Введение к работе
Актуальность темы. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" предусмотрено развитие высокоавтоматизированного производства оптических кабелей связи.
Линии связи, использующие оптические кабели (ОК), обладают существенными преимуществами перед традиционными линиями, в которых передача информации осуществляется по кабелям, с металлическими жилами. Наряду с такими достоинствами оптических кабелей, как экономичные масса-габаритные, показатели, высокая защищенность от электромагнитных помех, экономия цветных металлов, особо следует отметить, значительное увеличение длины регенера-ционного участка.
Современное состояние техники волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) показывает, что _в протяженных линейных трактах целесообразно использовать одномодовые оптические волокна (ООВ), обладающие по сравнению с многомодовыми оптическими волокнами большей широкополосностыо. В волоконно-оптических линиях связи с ООВ длина регенерационного-участка доведена в настоящее время' до нескольких сот километров.
Одной из основных причин, ограничивающих длину регенераци-онного участка, является хроматическая дисперсия ООВ. Дисперсия ООВ зависит от таких факторов, как форма профиля показателя преломления (ШШ), состав и процентное содержание легирующих примесей, степень нерегулярности геометрической структуры.
Существующие теоретические и экспериментальные методы определения дисперсии ООВ учитывают влияние этих факторов, но обладают следующими недостатками:
-
Оценка хроматической дисперсии многослойных регулярных волокон (за исключением двухслойного и трехслойного) производится без учета состава и процентного содержания легирующих примесей в каждом слое исследуемого волокна;
-
Исследование дисперсии первого порядка трехслойного волокна выполнено без учета дисперсионных свойств оболочки ООВ;
-
При расчете дисперсии нерегулярных волокон применяются методы, требующие выполнения большого объема измерений и сложных машинных расчетов;
-
Анализ экспериментальных методов определения хроматической дисперсии проведен без учета вида дисперсионной кривой исследуемого волокна;
-
Стыковка оптических волокон, входящих в строительные длины многоволоконных оптических кабелей, производится без оптимизации хроматической дисперсии на регенерационном участке составной ЮЛС.
Устранение отмеченных недостатков позволит уточнить расчет
дисперсионных характеристик 00В, увеличить производственный вы
ход высококачественных волокон с заданной дисперсией, и улучшить
дисперсионные характеристики составной линии. Поэтому создание
методики расчета дисперсионных характеристик 00В, обеспечиваю
щей решение перечисленных задач, является актуальной пробле
мой. .
Цель работы. Целью настоящей-диссертационной работы является разработка метода расчета дисперсионных характеристик одномодовых оптических волокон и рекомендаций по умень-еєнию хроматической дисперсии на регенерационном участке ВОЛС с учетом материальной, профильной и волноводной дисперсий многослойных волокон, нерегулярностей геометрической структуры и па-
4 - ~" .
раметров источника излучения.
Предметом'исследования являются волоконно-оптическая линия связи и её основной элемент - одномодо-вое оптическое волокно, его.геомегричесние, оптические и дисперсионные характеристики. Основные вопросы, рассмотренные в диссертационной работе, следующие:
-
Разработка метода расчета хроматической дисперсии П -го порядка регулярного волокна с произвольным профилем показателя преломления;
-
Разработка метода расчета дисперсионных характеристик нерегулярных оптических волокон с различными функциями плотности вероятности распределения нерегулярностей по длине волокна;
-
Разработка метода обработки результатов экспериментальных исследований, позволяющего рассчитать полную хроматическую дисперсию ВОЛС с учетом случайных отклонений характеристик,измеряемых 00В;
-
Разработка алгоритма оптимальной стыковки волокон, позволяющего минимизировать хроматическую дисперсию на регенераци-онном участке ВОЛС, состоящей из нескольких строительных длин ОК.
Методы исследования, чіїри решении поставленных задач использовались методы классической теории электромагнитного поля, теории вероятности, интегрального и дифференциального исчислений. Использовались методы вычислительной математики, базирующиеся па ЭВМ. Выводы и рекомендации, сформулированные в работе, основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях.
Личный вклад. Все теоретические и эксперимен
тальные результаты, изложенные в диссертации, получены автором
лично.
т 5
Научная новизна р.а б "о т ы. I - .
-
Разработан метод расчета дисперсионных-характеристик 00В,' основанный на матричном-алгоритме'определения дисперсии, -ft -го порядка, учитывающий, влияние материальной, профильной" и во'лно-водной дисперсий многослойного волокна на суммарную хроматическую дисперсию.' Основным результатом применения разработанного -' метода является существенное уменьшение"погрешности расчета дисперсионных характеристик 00В. "-'. - "
-
Предложен метод расчета хроматической дисперсии-нерегу- - -лярных 00В с раз личными функциями плотности вероятности распределения нерегулярностей,учитывающий несимметричность дисперси- -онной кривой волокна относительно среднего значения. Учет несимметричности дисперсионной- кривой волокна дает значения диспер--сии, -отличающиеся от результатов, полученных-."по методу,' разработанному для.регулярных 00В, как в большую, так и в меньшую сторону на значительную величину.- - . - - --_ -
.3. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчиты- ' -
вать дисперсию первого порядка трехслойных 00В в широком диапа
зоне длин волн с учетом дисперсионных'свойств сердцевины'и обо- -,"
лочек волокна. Выражения приведены к -удобному для инженерной
практики виду. ": : _ . . '- "._
- 4. Предложен метод обработки результатов экспериментальных исследований группового'времени'прохождения'основной, моды и вычисления на ее основе.-полной хроматической дисперсии. Разработанный метод устраняет некорректность-пересчета-группового, времени прохождения в-дисперсию 11 -го порядка'изкеряемого'ООВ.. 5. Разработан алгоритм оптимизации сирокополосности "оптической линии связи,'состоящей из, нерегулярных'оптических волокон с произвольными-величинами хроматической-дисперсии, учиты-"..
" - ---'- "&--'-. - "- ' ' '
Бающий порядок стыковки волокон, входящих в строительные длины
ОК на ре генерационном участке ВОЛС, Проведение оптимизации мо
жет в несколько, раз уменыжть дисперсию первого порядка ВОЛС.
-. Практическая ценность работы заключа
ется в следующем: . .
1. Получены инженерные формулы, а также алгоритм и программа для расчета дисперсии-первого порядка трехслойного 00В в широком диапазоне-длин волн-, с применением ЭВМ;
' 2. Разработан комплекс програю.!, позволяющих рассчитывать дисперсионные характеристики волокон с произвольным 111111, прогнозировать параметры волокон по характеристикам заготовок. Зто позволяет-производить отбраковку заготовок 'и корректировать дисперсионные характеристики 00В в процессе ватянки;
3. Разработан алгоритм минимизации полной хроматической дисперсии составной ВОЛС;
- 4.-Получены инженерные формулы для оценки дисперсии первого порядка-.00В по результатам экспериментальных-исследований; - " 5. Предложена аппроксимация зависимостей группового вре- -мени прохождения основной моды, изменения фазы "сигналов, длины линии задержки и других характеристик от-длины волны с использованием метода ортогонализации Шмидта/.
Реализация в нар "о дном хозяйстве. "Результаты теоретических и-экспериментальных исследований дисперсионных'характеристкк 00В использованы при оценке дисперсии первого порядка одномодовых волокон, определении длины волны отсечки.и диаметра кодового пятна, обеспечении входного контроля заготовок при производстве волокон. Материалы, представленные в диссертационной работе, использованы при разработкг ТУ на оптические волокна (ТУ 16-705.452-86) в ОКБ КП, в опытно-
конструкторских работах по созданию новых типов одномодовых оптических волокон во ВНИИ КП. Материалы, подтверждающие внедрение результатов, приведены в приложении.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Метод расчета хроматической дисперсии регулярных ООВ, учитывающий материальную и профильную дисперсии всех слоев рассматриваемых волокон, а также их волноводную дисперсию.
-
Алгоритмы и программы разработанного метода расчета дисперсионных характеристик многослойных ООВ с произвольным профилем показателя преломления.
-
Аналитические выражения для инженерных расчетов дисперсии первого порядка регулярного трехслойного одномодового оптического волокна.
-
Формулы, описывающие дисперсионные свойства нерегулярных ООВ с различными функциями распределения нерегулярностей геометрической структуры по длине.
-
Алгоритм оптимальной стыковки строительных длин ОК, позволяющий минимизировать суммарную дисперсию на волоконно-оптической линии связи.
Апробация работы. Основные результаты иссле
дований, изложенных в диссертационной работе, докладывались и
обсуждались на XLII, XLIII и ХІ.У Всесоюзной'научной сессии, пос
вященной Дню радио (Москва, 1987,, 1988, 1990); Всесоюзной науч
но-технической конференции "Физические проблемы оптической свя
зи" (Севастополь, 1990); научно-техничесних конференциях профес
сорско-преподавательского' состава, сотрудников и аспирантов МИС
(І987-1990); на заседаниях кафедры "Линии связи" Московского ор
дена Трудового Красного Знамени института связи (Москва, 1987-
1900). й
Пу блик а".ц-и-й. Основные результаты "диссертации rr-.r.c-' кены'в 9 печатных"работах (6 из них в соавторстве).
Структура 'побьем диссертации. 'Диссертационная работа состоит из введения, .четырех глав ;: заключения,"иэложенных-на 107 страницах'машинописного тексте, .. содержит 29 рисунков, а также приложения."Список литературы . включает-119 наименований.