Расчет потерь в делителях оптической мощности и затухания в оптическом волокне

Расчет потерь в делителях оптической мощности и затухания в оптическом волокне

Ключевые слова: оптическое волокно, оптические делители мощности, расчет потерь, расчет собственных потерь, рэлеевское рассеяние, ультрафиолетовое поглощение, инфракрасное поглощение, микроизгибы.

Представлены эмпирические выражения для расчета потерь в симметричных и несимметричных делителях оптической мощности с различным числом портов, позволяющие определить величину вносимых потерь с погрешностью не более 5% для делителей двух классов точности, класс А (ДА, ± 20 нм) и класс В (ДА ± 40 нм). Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными исследованиями, опубликованными в литературе, а также с результатами измерений, проведённых авторами с планарными делителями оптической мощности 1х16 и 1 х32, широко используемых в пассивных оптических сетях (PON). Пприведены выражения для расчета затухания в кварцевом оптическом волокне в зависимости от длины волны света, учитывающие потери за счет рэлеевского рассеяния, потери за счет ультрафиолетового и инфракрасного поглощения, а также потери на микроизгибах в диапазоне от 780 до 1620 нм. Выражения с высокой точностью описывают экспериментальные результаты, представленные в известных работах. При этом сравнительно простые аналитические выражения достаточно хорошо аппроксимируют результаты строгого анализа. Полученные выражения для расчета собственных потерь в оптическом волокне и делителях мощности могут быть использованы в курсе "Оптические направляющие среды" по профилю "Оптические системы и сети связи" при выполнении расчетных заданий и курсовых проектов, а также в других дисциплинах по направлению подготовки 210700 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи".

Ефанов В.И., профессор ТУСУР, г. Томск, evi@main.tusur.ru Гриншпон Я.С., доцент ТУСУР, г. Томск Вождаев Д.В., аспирант ТУСУР, г. Томск Уткина А.С., студент ТУСУР, г. Томск

Таблица !

Значения коэффициента ß

Делитель 1x2 1x3 1x4 1х§ 1x12 1^16 1x24 1x32 1*64

0 Класс А 0,15 0,25 0,25 0,3 0,35 0,35 0,15 0,4 0,4

Класс В 0,2 0,35 0,4 0.55 0,65 0,7 0,85 0,85 0,8

Оптические делители мощности. При построении пассивных оптических сетей основным элементом является оптический делитель мощности. Именно этот элемент придает сети необходимую гибкость архитектуры, масштабируемость, максимальное соответствие системным и экономическим требованиям.

В учебных пособиях отсутствует информация ио расчету оптических делителей мощности в сбалансированной, многокаскадной. несимметричной сети PON [ 11.

На основе анализа основных характеристик современных делителей мощности и экспериментальных исследований получены выражения для расчета вносимых потерь оптических симметричных и несимметричных делителей мощности с произвольными коэффициентами деления N для двух классов точности, класс А (ДА ± 20 нм) и класс В (А). ± 40 нм) |4].

Так, эмпирическое выражение для симметричного делителя имеет вид:

<W = J0 lgN+ ß lg[N- (N-l)J, дБ

В зависимости от вида делителя поправочный коэффициент р имеет разные числовые значения, которые определены в соответствии с результатами экспериментов, анализом паспортных данных, а также с работами других авторов [6]. Экспериментальные исследования планарных симметричных делителей мощности 1><2, 1x3, 1*16, 1x32 были проведены во втором окне прозрачности.

Параметры коэффициента указаны в таблице 1. Чем мно-гокаскадпее делитель, тем выше численное значения поправочного коэффициента и вносимых потерь, из-за так называемый интерференции в структуре самого делителя.

Ниже приведены результаты расчета вносимых потерь симметричного делителя в зависимости от числа выходных портов в соответствии с {1 ):

Таблица 2

Число выходных портов N Вносимые погери симметричного делителя, дБ

Для класса А | Для класса В

2 3,485 3,762

3 5,718 6,097

4 6,968 7,536

6 8,918 9,486

8 10,167 11,115

16 13,368 14,693

32 16,567 18,272

Разница численных значений вносимых потерь, измеренных экспериментально и рассчитанных в соответствии с (1) составляет 0,05-0,2 дБ.

Выражение для несимметричного делителя мощности с количеством выходных портов N :

10V-|) р

,дБ

где р - коэффициент для класса А равен 0,15, а для класса В - 0,25; Р - процент мощности, выводимой в данный порт, %.

Разница численных значений вносимых потерь, измеренных экспериментально и рассчитанных в соответствии с (1) составляет 0,05-0,2дБ и (2) - максимально 0,ЗдБ.

Л

Таблица 3

Таблица 4

Вносимые потери несимметричного делителя мощности 1x2

Процент мощности выводимый на каждый порг, % Вносимые потери, дБ

Класс А, /? = 0,15 Класс B.ß = 0,25

40/60 4,039 2,252 4,079 2,274

30/70 5,307 1,572 5,36 1,588

20/80 7,095 0,984 7,164 0,993

10/90 10,15 0,464 10,25 0,469

«v,„ =

0,6 - 0,23Д 34л - 25

0,3-0,23/1 30,ЗЯ -50

дБ/км щ О-уф &пог. ч &UK + а«ь + CU + а,1К

Д= 1310 нм 0,23 48-10"& 0,0156 0,0156 0,246

Д= 1550 нм 0,12 0,019 0,009 0,0199 0,148

Полученные выражения позволяют рассчитать величину вносимых потерь с погрешностью не более 5%.

Затухание света в оптических волокнах

Затуханию света в OB посвящено достаточно много публикаций. Однако, для расчета затухания света, в ряде случаев, приводятся выражения, правильность применения которых вызывает сомнение и приводит к ошибочным результатам.

Ниже представлены результаты расчета собственных потерь в одномодовых кварцевых оптических волокнах в диапазоне от 780 до 1620 им.

Как известно [1]. собственные потери в OB складываются из потерь на рассеяние света Орасс, потерь в ультрафиолетовой Оуф и инфракрасной области спектра:

Ow0= 0^+ а^ Ж;аик

Строгай количественный теоретический анализ и точный расчет зависимостей этих коэффициентов от длины волны оказывается чрезвычайно сложным и практически матопри-годным для инженерных приложений, что заставляет искать сравнительно простые аналитические выражения, достаточно хорошо аппроксимирующие результаты строгого анализа [5|. Проведенные нами исследования дают следующие результаты.

Потери вследствие Рэлеевского рассеяния пропорциональны Я4:

, «fU)-l ,дБ/км

"расе VT

где С'- 0,6-Ю"24 дБ м4/км рассчитано в соответствии с [1], п! - показатель преломления сердцевины.

Результаты расчета amci. на длине волны X = 1310 км н к = 1550 нм, при п= 1,466 представлены в таблице 1.

В результате анализа зависимостей потерь в ИК и УФ областях нами получены следующие выражения [3]:

Полученные расчетные значения (см. табл. 4) несколько меньше по сравнению е тем, что приводят фирмы производители ОВ, но этого и следовало ожидать, так как не были учтены потери на микроизгибах, В [31 проведен анализ потерь на микроизгибах ОВ.

ют а, дБ / км

¡'не. 1.11отери н одномодовом ОВ

Основными причинами появления микроизгибов являются локальные поперечные механические усилия различного происхождения.

Практика показывает, что удельный вес потерь, создаваемых многочисленными микроизгибами, рассеянными вдоль ОВ, может быть существенным.

При расчетах возникают трудности с определением величин N и ¡1, установить значения которых практически невозможно [1]. Однако можно, задаваясь величинами N и Л, оценить возможную величину добавочных потерь и, таким образом, определить требования по неоднородностям оптического волокна.

Для оценки затухания на микроизгибах от высоты (радиуса) изгиба /г и количества изгибов N в первом приближении воспользуемся следующим выражением [1]:

А, fr  (7,2 а = N •

2D"-(NÄ)b

Данные выражения применимы для оценки потерь в диапазоне Л = 0,8-5-1,62мкм, однако они не учитывают потери в гидрокенльном пике ОН.

Результаты расчета собственных потерь в ОВ в зависимости от длины волны представлены в табл.4 их значения на Я = 1550 нм и 1310 нм.

где N — количество микроизгибов на 1 км; И - высота (радиус) микроизгиба, мкм; с/ - диаметр сердцевины, мкм; я -показатель преломления сердцевины; О - диаметр оболочки, мкм; ЫА - числовая апертура.

Будем считать, что величина /г определяется значением некруглости (эллиптичности) сердцевины, которое указывается в характеристиках ОВ и составляет 0.4 -з- 0,8 мкм. В соответствии с рек. в.652 МСЭ-Т отклонение диаметра модового пятна от его средней величины не превышает 10%.

Полагая величину И = 0,5 +0,6 мкм, ЫА = 0,14, £) = 125 мкм и п, = 1,466, получим значение потерь на одном микроизгибе о™*«, = <3,5+ 10,3)-10"* дБ.

Оценим возможное число N микроизгибов на длине I км.

Сопоставим минимальное значение затухания в О В ажсп, приводимое фирмами производителями ОВ, с расчетами аС1Х-, определим значение Ла = амс„ - а„„-„ и полагая, что значение Ла образуется только за счет микроизгибов ОВ, получим

/ г

Известно, что абсолютный минимум потерь приходится на X — 1550 нм 12]. Для лучших образцов промышленных одномодовых волокон потери на этой длине волны составляют 0.16-0,19 дБ/км, а наX = 1310 нм - 0.29 - 0.32 дБ/км.

X, нм дБ/км a„„;, дБ/км А а, дБ/км N Источник информации [2], год

1310 0,29 0,25044 0,0395600 64 1990

1550 0,16 0,14751 0,0124900 20 1990

1568 0,154 0,15025 0,0007506 6 1986

1568 0,151 0,15025 0,0007506 2 2002

В 1986 г, был установлен рекорд в достижении минимальных потерь - 0,154 дБ/км - и рассматривался как практический предел.

В соответствии с нашим расчетом потери складывались следующим образом: рзлеевское рассеяние - 0,128 дБ/км, инфракрасное поглощение - 0,014 дБ/км, примеси ОН -0,004 дБ/км и несовершенство волокна, обусловленное затуханием света на микроизгибах - 0,004 дБ/км.

Компания Йшпкото в 2002г. установила новый рекорд минимальных потерь-0,151 дБ/км нал= 1568 нм.

В соответствии с таблицей 5 это также хорошо согласуется с нашими расчетами.

Полученные в данной работе выражения для расчета затуханий в ОВ и в делителях оптической мощности могут быть использованы в курсе «Оптические направляющие среды» по профилю «Оптические системы и сети связи», а также и в других дисциплинах по направлению подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

J1 итератора

1. Портнов ЭЛ. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Горячая линия - Т еле ком, 2007, - 464 с.

2. Листвин A.B., Листвин ВН.. Швырков Д.В. Оптические волокна для линии связи. - М.: ЛЕСАРарт, 2003. - 288 с.

3. Бфанов В И. Вождаев Д.В О расчете затухания света в оптическом волокне // Фото к-Экс пресс» №3, 2009. - С.28-30.

4. Ефанов В.И. Оптические и электрические направляющие среды. Учебное пособие. - Томск: Эль Контент, 2013. - 306 с.

5. Четкий СВ. Оптические системы передачи. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. - М.: МТУСИ, 2002.-43 с.

6. Убайдуллаев Р.Р Волоконно-оптические сети. - М.: Эко-Трсндз, 2001.-267 с.

Loss Calculation in Optic Power Devisors and Damping in Single-mode Optic Fiber

Efanov V.I., professor, Grinshpon Ya.S., docent, Vozhdaev D.V., postgraduate student, Utkina A.S., student TUSUR University, Tomsk, evi@main.tusur.ru

Abstract

The paper introduces some empirical expressions for loss calculation in symmetric and asymmetric optic power devisors with different number of ports. These make it possible to value insertion loss with an error not more than 5% for devisors of two grades of accuracy, grade A (A^ ± 20 nm) and grade B (A^ ± 40 nm). The calculation results match well with the experimental research of planar optic power devisors 1x16 and 1x32 widely used in PON. Also the paper presents some expressions for calculation of damping in quartz optic fiber depending upon light wavelength over the range from 780 to 1620 nm. The expressions describe experimental results with high precision. Received expressions can be used for the course "Optic Directing Environment" (a degree program "Optical Systems and Communication Networks") as well as for other subjects of major program 210700 "Information and Communication Technology and Communication Systems".

Ksywoids: optic fiber, optic power devisors, loss calculation, intrinsic loss, microbends

References

1. Portnov E.L Optic fiber cables and passive components of fiber optic links. Moscow, 2007. 464 p.

2. Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Optic fibers for communications. Moscow, 2003. 288 p.

3. Efanov VI, Vozhdaev D.V. Loss calculation of damping in optic fiber / Foton-Express, №3, 2009. Pp.28-30.

4. EfanovV.I. Optical and electrical guiding mediums. Tomsk, 2013. 306 p.

5. Chetkin S.V Optical transmission systems. Moscow, 2002. 43 p.

6. Ubaidullaev R.R Fiber-optical networks. Moscow, 2001. 267 p.

Л

Таблица 5