВ наложено первичное защитно-упрочняющее покрытие (ПЗУП), которое повышает прочность волокна.
Для изучения процессов, происходящих в ОВ, удобно использовать законы геометрической оптики, которые позволяют просто и наглядно описывать распространение света в ОВ. В геометрической оптике световые волны (моды) изображают лучами, которые отражаются и преломляются на границах раздела сред с разными оптическими свойствами. Оптические свойства среды принято характеризовать показателем преломления 13 EMBED Equation.3 1415, где
· – диэлектрическая проницаемость среды. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.
Оптические волны распространяются в ОВ при выполнении условий n1>n2, при угле падения луча больше критического.
Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, а показатель преломления сердцевины может оставаться постоянным или изменяться вдоль радиуса по определенному закону. Изменение показателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем показателя преломления (ППП). В зависимости от ППП ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные.
Волокно называется ступенчатым, если значение показателя преломления остается постоянным в пределах сердцевины ОВ (рис. 2). У градиентного волокна ППП является монотонной убывающей функцией радиуса в пределах его сердцевины (рис. 2).

13 EMBED PBrush 1415
а) ступенчатый профиль б) градиентный профиль

Рис. 2. Профили показателей преломления ОВ

Одним из основных параметров ОВ является обобщенный параметр, называемый нормированной частотой:

13 EMBED Equation.3 1415.

Нормированная (характеристическая) частота волокна представляет собой обобщенный параметр, включающий диаметр сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки.
Таким образом, каждая мода имеет характеристическую частоту, которая определяет ее область существования. Тип мод определяется также параметром V = Ртп (п характеризует число изменений поля по периметру световода, а т – по диаметру). Только одна несимметричная мода НЕ11 имеет V=0, следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердцевины.
Выбирая параметры световода (
·, d, n1, n2) таким образом, чтобы следующие высшие моды с более высокими частотами отсечки не могли распространяться, можно получить режим распространения только одной (основной) моды НЕ11. Таким образом, при 0·
·. Для увеличения d надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки (n1
·n2).
С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод возрастает и устанавливается многомодовый режим передачи.
Таким образом, по числу распространяющихся мод ОВ классифицируются на одно- и многомодовые, а по ППП - на ступенчатые и градиентные.
Одномодовые градиентные ОВ, в свою очередь, могут быть со смещенной и со сглаженной дисперсиями. В одномодовых ОВ диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (13 EMBED Equation.3 1415), и по нему передается лишь один луч – тип волны (мода). В многомодовых ОВ диаметр сердцевины больше, чем длина волны (13 EMBED Equation.3 1415), и по нему распространяется большое число лучей (мод). Сердцевина ОВ составляет 8...10 мкм у одномодовых и 50; 62,5 мкм у многомодовых волокон.
Важнейшими параметрами волоконного световода являются потери и соответственно затухание. Они определяют дальность передачи по оптическому кабелю и его эффективность. Затухание световодных трактов волоконно-оптических кабелей характеризуется собственными потерями в волоконных световодах (
·соб) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (
·доп).
Собственные потери волоконных световодов, дБ/км, состоят в первую очередь из потерь поглощения
·п и потерь рассеяния
·р.

·соб=
·п+
·р+
·пр.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (
·пр) могут быть значительными.
Дополнительные (кабельные) потери возникают при изготовлении, монтаже, транспортировке оптического волокна и в ходе проведения строительных работ. Эти потери проявляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ОК.
Связь по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности (длины волн 0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм).
Ход лучей в разных волокнах различен. В ступенчатом многомодовом оптическом волокне (СМОВ) лучи резко отражаются от границы «сердцевина-оболочка» (рис. 3, а). Оптические моды в СМОВ распространяются с одинаковой скоростью, т.к. показатель преломления сердцевины постоянен. Так как пути следования разных лучей различны, то они приходят к концу ОВ со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала («уширение» импульса – модовая дисперсия).





Рис. 3. Ход лучей в оптических волокнах разного типа

В градиентных многомодовых оптических волокнах (ГМОВ) режим передачи излучения также многомодовый, однако, здесь лучи распространяются по волнообразным траекториям (рис. 3, б). Учитывая, что показатель преломления в градиентном ОВ уменьшается от оси к периферии, скорость распространения будет наименьшей для лучей, распространяющихся по наикратчайшим траекториям (по оси ОВ), и наибольшей – для лучей, распространяющихся по траекториям, удаленным от оси. В результате время распространения лучей по различным траекториям выравнивается, что приводит к уменьшению искажения передаваемого сигнала.
В одномодовых оптических волокнах (ООВ), в отличие от многомодовых , распространяется только один луч, и, следовательно, искажения сигнала, вызванные разным временем распространения различных лучей, отсутствуют.
В оптических кабелях для городских (диапазон 0,85 и 1,3 мкм) и внутризоновых (диапазон 1,3 мкм) сетей используются в основном многомодовые градиентные волокна, одномодовые волокна предназначаются для магистральных (диапазон 1,3 и 1,55 мкм), а также внутризоновых и городских (диапазон 1,3 мкм) кабелей. Многомодовые ступенчатые волокна предназначаются главным образом для станционных и внутриобъектовых кабелей, а также для линий сельской связи с малыми пучками каналов.
Наряду с затуханием важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса частот
·F, пропускаемая световодом. Она определяет объем информации, который можно передавать по оптическому кабелю (ОК). Ограничение полосы пропускания применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Данное явление носит название дисперсии (
·). Полоса частот связана с дисперсией соотношением 13 EMBED Equation.3 1415.
Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса и появлению межсимвольных помех. Дисперсионные искажения имеют характер фазовых искажений сигнала и обусловлены различием времени распространения отдельных мод в световоде и наличием частотной зависимости показателя преломления. Дисперсия бывает двух видов: модовая и хроматическая (частотная). Модовая дисперсия возникает из-за различия скорости распространения мод по волокну, механизм ее возникновения рассмотрен выше. Хроматическая дисперсия возникает из-за некогерентности источника излучения и бывает трех типов: материальная, волноводная и профильная. Материальная дисперсия объясняется тем, что коэффициент преломления кварца изменяется с длиной волны, а практически любой источник излучает не на одной длине волны, а в определенном спектральном диапазоне (
·
·). В результате различные спектральные составляющие передаваемого оптического сигнала имеют различную скорость распространения, что приводит к их различной задержке на выходе волокна (дисперсии). Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны. Профильная дисперсия вызвана поперечными и продольными отклонениями (флуктуациями) геометрических размеров и формы волокна, что приводит к перераспределению энергии между направляемыми, излучаемыми волнами и волнами оболочки.
В зависимости от материала, используемого для изготовления волокна, различают 0В типа кварц-кварц (сердцевина и оболочка из кварца) и кварц-полимер (сердцевина из кварца, а оболочка из полимера). Первые используются в линейных ОК, вторые в – ОК внутриобъектовой связи.
По материалу первичного защитно-упрочняющего покрытия волокна различают ОК с полиэтиленовым, полиамидным, силиконовым, эпиталаксиальным и эпоксиакрилатным покрытиями. В настоящее время в линейных ОКС используются в основном ОВ с эпоксиакрилатным покрытием, а в станционных кабелях – с полиэтиленовым.
В зависимости от конструкции вторичного покрытия ОВ различают ОК со сплошным покрытием и с трубчатым покрытием (модульная конструкция) (рис. 4). Сплошные покрытия бывают одно- и многослойными (рис. 5).

3. УКЛАДКА ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В КАБЕЛЕ

При изготовлении ОКС ОВ в процессе их укладки подвергаются воздействию поперечных сил, которые деформируют волокно и смещают его в поперечном направлении, что приводит, в конечном счете, к изменению передаточных характеристик ОВ. Поэтому для снижения отрицательного влияния поперечных деформаций, вызванных как вышеуказанной причиной, так и воздействием механических усилий на кабель в процессе его прокладки, ОВ снабжают индивидуальным защитным покрытием в виде сплошной или трубчатой оболочки.
Трубчатое защитное покрытие обеспечивает максимальную механическую развязку ОВ от других элементов конструкции кабеля. Саму трубку изготавливают из фторопласта с толщиной стенки порядка 0,5 мм и наружным диаметром около 2,5 мм (рис. 4). Конструкцию такого типа называют оптическим модулем.
В качестве сплошного защитного покрытия могут использоваться как твердые, так и мягкие оболочки. Высокую стойкость на изгиб и хорошую поперечную сжимаемость обеспечивает использование двойной оболочки (рис. 5). Жесткая внутренняя оболочка с высоким модулем упругости придает волокну жесткость, а мягкая внешняя оболочка с низким модулем упругости обеспечивает поперечную сжимаемость, т.е. уменьшает любые смещения, обусловленные упругой деформацией при изготовлении ОКС.



Рис. 4. Модуль оптический Рис. 5. Конструкция со
1 – ОВ, 2 – трубка сплошной оболочкой
1 – ОВ,
2 – жесткая оболочка,
3 – мягкая оболочка




4. РАСПОЛОЖЕНИЕ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СЕРДЕЧНИКЕ КАБЕЛЯ. НАРУЖНАЯ ОБОЛОЧКА

ОВ имеют высокий модуль упругости по сравнению с большинством материалов, используемых в конструкциях ОКС. Поэтому, когда продольная сила деформирует кабель, самое большое напряжение развивается в ОВ, что в конечном итоге может привести к его обрыву. Чтобы избежать появления слишком больших напряжений в ОВ и обеспечить высокую механическую прочность ОКС, в его конструкцию вводят дополнительные силовые (упрочняющие) элементы. Материал для силовых элементов должен обладать высоким модулем упругости и пределом прочности на разрыв, а также иметь малый удельный вес. Применяются синтетические (высокопрочные материалы) и металлические (сталь, медь, алюминий) силовые элементы.
Различают два варианта взаимного расположения силовых элементов и ОВ. В первом случае силовой элемент располагают в центре кабеля, а OB – концентрично относительно центрального элемента. Во втором случае силовые элементы размещают на периферии с внешней стороны пучка ОВ. При центральном расположении силового элемента обеспечивается максимальная гибкость. При периферийном расположении силовых элементов гибкость кабеля меньше, однако, конструкция эффективнее противостоит радиальным усилиям и ударам.
Наружная оболочка ОКС содержит демпфирующую и защитную оболочки. Демпфирующую оболочку изготавливают из пористой пластмассы, а в качестве наружной оболочки наибольшее распространение получили пластмассовые оболочки из полиэтилена. Такие оболочки используют для монтажных, объектовых кабелей, а также кабелей ГТС, прокладываемых в телефонной канализации. В OKC для подземной прокладки могут использоваться алюминиевые оболочки с защитным полиэтиленовым шлангом от коррозии. Различают также ОКС с броней из стальных проволок, стальной ленты, стальной оплетки, стеклопрутка, с жилами для дистанционного питания (ДП) и без них. Подводные кабели имеют полиэтиленовую оболочку и стальную круглопроволочную броню.

КОНСТРУКЦИИ ОКС

По конструкции сердечника различают ОКС модульной конструкции, с фигурным (профилированным) сердечником и ленточные (кабели с послойно уложенными ОВ, образующими либо прямоугольную, либо квадратную матрицу). Кабели модульной конструкции могут быть как повивной, так и пучковой скрутки. Кроме того, различают ОКС со скрученными и параллельно уложенными ОВ. Как правило, параллельно укладываются не более четырех ОВ в одной полимерной трубке. Типовой повивный кабель имеет центральный элемент жесткости, на который навито 48 ОВ. При необходимости увеличения числа ОВ накладывают второй повив. Обычно волокно свободно располагается в пластмассовой трубке, образуя модуль. В качестве примера на рис.6 показан семиволоконный ОКС правильной повивной скрутки в полиэтиленовой оболочке с армирующими силовыми элементами по периферии. Повивная конструкция эффективна для кабелей с числом ОВ не более 20. Кабель пучковой скрутки содержит определенное число пучков. Каждый пучок может состоять из 4, 7, 10 волокон. Такие кабели изготавливаются на большое число волокон (50, 100 и больше). На рис. 7 показан кабель, содержащий в центре профилированный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы, а соответственно и волокна располагаются по геликоиде, поэтому последние не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Кабель ленточного типа (рис. 8) состоит из стопки плоских пластмассовых лент (линейных матриц) (рис. 8, б), в которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8, 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.



ПРИНЦИПЫ МАРКИРОВКИ ОКС

Маркировка ОКС может быть записана условно в следующем виде:
NNNPB-Н-n1-n2-nЗ/n4-n5/n6-А,
где n1 – диаметр сердцевины ОВ, обычно равный 10 или 50 мкм для одно– и многомодовых ОВ соответственно (показатель в марке кабеля может быть опущен);
n2 – номер разработки конструкции данного типа ОК;
n3– максимальное затухание ОВ, дБ/км;
n4 – максимальная дисперсия ОВ, пс/(нм·км) (показатель в марке кабеля может быть опущен);
n5– число OB;
n6 – число медных жил для дистанционного питания (ДП) (показатель в марке кабеля может быть опущен);
NNN – наименование кабеля, определяемое его назначением и рабочей длиной волны OB.
P – обозначение типа металлической оболочки (при отсутствии металлической оболочки опускается);
В – обозначение типа бронепокровов (может быть опущено);
Н – параметр, указываемый в маркировке кабелей, с не распространяющей горение оболочкой;
А – параметр, указываемый в маркировке кабелей, для ОВ которых характерна избирательность коэффициента широкополосности (например от 500 до 800 МГц·км).
Различают следующие группы оптических кабелей:
магистральный (Л), зоновый (3), городской (К), полевой (П), подводный грузонесущий (Г), подводный негрузонесущий (Н), для стационарных объектов и сооружений (С), для подвижных объектов (бортовой) (Б), специальный для дистанционного управления (Д), монтажный (М), шнур (Ш). Группы подразделяются на подгруппы: для стационарной прокладки (С), для нестационарной прокладки (Н).

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются ОКС следующих наименований:
ОН – станционный кабель на длину волны 0,85 мкм;
ОКС – оптический кабель станционный на длину волны 0,85 мкм;
ОК – линейный оптический кабель для ГТС на длину волны 0,85 мкм;
ОKK – то же, на длину волны 1,3 мкм;

ОЗКГ – линейный оптический зоновый кабель с броней из круглых проволок, предназначен для прокладки в грунт с ОВ на длину волны 1,3 мкм;
ОКЗ – линейный оптический кабель для зоновых линий связи с ОВ на длину волны 1,3 мкм;
ОМЗКГ – оптический одномодовый кабель для магистральных и зоновых линий связи для прокладки в грунт с ОВ на длину волны 1,3 мкм;
ОМЗВ – то же, для прокладки под водой с ОВ на длину волны 1,3 мкм;
ОКЛ – линейный оптический одномодовый кабель для магистральных и зоновых линий связи с ОВ на длину волны 1,55 мкм;
ОКГ – специальный оптический одномодовый кабель линейный для магистральных и зоновых линий связи с ОВ на длину волны 1,55 мкм для прокладки в грунт;
ОКВ – то же, но для прокладки под водой на глубину до 500 м.

В конструкциях ОКС используются медные и алюминиевые металлические оболочки, которые маркируются соответственно буквами М и А. Бронепокровы ОК маркируются следующим образом: из круглых проволок – К; из стальных лент – Б; из стальных проволок – О; из стеклопрутка – С. Если кабель имеет оболочку, не распространяющую горение, то в конце наименования после обозначения типа бронепокровов указывается буква Н. Например, OKK–H–50–0l–0,7–8; ОКЗК–Н–0,7– 4/4.

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ГТС

Кабели ГТС типа ОК (первого поколения) диапазона 0,85 мкм маркируются так:
ОК – кабель линейный оптический;
ОН – кабель станционный;
50 – диаметр сердцевины, мкм;
1 или 2 – номер разработки (с защитой ОВ полимерным покрытием или с гидрофобным заполнителем);
3 или 5 – коэффициент затухания, дБ/км;
4 или 8 – число волокон.
Например: ОК–50–2–5– 4 или ОК–50–2–3–8.
Кабели ГТС типа ОКК (второго поколения) диапазона 1,3 мкм маркируются так:
ОКК – оптический кабель для прокладки в канализации;
ОККС – то же, с броней из стеклопластиковых стержней;
ОККАК – то же, в алюминиевой оболочке и с броней из круглых стальных проволок;
ОКС – станционный кабель;
10 или 50 – диаметр сердцевины;


01 или 02 – центральный элемент из стеклопластика или стали;
0,7 или 1 – коэффициент затухания, дБ/км;
4, 6, 16 – число волокон.
Например: ОКК–50–01–0,7– 4 или ОКК–10–02–1,0 –16.
На рис.9 показано поперечное сечение кабеля ОККС–10–01–1,0–16.
13 EMBED PBrush 1415
Рис. 9. Оптический кабель ГТС марки ОККС:
1 – силовой элемент из стеклопластика;
2 – оптическое волокно;
3 – пластмассовая лента;
4 – стеклопластиковые стержни;
5 – полиэтиленовая оболочка

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ВНУТРИЗОНОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Кабели внутризоновой сети типа ОЗКГ-1 (первого поколения) диапазона 1, 3 мкм маркируются так:
ОЗКГ-1 – кабель внутризоновый оптический с металлическими армирующими элементами. Имеет центральный профилированный элемент, в пазы которого уложены волокна;
0,7; 1,0 или 1,5 – коэффициент затухания, дБ/км;
4 или 8/4 или 8/0 – в числителе число градиентных ОВ, в знаменателе число медных жил для дистанционного питания линейных регенераторов. Например: О3КГ-1-0,7-4/4 или ОЗКГ-1-1,0-8/0.
Кабели внутризоновой связи типа 0КЗ (второго поколения) диапазона 1, 3 мкм маркируются следующим образом:
ОКЗК-1 – кабель линейный с центральным силовым элементом из стеклопластикового стержня, вокруг которого скручены оптические модули, с медными жилами для ДП или без них, с броней из стальных проволок, с гидрофобным заполнением, с защитой полиэтиленовой оболочкой;
ОКЗБ-1 – то же, с броней из стальных лент;
ОК3О-1 – то же, с броней в виде оплетки из стальных проволок;
ОКЗМК-1 – то же, с броней из стеклопластиковых стержней;
ОКС-1 – кабель станционный, с упрочняющими стеклонитями и защитной оболочкой из ПВХ пластиката. Цифровые обозначения аналогичны кабелям типа ОЗКГ-1.

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ МАГИСТРАЛЬНОЙ СВЯЗИ

Магистральный ОКС диапазона 1,3 мкм марки ОМЗКГ выпускался до 1990 г. Кабель имеет 4, 8 или 16 одномодовых ОВ, расположенных в пазах профилированного пластмассового сердечника; гидрофобное заполнение, броню, полиэтиленовую оболочку. Предназначен для прокладки в грунт.
Для прокладки под водой через судоходные и сплавные реки, болота глубиной до 2 м предназначен кабель ОМЗВ. Кабель разработки 1 не имеет центрального силового элемента. Кабель разработки 2 имеет центральный силовой элемент из стеклопластика. Кабель разработки 3 без центрального силового элемента, но в броне из стальных проволок. Затухание ОВ не более 0,7 дБ/км.
Пример маркировки: ОМЗКГ-10-1-0,7-8 или ОМЗВ-10-1-0,7- 4.
Магистральные ОКС диапазона 1,55 мкм типа ОКЛ маркируются так:
ОКЛ – небронированный,
ОКЛС – с броней из стеклопластиковых стержней,
ОКЛК – с броней из стальных проволок,
ОКЛБ – с броней из стальных лент,
ОКЛАК – в алюминиевой оболочке и с броней из стальных проволок; разработка 01 – с центральным силовым элементом из стеклопластикового стержня, модульной конструкции, с гидрофобным заполнителем и с защитной оболочкой из полиэтилена;
разработка 02 - то же, но центральный силовой элемент – стальной трос. Разработка 03 - с центральным профилированным элементом, армированным стеклопластиковым стержнем, в пазы которого уложены ОВ с гидрофобным заполнением и оболочкой из полиэтилена;
4, 8 или 16 – число ОВ;
0,3/2,0 или 0,3/3,5 – в числителе коэффициент затухания, дБ/км, в знаменателе хроматическая дисперсия, нс/нм·км.
Кабели типа ОКЛБ и ОКЛАК могут иметь 4 медные жилы для ДП.
Пример маркировки: ОКЛ- 01- 0,3/3,5 – 4; ОКЛС – 03 - 0,3/2,0 - 8 или ОКЛАК - 01 - 0,3/2,0 - 4/4.
Конструкция кабелей показана на рис. 11, 12.




Рис. 11. Магистральный оптический кабель ОКЛ-01:
1 – оптическое волокно;
2 – оболочка оптического модуля;
3 – центральный силовой элемент из стеклопластикового стержня;
4 – изолированная медная жила ДП;
5 – гидрофобное заполнение;
6 – обмоточная лента;
7 – промежуточная оболочка из полиэтилена;
8 – подушка из крепированной бумаги;
9 – сталеленточная броня;
10 – наружная защитная оболочка из полиэтилена.

13 EMBED PBrush 1415

Рис. 12. Магистральный оптический кабель ОКЛС-03:
1 – профилированный сердечник;
2 – оптическое волокно;
3 – центральный силовой элемент из стеклопластикового стержня;
4 – внутрення пластмассовая обмотка;
5 – стеклопластиковые стержни;
6 – наружная полиэтиленовая оболочка.

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ СЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ

Сельские ОКС диапазона 1,3 мкм предназначены для организации связи между райцентром и более мелкими населенными пунктами, сельскими предприятиями. Как правило они имеют двух- или четырехволоконную конструкцию и подвешиваются по опорам или прокладываются в грунт.
Маркируются сельские ОКС так: ОКСБ-01-50-0,7/1,3-2(4) – подземный. Конструкция сельских ОКС показана на рис. 13.
1 – волокно;
2 – силовой элемент;
3 – пластмассовый сердечник;
4 – стальная оплетка;
5 – полиэтиленовая оболочка;
6 – стальной трос


Рис. 13. Оптический кабель сельской связи


ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ПОДВЕСКИ НА ЛЭП

Прокладка ВОЛС по опорам линий электропередачи (ЛЭП) является весьма перспективной технологией. Преимуществами прокладки ВОЛС по ЛЭП являются: наличие готовых опор, зданий и сооружений для размещения ретрансляционных пунктов, а также подготовленного персонала; отсутствие необходимости в землеотводе; высокая механическая надежность и защита от несанкционированного доступа, в том числе с целью повреждения.
В нашей стране разработаны два типа ОКС для подвески на опорах ЛЭП. Первый тип – ОКС – встроенный в грозозащитный трос (рис. 14). Кабель содержит 6...8 одномодовых ОВ с затуханием менее 0,5 дБ/км и дисперсией 3,5 пс/нм·км). Второй тип – подвесной диэлектрический кабель, предназначенный для подвески на ЛЭП напряжением до 110 кВ (рис. 15). Кабель может содержать от 2 до 12 одномодовых ОВ с характеристиками, как у первого типа ОКС. Заслуживает внимания перспективная конструкция, которая предусматривает размещение ОВ в тонкостенной трубке из нержавеющей стали, которая встраивается в грозозащитный трос или фазовый провод вместо одной из линейных проволок (рис. 16).
Перспективной также является подвеска ОКС вдоль железных дорог на опорах контактной сети и опорах ЛЭП автоблокировки и др.

13 EMBED PBrush 1415Рис. 14. ОКС, встроенный в грозозащитный
трос ЛЭП:
1 – силовой элемент из стеклопластика;
2 – модуль оптический;
3 – алюминиевая трубка;
4 – проволоки из высокопрочной стали

13 EMBED PBrush 1415

Рис. 15. ОКС для подвески на ЛЭП:
1 – силовой элемент из стеклопластика;
2 – стеклопластиковый пруток;
3 – модуль оптический;
4 – внутренняя полимерная оболочка;
5 - стеклопластиковый пруток;
6 – наружная полиэтиленовая оболочка

3. Выполнение работы.

1. Ознакомиться с образцами ОКС, представленными на стендах. Определить марку, емкость и указать область применения заданного оптического кабеля. Данные, характеризующие тип кабеля, занести в табл.1.


Характеристика образца ОКС

образца
на
стенде

Марка
кабеля
Область
применения
Емкость кабеля
Затухание,
дБ/км
Длина
волны,
мкм








2. Произвести детальную разборку образца ОКС и определить назначение каждого его элемента





4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Принципы классификации оптических кабелей
2.Конструкция ОВ, используемые материалы.
3. Лучевая модель процесса распространения волн по оптоволокну.
4.Профиль показателя преломления. Ступенчатые и градиентные оптические волокна.
5.Обобщенный параметр - нормированная частота. Одномодовые и многомодовые ОВ.
6.Затухание энергии в оптическом кабеле. Окна прозрачности.
7.Дисперсия и полоса пропускания оптического кабеля.
8.Примеры конструкций ОК, назначение основных элементов.
9.Оптические кабели для внутризоновых сетей связи.
10.Оптические кабели магистральной связи.


ЛИТЕРАТУРА

1. Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи. – М.: Радио и связь, 1988. – С. 72-77, 187-194.
2. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. – М.: Радио и связь, 1990. – С. 13-20, 48-64.
3. Ионов А.Д., Попов Б.В. Линии связи. – М.: Радио и связь, 1990. – С. 20-23.
4. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. М.: Радио и связь, – 1993. – С. 11-16, 37-68.
5. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи./ Под ред. Б.В. Попова. – М.: Радио и связь, 1996. – С. 26-55.
6. Родина О. В. Волоконно-оптические линии связи. Практическое руководство-M. Горячая линия- Телеком, 2009.-400с. ил.
7. Портнов Э. Л. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи: Учебное пособие для вузов-М: Горячая линия- Телеком, 2007. -464с: ил.


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3

Тема : Источники излучения в волоконной оптике .

1. Цель: а) Изучить источники излучения, используемые в волоконной оптике.

2. Задание : По данным таблицы построить спектральную характеристику, определить на ней центральную длину волны и спектральную ширину источника, сделать вывод: какому типу источника принадлежит данная спектральная характеристика.
Дано :
I вариант.

Рвых.,Вт.
0,1
2
4
6
9
10
8
5
3
2
1
0,5


·, нм
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150


II вариант.

Рвых.,Вт.
0,5
0,6
0,8
2
6
15
40
17
5
1
0,8
0,3


·, нм
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350


3. Контрольные вопросы :
1. Источники излучения, используемые в волоконной оптике. Достоинства и недостатки.
2. Принцип действия полупроводникового лазера.
3. Отличия выходных характеристик светодиода и лазера.
4. Отличаются ли спектральные характеристики лазера и светодиода?
5. Можно ли использовать лазер для многомодовых волокон? Почему?
6. Используют ли светодиод для одномодового волокна? Объяснить почему.


4. Литература:
Волоконная оптика и приборостроение/М. М. Бутусов и др.; Под ред. М.Бутусова-Л.:Машиностроение.Ленингр. отд-е, 1987.
Техническое руководство по волоконной оптике.
Дональд Дж.Стерлинг-«ЛОРИ», 2001
Портнов Э Л
Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических
линий связи: Учебное пособие для вузов-М.: Горячая линия-Телеком, 2007
Гордеев И.И.
Волоконно-оптические линии связи: Учеб. Пособие для вузов-М.: Радио и связь,1990.
9. Родина O. B. Волокно-оптические линии связи. Практическое руководство-М.: Горячая линия- Телеком, 2009.: -400с: ил


Практические занятия 4,5.

Тема - Волоконно-оптическая линия связи.

1. Цель- изучить принципы проектирования ВОЛС и методы анализа потерь в линии.

Ранее были рассмотрены основные компоненты волоконно-оптической линии: кабели, источники и передающие устройства, соединители и разветвители. Разберемся, как эти компоненты собираются вместе в линию связи и как она работает. подробно остановимся на проблемах энергетического баланса сети и баланса временных характеристик. Научимся оценивать и планировать энергетический баланс на примере простой волоконно-оптической системы.

Основные этапы и принципы проектирования ВОЛС.

1. Подготовка
Подготовка включает в себя обоснование использования волоконной оптики.
Решение о применении волоконной оптики должно быть основано на ее преимуществах по сравнению с использованием медного кабеля. Здесь рассматривают ситуацию, в которой выбор волоконной оптики является оптимальным.

2.Спецификация системы
При проектировании волоконно-оптической системы нужно определить требования, связанные с ее конкретным применением.
- скорость передачи
- длина линии
- тип волокна
- рабочая длина волны
- передаваемая мощность
- тип источника: СИД или лазер
- чувствительность приемника
- тип детектора: pin-диод, лавинный диод
- совместимость интерфейса
- число разъемных соединителей
- число неразъемных соединителей
- требования к условиям окружающей среды
- механическая защита
Многие из этих требований взаимосвязаны. Так, учитывая, что принимаемая приемником мощность зависит от передаваемой мощности и волоконного затухания, то можно, например, применить очень чувствительный приемник, позволяющий использовать маломощный передатчик или наоборот применить мощный передатчик и приемник с низкой чувствительностью.
При проектировании волоконно-оптической системы нельзя предусмотреть все вопросы. Однако существуют логичные и рациональные пути решения данной проблемы. Один из них основан на энергетическом балансе системы.

Методы анализа ВОЛС на этапе проектирования.

1. Метод энергетического баланса.
13 EMBED Equation.3 1415Понятие децибела.
Децибел (дБ) – важная величина, которая используется как в волоконной оптике, так и в электронике для выражения усиления или затухания в системе в целом или в её компонентах. Транзистор, например, может усиливать сигнал, увеличивая амплитуду его напряжения, тока или мощности. Это увеличение называется усилением. Аналогично, затухание – это уменьшение напряжения, тока или мощности. Децибел, таким образом, характеризует отношение входных и выходных напряжений, токов или мощностей.
В основном децибел используется для сравнения входной и выходной мощности системы, электрической цепи или отдельного компонента устройства. Количество децибел говорит о влиянии устройства на сигнал. Если Pвых – выходная мощность и Pвх – входная мощность, то изменение сигнала в дБ:
dB=10 lg (Pвых/Pвх)
Децибелами описывается, как влияют на систему различные включаемые в нее компоненты. Иногда, например, требуется разрезать кабель и установить на свободные концы соединители для стыковки и расстыковки отдельных отрезков кабеля. Включение соединителей вносит некоторые затухания, которые выражаются в децибелах. В других случаях для обеспечения затухания в систему специально включается устройство, называемое аттенюатор.
В волоконной оптике, как правило, имеют дело с затуханием оптической мощности. (Электронные устройства в передающем и принимающем устройствах могут обусловливать усиление напряжения и тока.) Пусть источник испускает оптическую мощность Pвх= 1000 микроватт (мкВт) и приёмник принимает сигнал мощности Pвых= 20 мкВт, то затухание в системе составляет -17 дБ:
10 lg (Pвых/Pвх) = 10 lg(13 EMBED Equation.3 1415) = -16.989 дБ
Напомним, что затухание, выраженное в децибелах, имеет отрицательную величину. В волоконной оптике обычной практикой является опускание отрицательного знака и оперирование с положительными значениями величин затухания.
Иногда для определения затухания используются относительные значения дБ.
В волоконной оптике обычно используется дБм – децибел, отнесенный к милливатту:
дБм=10 lg (Pвых/Pвх),
где Pвх принимается равным 1милливатту.
Для упрощения расчетов можно пользоваться
таблицей соотношения мощности и единиц дБм.
Мощность, Вт
Мощность, дБм

10 мВт
+10

5 мВт
+7

1мВт
0

500 мкВт
-3

100 мкВт
-10

50 мкВт
-13

10 мкВт
-20

5 мкВт
-23

1 мкВт
-30


Метод оценки энергетического баланса.
Оценка энергетического баланса является удобным способом анализа потерь в линии. Основная задача линии связи – обеспечение передачи достаточного количества оптической мощности к приемнику. Энергетический баланс определяется разностью между передаваемой мощностью и чувствительностью приемника. Если максимальная передаваемая мощность составляет – 10 дБм, а чувствительность приемника – 30 дБм, то баланс равен 20 дБм. Таким образом, для нормальной работы линии потери не должны превышать уровня 20 дБм. Теперь необходимо проанализировать все возможные источники потерь с тем, чтобы убедиться, что общий уровень потерь не превышает 20дБм. Если общие потери составляют менее 20 дБм, то избыточная мощность будет увеличивать запас надежности системы. Например, если общие потери системы составляют 14 дБм, то запас надежности равен 6 дБм. Предусмотрительный подход к конструированию линии должен учитывать некоторый запас надежности. Этот запас увеличивает время эксплуатации передающего устройства, мощность которого со временем падает. Возможно также появление на линии дополнительных соединений , вносящих потери. Кроме того, надо принимать во внимание изгибы и механические напряжения кабеля.
На рис.1 графически представлен пример энергетического баланса. График показывает уровни мощности в разных точках линии, в том числе в конечной точке, в которой находится приемник. Разность между получаемой приемником мощностью и его чувствительностью и представляет собой запас надежности.

рис. 1 Общий вид энергетического баланса в линии
Предположим следующие численные значения для параметров линии (рис.1)
Передаваемая мощность, Pвх= Pпрд = -10 дБм (100мкВт)
Затухание в волокне,
·К =3 дБм/км (из пр. раб.1)
Длина кабеля, lК =2 км (№ по списку)
Затухание на соединителях,
·С = 0,5 дБм на каждом соединении ( по вашему выбору), кол-во соединений n=3.
Чувствительность приемника, Pвых= Апрм = -30 дБм (1 мкВт)
Условие энергетического баланса
13 EMBED Equation.3 1415
Потери от затухания в волокне составляют 6 дБм для 2-км линии. Общие потери на участке между передающим устройством и приемником равны 7,5 дБм, что приводит к запасу надежности
·з = 12,5 дБм.

Более сложный пример.
Представленный пример расчета энергетического баланса является нетипично простым. Рассмотрим более сложный пример. Предположим, что линия на различных участках представлена двумя видами кабеля. Вопрос: насколько длинным может быть второй участок при запасе надежности в 6 дБм?

Ниже представлена соответствующая спецификация:
Передающее устройство - Выходная мощность =250 мкВт (6дБм), выходной диаметр = 100 мкм, NA= 0,3 , потери в соединителе = 1 дБм.
Волокно 1 - Размер – 85/125 мкм, NA= 0.26, затухание = 5 дБ/км, длина = 2 км.
Потери в соединении между волокнами 1дБ.
Волокно 2 - Размер – 100/140 мкм, NA= 0.3, затухание = 5 дБ/км, длина - ?
Приемник - Чувствительность = 125 нА (-39 дБ), диаметр = 150 мкм, NA = 0.4,потери в соединителе = 1 дБ.
Экспресс – анализ представленной спецификации указывает на наличие нескольких рассогласований между размерами и NA. Такое рассогласование постоянно встречается на практике. Рассогласования не были включены в первый пример.
Энергетический баланс линии составляет 33 дБм, поскольку разность между чувствительностью приемника – 39 дБм и мощностью передающего устройства – 6 дБм составляет 33 дБм. После вычитания 6 дБм запаса надежности получим, что потери на линии не должны превышать 27 дБм. Теперь вычислим другие виды потерь на линии.

Потери передающего устройства
Потери на передающем устройстве связаны с рассогласованием NA, диаметра и включением в линию соединителя с потерями в 1 дБ. Потери, возникающие в связи с рассогласованием между 100-мкм диаметром выхода передающего устройства и 85-мкм диаметром волокна, составляют
lossdia=10log10(diafiber/diatr)2=10log10(85/100)2= - 1.4 Дб
Потери от рассогласования апертуры NA (0.3 у передающего устройства и 0.26 у волокна) составляют:
lossdia=10log10(NAfiber/ NAtr)=10log10(0.26/0.30)2= -1.2Дб
Потери на интерфейсе передающего устройства равны 3.6 дБ. Общие потери также пока равны 3.6 дБ.

Потери в первом волокне
Поскольку затухание у волокна 85/125 составляет 5 дБ/км, потери на 2-км линии составят 10 дБ. Общие потери пока составляют 13.6 дБ.

Соединение между волокнами
Поскольку волокно 2 имеет больший диаметр ядра и NA, чем волокно 1, то никаких потерь, связанных с рассогласованием второго волокна не возникает. Единственным источником потерь в 1 дБ является включение соединителя. Общие потери на данном участке линии составляют уже 14.6 дБ.

Потери в приемнике
Потери в приемнике равны в данном случае потерям на соединителе – 1 дБ, потери, связанные с рассогласованием геометрических параметров волокна и входа приемника, отсутствуют. Общие потери вырастают до 15.6 дБ.

Потери во втором волокне
Общие потери на предшествующем участке линии составили 15,6 дБ. Поскольку допустимые потери составляют 27 дБ, можно отвести на затухание на втором 100/140 волокне 11,4 дБ. Это волокно имеет затухание 5 дБ/км, поэтому можно использовать участок длиной в 2.28 км. Рис.2 показывает этот участок, а также потери и уровни мощности в каждой точке системы.

рис.2
Энергетический баланс представлен в таблице:
Мощность передатчика – 6 дБм
Чувствительность приемника – 39 дБм
Энергетический баланс – 33 дБм
Потери в передатчике – 3,6 дБм
Потери в первом волокне (2км) – 10 дБм
Потери в соединении волокон – 1 дБм
Потери во втором волокне (2,28км) – 11,4 дБм
Потери в приемнике – 1 дБм
Общие потери – 27 дБм
Запас надежности – 6дБм
Оценка энергетического баланса усложняется еще и следующими факторами. Для многих компонент системы специфицируется диапазоны значений. Максимальная мощность передающего устройства может задаваться диапазоном значений шириной в 3 дБ. Для потерь в соединителе была выбрана величина в 1 дБ. Более типичным значением является 0.6 дБ, хотя возможно и 0.2 дБ. Волоконное затухание варьируется в зависимости от температуры, и обычно его значение меньше специфицированного. Таким образом, баланс линии должен быть рассчитан на основе как максимальных, так и минимальных значений потерь, чтобы иметь представление о худшем и лучшем вариантах эффективности работы линии.

2. Баланс временных характеристик
Энергетический баланс подтверждает, что мощность, достаточная с точки зрения требований конкретного применения, передается вдоль линии. Мощность является одним из аспектов требований к линии. Второй аспект – ширина частотной полосы пропускания или время срабатывания. Все компоненты системы должны работать достаточно быстро, чтобы линия могла удовлетворять требованиям по отношению к ширине частотной полосы пропускания. Анализ баланса времени срабатывания различных компонент линии позволяет решить и этот вопрос.
Активные устройства имеют конечное время обработки входных сигналов. Источники и приемники не могут включаться мгновенно. Времена нарастания и спада определяют время отклика и, в конечном итоге, частотную полосу или скорость работы устройства. Когда частотная полоса пропускания специфицирована, время отклика может быть оценено по формуле.
tо=0.35/ F, где F- полоса пропускания в Гц
Время отклика может быть оценено в зависимости от длины волокна. Если кабель специфицирован для 2-км длины и информационной емкости 600 МГц-км, то частотная полоса F составит 300 МГц, а время срабатывания – 1,6 нс.
Соединители и разветвители обычно не оказывают заметного влияния на скорость срабатывания системы и могут не учитываться во временном балансе компонент.
Когда известны времена отклика ti различных компонент системы, то общее время нарастания определяется по формуле:
tобщ.=1.1( t1+ t2 + t3++ tn)1/2,
где n- кол-во компонент системы, влияющих на полосу пропускания, коэффициент 1,1 учитывает возможное 10-процентное увеличение времени срабатывания системы.
В качестве примера рассмотрим 20 МГц систему с длиной линии 2км. Используемое волокно имеет 400 МГц/км информационную емкость. Время нарастания приемника составляет 17,5 нс. Каким должно быть время нарастания сигнала на выходе источника?
Общее время нарастания системы – 17,5 нс. Время нарастания волокна 1,75 нс. Каким должно быть время нарастания передающего устройства?

tпрд=(17,52-102-1,752)1/2=14.25нс

Передающее устройство должно иметь время нарастания около 14 нс. Если выбрать передающее устройство с временем срабатывания 10 нс., то будут удовлетворены все требования, касающиеся времени срабатывания и частотной полосы. При включении 10 нс передающего устройства системы приобретает время нарастания:
tобщ=1.1(102+17,52+102) 1/2=15.7нс, которое согласуется с требуемым временем 17,5 нс.

Заключение

- энергетический баланс гарантирует, что уровень потерь достаточно низкий и позволяет обеспечить достаточный уровень мощности в точке расположения приемника.
- баланс временных характеристик гарантирует, что все компоненты соответствуют требованиям, предъявляемым к частотной ширине полосы пропускания и времени нарастания сигнала в линии.

3. Задание.
Используя данные практической работы 1 и выбранный тип соединения, проверить работоспособность линии методом энергетического баланса. Сделать выводы, при необходимости определить допустимую чувствительность приемника для линии.

Дано:
мощность передатчика - Рпрд = 5 м Вт
потери в волокне -
·к· lк ; ( 1 практ.раб.), где
·к- затухание в волокне, lк - длина кабеля (№ по списку км)
потери в соединении волокон -
·с ( для вашего типа соединителя)
Чувствительность приемника - Aпрм = 1 мкВт
запас надёжности
·з = 10 дБм

Указания.
1. Переведите значения мощности, выраженные в Вт в мощность в дБм
( по таблице )
Запишите условие энергетического баланса и проверьте его выполнение
Если условие выполнено, значит линия работоспособна
Если условие не выполняется, то необходимо рассчитать допустимую чувствительность приемника.

4. Контрольные вопросы

В чем заключается понятие децибел.
Оценка ВОЛС методом энергетического баланса.
Назначение и сущность метода временных характеристик.
4. Используя спецификацию передающего и принимающего устройств и подведя энергетический баланс, определите максимально возможную длину волокна. Используемое волокно имеет размер 50/125, частотную полосу пропускания 600 МГц и затухание 4 дБ/км. Заложите в вычисления 6 дБ запас надежности. Предположите, что каждый 2-км участок волокна будет состыкован с линией при помощи соединителя с потерями в 1 дБ. Используйте максимальное значение мощности для передающего устройства и минимальное – для приемника.
5. Нарисуйте картину энергетического баланса для системы, описанной в вопросе 1.
6. Повторите анализ, описанный в вопросе 1, для 100/140 волокна с частотной шириной полосы пропускания 400 МГц и затуханием 6 дБ/км.
Нарисуйте картину энергетического баланса для случая, описанного в вопросе 3.
Определите время нарастания системы для случая, представленного в вопросе 1. Используйте значение длины волокна, определенное из анализа энергетического баланса. Примените максимальные значения для времени срабатывания передающего и принимающего устройств.

5.Литература:
Волоконная оптика и приборостроение/М. М. Бутусов и др.; Под ред. М.Бутусова-Л.:Машиностроение.Ленингр. отд-е, 1987.
Техническое руководство по волоконной оптике.
Дональд Дж.Стерлинг-«ЛОРИ», 2001
Портнов Э Л
Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических
линий связи: Учебное пособие для вузов-М.: Горячая линия-Телеком, 2007
Гордеев И.И.
Волоконно-оптические линии связи: Учеб. Пособие для вузов-М.: Радио и связь,1990.
13. Родина O. B. Волокно-оптические линии связи. Практическое руководство-М.: Горячая линия- Телеком, 2009.: -400с: ил

Пример. Расчет потерь методом энергетического баланса
Задание.
Определить допустимую чувствительность приёмника Aпрм, если мощность передатчика
Рпрд = 10 мВт, в линии длиной lк = 5 км использовано 3 соединителя, потери в каждом соединении составляют
·с; = 1,5 дБм, кабельные потери
·к = 1,2 дБм/км. Необходимый запас надёжности 8 дБм.

Дано: Решение:
Рпрд=10 мВт 1. Записывается условие энергетического баланса:

·с=1,5 дБм
nc= 3 Рпрд - (
·к· lk+13 EMBED Equation.3 1415
·с 13 QUOTE 1415+13 QUOTE 1415)
· Апрм
lk= 5км

·к=1,2 дБм/км 2. Определяются потери в волокне:

·з= 8 дБм
·к· lk= 1,2 · 5 = 6 дБм
3. Находятся потери в соединениях:
Найти: Апрм=? 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
·с 13 QUOTE 1415= 3 ·1,5 = 4,5 дБм 13 EMBED Equation.3 1415
4. Подставляются данные в условие энергетического
баланса:
Рпрд-(
·к· lk+13 EMBED Equation.3 1415
·с 13 QUOTE 1415+13 QUOTE 1415)
· Апрм
10 – (6 + 4,5 + 8)
· Апрм
Апрм
· 8,5 дБм

4) Самостоятельная работа
Тема 1. Оптические волокна.
1 вариант
Преимущества оптических волокон.
Виды оптических волокон по материалу.
Начертить траектории распространения 2-х мод в волокне со ступенчатым профилем.
Зависимость количества мод от диаметра оптических волокон.
Затухание и способы его уменьшения.
Задача. Дан профиль показателя преломления оптического волокна. Какие параметры можно определить? Найдите их. n

r, мкм
5 5 10 20


2 вариант
1. Структура оптоволоконной системы.
Условия полного внутреннего отражения.
Виды оптических волокон по профилю показателя преломления.
Апертура.
Процесс производства стеклянных оптических волокон ( или пути улучшения качества передачи).
Задача. Дано волокно со сглаженным профилем. Сердцевина состоит из двух слоев с показателями преломления 1,4 и 1,35.
Во сколько раз скорость луча в первом слое больше, чем во втором?
3 вариант
1. Области использования оптических волокон.
Вывести значение критического угла.
Начертить траекторию распространения луча в волокне со ступенчатым профилем.
Виды оптических волокон по количеству мод.
Модовая дисперсия и способы ее уменьшения.
Задача. Определить
·, распространяющуюся в одномодовом волокне, если нормированная частота
· = 2 ; dсердцевины = 10 мкм ; n1 = 1,3 ; n2 = 1,25.
Тема 2. Оптические кабели.
1 вариант
1. Основные компоненты оптических кабелей, их назначение.
2. Классификация оптических кабелей по условиям эксплуатации.
Материалы внешних оболочек оптических кабелей.
Расшифровать: ОКЗ-50-01-0,7-4
Начертить ленточный ОК, выбрать масштаб, обозначить размеры и подписать элементы.
2 вариант
1. Виды силовых элементов оптических кабелей
2. Классификация оптических кабелей по назначению
3. Типы оптических кабелей по направлению передачи сигнала.
Расшифровать: ОКС-Н-10-01-1,0-16
Начертить кабель повивной скрутки, выбрать масштаб. обозначить размеры и подписать элементы.
3 вариант
1. Виды демпферов оптических кабелей.
Классификация оптических кабелей по конструкции.
Принципы маркировки оптических кабелей.
Расшифровать: ОКСА-50-03-0,7-8
Начертить ОК с профилированным сердечником, выбрать масштаб, обозначить размеры и подписать элементы.
Задание 1. Заполнить таблицу
Элемент оптического кабеля

Назначение
Расположение в кабеле

Материалы

Оптические волокна
Передача информации
В центре: концентрично или лентами
Сверхчистый диоксид кремния


Задание 2. Заполнить таблицу
Виды оптических кабелей
Основные характеристики
Области использования

по назначению:
а) магистральные
б)
по конструкции:
а) ленточные




4. Приложения. Задания для оценки освоения дисциплины


ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Арзамасский приборостроительный колледж имени П.И. Пландина»
УТВЕРЖДАЮ Зам. директора по УР ____________/Титова И.Б./ «  » _________2013г.
ВОПРОСЫ к дифференцированному зачету по учебной дисциплине «Волоконная оптика и приборы энергосбережения» основной профессиональной образовательной программы
по специальности СПО
11.02.01 Радиоаппаратостроение
(базовый уровень)
на 2014 – 2015 учебный год






Арзамас, 2014
Теоретические вопросы:

Вопросы к дифференцированному зачету по дисциплине Приборы энергосбережения и волоконная оптика специальность 11.02.01
Основной принцип измерения расхода
Типы расходомеров
Требования к расходомерам
Конструкция электромагнитного расходомера
Принцип работы ЭМР
Характеристики ЭМР
Принцип работы вихревого расходомера
Характеристики вихревого расходомера
Конструкция УЗ расходомера
Характеристики УЗР
Конструкция расходомера переменного перепада давления
Характеристики РП еременногоПД
Конструкция и принцип работы крыльчатого расходомера
Характеристики крыльчатого расходомера
Конструкция шарикового расходомера
Принцип работы шарикового расходомера
Характеристики ШР
Конструкция и принцип работы ротаметра
Характеристики ротаметра
Конструкция поршневого расходомера
Принцип работы ПР
Характеристики ПР
Конструкция и принцип работы расходомеров с метками.
Характеристики расходомеров с метками
Условия распространения света по оптическому волокну.
Траектория движения светового луча по волокну.
Строение оптического волокна, назначение слоев.
Причины дисперсии в многомодовых волокнах и пути ее уменьшения
Затухание в оптоволокне и способы его уменьшения.
Классификация волокон по материалу.
Основные характеристики ОВ.
Классификация волокон по количеству мод .
Профиль показателя преломления. Ступенчатые и градиентные оптические волокна.
Основные параметры ОВ
Основные составные части оптического кабеля, назначение.
Виды буферных оболочек.
Материалы внешних оболочек.
Классификация оптических кабелей по направлению передачи сигнала.
Классификация оптических кабелей по условиям эксплуатации и дальности передачи сигнала.
Основные типы конструкций оптических кабелей, области применения.
Принципы маркировки ОК.
.Силовые элементы ОК
.Производство ОВ.
В чем заключается понятие децибел в ВО.
Оценка ВОЛС методом энергетического баланса.
Назначение и сущность метода временных характеристик.
Требования к ВОЛС.
Источники излучения для ВО. Принципы работы.
Основные характеристики источников.
Приемники излучения, принципы работы.
Основные характеристики приемников.
Неразъемные соединения ОВ.
.Разъемные соединения ОВ.
Разветвители для ОВ.
Основные принципы функционирования ВОД.
Амплитудные ВОД.
Поляризационные ВОД.
Фазовые ВОД.
Преимущества ВО.


13 EMBED PBrush 1415

13 EMBED PBrush 1415



КОС ЭТ ПР.docКОС ЭТ ПР.docКОС ЭТ ПР.docRoot EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы


Добавить комментарий