diplom (664384), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Стянутая в точку магистраль

Рис. 2.2. Структура сети со стянутой в точку магистралью
В рабочих группах, располагающихся в цехах по территории предприятия допустимо использование концентраторов, так как в основном все рабочие станции будут работать с выделенными серверами, которые находятся в административном здании, и не будет необходимости локализовывать трафик между станциями рабочих групп.
1.6.Выбор оборудования для проекта
Выбор оборудования производится согласно таблицам 2.2 и 2.3. Итак, нам необходимо выбрать коммутатор для административного здания, два коммутатора для Гофрцеха 2 и Материального склада, и, 2 концентратора для Гофрцеха 1 и Печатного цеха. Также необходимо выбрать сетевые адаптеры для подключения рабочих станций и серверов.
1.6.1.Коммутатор для Административного здания
Должен соответствовать следующим требованиям:
-
обеспечение сопряжения с концентратором существующей сети со скоростью передачи 10 Мбит/сек;
-
наличие как минимум 2 портов Fast Ethernet для подключения серверов;
-
наличие как минимум 4 портов 100Base-FX для подключения сегментов рабочих групп;
-
высокое быстродействие внутренней шины.
Данным требованиям соответствует несколько моделей коммутаторов фирмы Hewlett-Packard: HP ProCurve Switch 1600M и HP AdvanceStack Switch 800T. Технические характеристики моделей коммутаторов приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4. Технические характеристики коммутаторов
Характеристика | HP ProCurve Switch 1600M | HP AdvanceStack Switch 800T |
Порты |
|
|
Модули |
|
|
Память и процессор |
|
|
Производитель-ность |
|
|
Управление |
|
|
Габариты | 44.2 x 33.5 x 6.6 см | 44.2 x 30.0 x 6.6 см |
Масса | 4.5 кг | 4.5 кг |
При сравнительном анализе характеристик данных коммутаторов видно, что коммутатор HP ProCurve Switch 1600M имеет большую производительность и для него имеется существенно больший набор модулей. Также следует отметить, что данный коммутатор имеет 16 портов с автоопределением скорости 10/100TX, которые могут быть необходимы для расширения сети, подключения новых пользователей и рабочих групп, подключения серверов и сопряжения с уже существующей 10 мегабитной сетью.
Данный коммутатор также имеет ряд дополнительных функций – это использование различных классов сервиса (class-of-service) и поддержка виртуальных сетей VLAN.
Рисунок 2.3. HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM (HP J3234A)
Class-of-Service
Эта функция позволяет администратору назначить различным типам кадров различные приоритеты их обработки. При этом коммутатор поддерживает несколько очередей необработанных кадров и может быть сконфигурирован, например, так, что он передает один низкоприоритетный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов. Это свойство может особенно пригодиться на низкоскоростных линиях и при наличии приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам. Так как не все протоколы канального уровня поддерживают поле приоритета кадра, например, у кадров Ethernet оно отсутствует, то коммутатор должен использовать какой-либо дополнительный механизм для связывания кадра с его приоритетом. Наиболее распространенный способ - приписывание приоритета портам коммутатора. При этом способе коммутатор помещает кадр в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того, через какой порт поступил кадр в коммутатор. Способ несложный, но недостаточно гибкий - если к порту коммутатора подключен не отдельный узел, а сегмент, то все узлы сегмента получают одинаковый приоритет. Более гибким является назначение приоритетов МАС-адресам узлов, но этот способ требует выполнения большого объема ручной работы администратором.
VLAN
Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, то есть только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра. Виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain), по аналогии с доменом коллизий, который образуется повторителями сетей Ethernet.
При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в сети портов коммутатора. Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов. Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети - все равно трафик этих узлов будет общим.
Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы - достаточно каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным виртуальным сетям. Обычно такая операция выполняется путем перетаскивания мышью графических символов портов на графические символы сетей.
На основании вышесказанного выбираем коммутатор HP ProCurve Switch 1600M в качестве коммутатора для Административного здания (Рис.2.3). Для подключения к коммутатору рабочих групп цехов используем модуль HP ProCurve Switch 100Base-FX Module (4 порта) (Рис. 2.4).
Рисунок 2.4. Модуль HP ProCurve Switch 100Base-FX Module (4 порта) (J4112A).
1.6.2.Коммутаторы для Гофрцеха 2 и Материального склада
Согласно таблице ХХХ мы не можем осуществить соединение между Административным зданием с одной стороны и Гофрцехом 2 и Материальным складом с другой стороны по полудуплексному каналу, так как из-за конечного времени распространения сигнала по кабелю, кадры будут теряться (см. стр. 37).
Для гарантированной доставки кадров Fast Ethernet необходимо использовать полнодуплексное соединение (см. стр. 41). Как было сказано выше, в рабочих группах цехов допустимо использование концентраторов. Компания Hewlett-Packard предлагает недорогую замену коммутатора рабочей группы (в нашем случае без него можно обойтись, практически не уменьшая пропускной способности сети) концентратором HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TX с одним коммутируемым слотом для модулей 100Base-TX и 100Base-FX. Данный концентратор также имеет 12 RJ-45 портов (Рис. ХХХ).
Основные характеристики HP 100Base-T Hub-12TX
-
наличие jabber-функции, позволяющей блокировать передачу сигналов из перегруженных портов концентратора во все остальные порты;
-
позволяет объединять в стек до 5 концентраторов;
-
общая пропускная способность до 500 Мбит/сек;
-
расширенная панель отображения состояния сети, конфигураций устройств;
-
самодиагностика;
-
поддержка SNMP.
Рисунок 2.5. HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM (HP J3234A)
Характеристики порта для подключения HP AdvanceStack 10/100TX и 100FX коммутирующих модулей
-
один слот расширения поддерживает установку коммутирующих модулей для соединения с 10Base-T, 100Base-TX или 100Base-FX интерфеисами;
-
адаптивный выбор технологии коммутации между коммутацией с буферизацией и без буферизации на основе анализа ошибок контрольных сумм кадров;
-
два способа передачи: полный дуплекс или полдуплекс;
-
автоопределение способа передачи для полного дуплекса и полдуплекса (если та же характеристика поддерживается присоединенным устройством);
-
автоматически узнает адреса MAC, чтобы сформировать базу данных для маршрутизации;
-
автоматически фильтрует локальный трафик;
-
наличие функции обратного давления.
Технология коммутации
Коммутирующие модули, которые подключаются в слот расширения на внешней стороне панели AdvanceStack Hub-12TX, используют продвинутую коммутационную технологию для обеспечения высокоскоростного соединения сетей. Каждый коммутирующий модуль выступает в качестве двухпортового моста Ethernet. Модуль определяет адрес назначения из заголовка пакета, ищет адрес назначения в таблице маршрутизации, предусмотренной для исходящего порта и пересылает пакет только если необходимо, часто до полного его получения. Модуль сохраняет соответствие адресов и меток сегментов для каждого входящего и исходящего пакета в таблице маршрутизации. Эта информация впоследствии используется для фильтрации пакетов, чьи адреса назначения находятся в том же сегменте, что и адрес источника. Таким образом, локализуется сетевой трафик, уменьшая общую загрузку в сети.
Для соединения концентратора с входящим оптическим кабелем необходим коммутирующий модуль HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module (J3248A) (Рис. 2.6).
Рисунок 2.6. Модуль HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module (J3248A)
1.6.3.Концентраторы для Гофрцеха 1 и Печатного цеха
Для подключения рабочих групп этих цехов берем также концентраторы HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM (HP J3234A) и коммутирующие модули к ним HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module (J3248A).
1.6.4.Сетевые адаптеры для серверов
Сегодня все чаще и чаще возникают повышенные требование к пропускной способности каналов между клиентами сети и серверами. Это происходит по разным причинам:
-
повышение производительности клиентских компьютеров;
-
увеличение числа пользователей в сети;
-
появление приложений, работающих с мультимедийной информацией, которая хранится в файлах очень
-
больших размеров;
-
увеличение числа сервисов, работающих в реальном масштабе времени.
Следовательно, имеется потребность в экономичном решении, предоставляющем нужную пропускную способность во всех перечисленных случаях. Ситуация усложняется еще и тем, что нужны различные технологические решения - для организации магистралей сети и подключения серверов одни, а для подключения настольных клиентов - другие.
В проектируемой сети предполагается установить два файловых сервера. В основном все рабочие станции будут работать с ресурсами серверов, следовательно, в этом случае появляется потенциальное узкое место в сети, а конкретно – порт коммутатора для подключения сервера. Так как все сегменты новых рабочих групп будут подключаться на скорости 100 Мбит/сек, и сервера подключаются тоже на этой скорости, то все рабочие группы будут делить между собой полосу пропускания в 100 Мбит/сек. В зависимости от создаваемого ими трафика, время ожидания отклика серверов может варьироваться в значительных пределах. Расширить полосу пропускания между сервером и коммутатором, можно несколькими способами: либо используя коммутатор с одним высокоскоростным гигабитным портом для подключения сервера и несколькими портами на 100 Мбит/сек для подключения рабочих станций и групп, либо используя для подключения сервера специальных двухканальных полнодуплексных сетевых карт. Второе решение представляется более экономичным. Альтернативным решением данной проблемы может являться установка еще одного сервера, но данное решение я рассматривать не буду.
Компания SMC предлагает комплекс “TigerArray2” на базе двухканального сетевого адаптера EtherPower 10/100 (SMC9334BDT/SC).
TigerArray2 является мощной комбинацией аппаратного и програмного обеспечения, созданной специально для решения проблем, связанных с высоким уровнем сетевого трафика на серверах, повышает устойчивость и надежность сети. Аппаратная часть комплекта TigerArray2 содержит двухканальную сетевую плату EtherPower 10/100 PCI. Данный адаптер сочетает в себе функциональность двух отдельных плат, занимая всего один слот. Однако настоящим преимуществом этого комплекта является програмный TigerArray2 драйвер для распределения нагрузки. Этот промежуточный NT драйвер объединяет оба канала в единую "виртуальную" плату. Програмное обеспечение в этом случае распределяет общую нагрузку на оба канала, эффективно удваивая пропускную способность сетевого подключения на сервере.
Свойства/преимущества
Высокая производительность
-
Распределение нагрузки сетевого трафика
-
Двухканальный режим удваивает пропускную способность сети, используя один слот PCI
-
Низкий коэфицент использования ЦП
-
Дуплексный режим на обеих скоростях передачи данных
-
32-битный режим bus-master
Высокая пропускная способность
-
Дуплексное 400 Мбит/с соединение сервера с коммутатором исключает "узкие места" и максимизирует производительность
Отказоустойчивость
-
Динамичное восстановление после сбоя на обеих каналах для исключения потери данных
-
Автоматическое определение и оповещение по SNMP об ошибках в каналах связи, платах и кабельной проводке
-
Резервирование тракта данных и сетевых портов
Простота установки и использования
-
Auto Negotiation
-
Утилита диагностики сетевых плат EZDiag упрощает мониторинг и отладку
Универсальность
-
Позволяет исползовать несколько TigerArray2 в одном сервере
-
Регилирует трафик IP, IPX, NetBEUI
-
Экономия одного слота расширения
Надежность
-
Пожизненная гарантия
-
Бесплатная техническая поддержка
Оценим, хватит ли пропускной способности данного решения для обеспечения высокой производительности работы сети. Итак, в сети имеется 2 сервера и 4 рабочих группы, каждая из которых подключена к коммутатору по полнодуплексному соединению 100 Мбит/сек. Если на каждый сервер поставить TigerArray2, то суммарная пропускная способность тракта “коммутатор – сервера” будет составлять 400 Мбит/сек при полнодуплексном соединении. А все четыре сегмента рабочих групп могут создать общий трафик тоже соответственно 400 Мбит/сек при полнодуплексном соединении. Но учитывая то, что вероятность одновременного обращения клиентов разных рабочих групп к серверам не очень велика, данного решения вполне достаточно для обеспечения высокой пропускной способности сети.
На основании вышесказанного выбираем для серверов сетевые адаптеры SMC TigerArray2.
1.6.5.Сетевые адаптеры для рабочих станций
Основные требования к сетевым адаптерам рабочих станций:
-
Высокая производительность
-
Универсальность
-
Гибкость конфигурации
-
Дополнительные возможности
Адаптеры Fast Ethernet обеспечивают различным приложениям (графика, multimedia, Windows-программы) высокую производительность сети при малой загрузке процессора. Адаптеры для шины PCI поддерживают полнодуплексный режим (Full Duplex Fast Ethernet - FDFE), позволяющий вдвое повысить производительность сети. FDFE управляется программными средствами и не требует установки каких-либо переключателей или перемычек. Комбинированные адаптеры TX и T4 обеспечивают возможность подключения к сети через разъем BNC (10 Мбит/сек) или RJ-45. Вы можете включить сегодня адаптер в старую сеть на базе коаксиального кабеля с тем, чтобы завтра перейти к использованию технологии Fast Ethernet. Режим AutoSense во всех адаптерах 10/100 Mbps позволяет автоматически устанавливать максимальную для используемого оборудования скорость обмена. Вам не потребуется конфигурировать адаптер вручную, адаптеры автоматически установят скорость и режим даже при работе с устройствами, не поддерживающими спецификации о согласование скорости. Независимо от выбранной Вами модели инсталляция адаптера не составит труда. Все адаптеры PCI поддерживают автоматическую установку параметров с помощью PCI BIOS. Адаптеры EISA поставляются с конфигурационными файлами и поддерживают конфигурационные утилиты EISA. Модели с шиной ISA поддерживают технологию Plug-and-Play.
Для рабочих станций выбираем адаптер HP 10BT/100TX NightDIRECTOR/100 Ethernet Card (D3999A) который имеет следующие технические характеристики:
-
вставляется в стандартный PCI слот;
-
имеет один порт 10/100TX, поддерживающий удаленное включение и активизацию компьютера после засыпания (Remote Power On (RPO), Remote Wake Up (RWU));
-
имеет один разъем для Flash-памяти, которая обеспечивает проверку на вирусы;
-
режим Full-Duplex;
-
чипсет AMD PCnet-FAST Chip.
1.7.Выбор кабельной системы для проекта
Чтобы построить любую сеть, необходимо знать ограничения и возможности каждого типа кабелей, применяющихся в сетевой инфраструктуре. На тип применяемого кабеля существенное влияние оказывает характеристики передаваемой информации, важнейшей из которых является скорость передачи.
Так для 100Base-TX сетей, нужно использовать кабель 5 Категории или лучший. Длина сегмента от конечного устройства до концентратора - 100 метров для витой пары. При выборе кабельной инфраструктуры могут возникнуть особые ситуации:
-
требуется большие длины непрерывного кабеля
-
необходима защита от помех
-
необходима внешняя прокладка кабеля
Большие длины
Номинальная максимальная длина кабеля витой пары - 100 метров. Номинал указывает, что фактическая, максимальная длина может изменяться от изготовителя к изготовителю. Можно узнать характеристики у вашего кабельного поставщика, чтобы найти фактическую максимальную длину для кабеля. Если нужно более длинный кабель, чем 100 метров, есть два решения: одно, использующее кабель витую пару и одно использующее волоконно-оптический кабель. Можно получить кабельные длины вплоть до 225 метров с витой парой, и вплоть до 2000 метров с волоконно-оптическим кабелем. Для того, чтобы увеличить максимальную длину витой пары, применяются трансиверы, которые имеют функцию удлинения номинальной длины (Рис. 2.7)
Рисунок 2.7. Использование трансиверов для витой пары.
При использовании волоконно-оптического кабеля необходимы оптоволоконные трансиверы. Если кабель подключен между устройствами, которые формируют границы LAN (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы), то расстояние в 2000 метров соответствует стандарту Fast Ethernet на задержку. В принципе можно подключить даже небольшую рабочую группу к другому концу кабеля, при условии, что один из концив является устройством, формирующим границу сети (мосты, коммутаторы, маршрутизаторы) – то есть коллизионный домен (Рис.2.8).
Рисунок 2.8. Использование коммутатора для удлинения ВОК
Защита от помех
Поскольку волоконно-оптический кабель использует оптический, а не электрический сигналы, волоконно-оптический кабель устойчив от воздействия электромагнитных помех. Если нужно сделать сеть, в которой будут присутствовать соединения через области высоких электромагнитных помех, то рекомендуется использование волоконно-оптической направляющей системы, которая обеспечит устойчивость против помех.
Кабель для внешней прокладки
Для прокладки кабеля на открытом воздухе между строениями единственный кабель, который рекомендуется использовать - волоконно-оптический. Поскольку у волоконно-оптического кабеля - оптическая, а не электрическая середина, он устойчив от ударов молний. Внешний волоконно-оптический кабель должен прокладываться так, чтобы предохранить его от физического повреждения.
Выбор кабельных компонентов
В нашем случае для соединения Административного здания с цехами требуется оптический кабель. Выбираем ОКП-62,5-02-0,7-4. Это кабель оптический подвесной, отечественного производства, укомплектованый оптическими волокнами компании Corning. Кабель имеет 4 многомодовых 62,5/125 волокна, предназначенный для наружной прокладки. Для каждого соединения нам требуется два волокна, – следовательно, остальные два могут быть использованы в качестве резерва на случай расширения сети или при повреждении других волокон.
Для организации ввода оптического кабеля в здание необходимы оптические распределительные коробки. Выбираем для Административного здания коробку, рассчитанную на 16 SC портов (по числу входящих оптических волокон) фирмы FOCI, имеющую сплайс-пластину и дверь с замком. Для цехов выбираем распределительные коробки расчитанные на 8 SC портов, предлагаемые фирмой Vimcom-Optic. Для соединения активного оборудования с оптическими коробками необходимы сдвоенные соединительные оптические шнуры с SC коннекторами. Выбираем предлагаемый фирмой Vimcom-Optic DPC-M-3-SC/SC сдвоенный патч-корд SC, рассчитанный на мнгогомодовое волокно, длиной 3 метра.
Поскольку кабельная система закладывается на 10-15 лет, невозможно точно распланировать схему размещения персонала по рабочим местам и определить типы оборудования для каждого рабочего места. Поэтому, в предлагаемые проектные решения закладываются соединения только 4-х парным кабелем категории 5. Это дает возможность перевода любой точки подключения (розетки) из категории передачи голоса в категорию передачи данных и наоборот.
Для подключения рабочих станций к концентраторам используем кабель категории 5 компании AMP. Кабель содержит 4 экранированых витых пары, заключенных в поливинилхлоридную оболочку и упакован в коробку (305 метров). одножильный, 4-парный, 100 0м, диаметр проводника -0,51 мм (0,0201" или 24 AWG). Общий экран является дополнением к основной конструкции. Внешний диаметр кабеля не более 6,35мм (0,25 "). Имеет 15-летнюю гарантию производителя.
Активное оборудование должно быть защищено от внешнего воздействия, для чего необходимы телекоммуникационные шкафы. Выберем настенный шкаф компании Rittal серии EL2243.600 - 3ВЕ с габаритами 600*212*415 миллиметров, со стеклянной дверцей, 3-секционный.
В коммуникационных центрах формируется коммутационное поле из двухрядных панелей. К портам нижнего ряда задней стороны панелей подключается коммуникационное оборудование активное сетевое оборудование. К портам верхнего ряда задней стороны панелей подключается система кабелей горизонтальной разводки. Соединение конкретной розетки с конкретным портом оборудования осуществляется на “чистом” коммутационном поле на фронтальной стороне панели коммутационными перемычками. Применение двухрядной панели вызвано:
-
необходимостью защиты оборудования и горизонтальной кабельной системы от действий персонала, работающего в коммуникационном центре;
-
удобством проведения перекоммутаций только на легкодоступной лицевой поверхности панелей;
-
удобством работы не с жесткими горизонтальными кабелями, а с гибкими коммутационными перемычками.
Заделка кабелей на тыльной части панели производится в жесткое соединение типа “110” или “Krone”, что увеличивает его надежность. В подобной схеме легко осуществляема реализация соединения любого порта оборудования с любой розеткой.
Выбираем патч-панель компании Siemon: HD5-16T4-CK Патч-панель 16-ти портовая (T568A) 5-й категории.
Таблица 2.5. Список необходимого оборудования
Код | Название | Количество |
J4120A | HP ProCurve Switch 1600M (16 ports/1slot) | 1 |
J4112A | HP ProCurve Switch 100Base-FX Module (4 ports) | 1 |
J3233B | HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM | 4 |
J3248A | HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module | 4 |
SMC9334BDT/SC | TigerArray, 1 card, 2*RJ-45, Software | 2 |
D6692A | HP 10/100Base-TX NightDirector/100 card | 16 |
ОКП-62,5-02-0,7-4 | Кабель оптический подвесной mm 4х62,5/125 | 2000 |
PT-M-1-SC/NC | Pig Tail SC mm, 1m | 36 |
DPC-M-3-SC/SC | Dual Patch-cord SC mm, 3 м | 10 |
EL2243.600 | Rittal Шкаф 3ВЕ-600*212*415 стекл. дв., 3-секц. | 5 |
HD5-16T4-CK | Патч-панель 16-ти портовая (T568A) 5-й категории (шт.) | 5 |
0-0057819-2 | FTP, Cat. 5, 4 pair, solid, 100MHz, PVC, for 15-years AMP Warr., box (305m) | 2 |
MMT0 | (MINI TRUNKING) Короб 16 x 10mm (1м) Стандартная длина - 2,92м | 200 |
MMT2 | (MINI TRUNKING) Короб 25 x 16mm (1м) Стандартная длина - 2,92м | 200 |
CT-5F-T4-(XX) | Розетка CT-серии 5-й категории RJ45 (T568A) белый, в полной комп. (шт.) | 16 |
MB5008SC | Распределительная коробка металл. до 8 портов SC | 4 |
D-WP-B-016 | Распределительная коробка FOCI, 16 портов ST/FC/SC сплайс, дверь с замком | 1 |
-
Методика прокладки и монтажа кабеля, используемого в проектируемой ЛВС
В данной работе проектируется территориально распределенная сеть, связывающая несколько зданий. Строительство подвесных волоконно-оптических линий связи - современная альтернатива коллекторным, траншейным и прочим "подземным" оптическим трактам.
Основные отличия от традиционных (коллекторных):
-
минимум в 1.5 раза более низкая стоимость;
-
низкая стоимость обслуживания (в разы);
-
высокая скорость восстановления серьезных разрушений;
Для правильной прокладки оптического кабеля необходимо выполнить ряд действий:
Разработка подготовительных мероприятий. В процессе подготовки к строительству изучается проектная документация и трасса линии в натуре. При этом особое внимание обращают на места ввода кабеля в здание, прокладку кабеля по воздушным опорам и стенам зданий.
Проект производства работ. По результатам изучения проектной документации и ознакомлением с трассой линии составляется проект производства работ, который содержит сетевой график с указанием сроков и последовательности выполнения отдельных видов работ.
Подготовка кабеля к прокладке и испытания. Все строительные длины кабеля перед прокладкой подвергаются полной или частичной проверке. Кабели, поступившие к месту прокладки с внешними дефектами, такими как: вмятины, пережимы, обломанные концы, - подвергаются полной проверке. При полной проверке производится: внешний осмотр барабанов, проверка целостности оптических волокон путем просветки электрическим фонарем, испытания на герметичность оболочки, измерение затухания оптических волокон. Изготавливаемые в настоящее время оптические кабели имеют на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм средние значения затухания 0,3…1 дБ/км и дисперсии 0,1…0,3 нс/км*нм для градиентных волокон. В реальных оптических волокнах отклонения этих параметров увеличиваются из-за воздействия множества случайных факторов, к которым относятся: неоднородности в конструкции волокна; сторонние примеси в материале сердцевины и оболочки; отклонение профиля показателя преломления от оптимального; флуктуации микроизгибов волокон в процессе их укладки в оптический кабель и прокладки; неоднородности, возникающие в местах соединения волокон. В результате параметры передачи реальных волокон содержат случайные составляющие, абсолютные значения которых обычно невелики, но их относительные отклонения от средних значений ввиду малости последних могут иметь большие значения. Большие относительные колебания дисперсии градиентных волокон обусловлены в основном отклонениями профиля показателя преломления от оптимального. Случайные относительные колебания затухания от средних значений на строительных длинах составляют 30…50%. Отклонения дисперсии могут достигать 50…80%.
Прокладка кабеля по стенам зданий и подвеска на опорах. При монтаже территориально распределенных сетей, связывающих несколько зданий, приходится прокладывать кабель по стенам зданий – следовательно необходимо защитить кабель от механических повреждений стальным угловым профилем или желобом на высоте до 3 метров от поверхности земли. Если кабель прокладывается по стенам зданий, имеющих карнизы или другие выступающие части, стараются проложить кабель под ними, чтобы защитить его от механических повреждений, возможных при сбрасывании с крыши льда и снега. Способ крепления на опоре подвесного самонесущего кабеля приведен на рис. 3.1.
Муфта
Рис.3.1. Крепление самонесущего кабеля
Особенности прокладки ОК обусловлены меньшими допустимыми значениями тяговых усилий, радиусов изгибов ОК, снижением габаритных размеров и массы ОК по сравнению с аналогичными значениями этих величин для обычных электрических кабелей (табл. 3.1).
Таблица 3.1. Сравнение монтажных параметров кабелей
Параметр | Значение параметра кабеля | |
оптического | электрического | |
Допустимое тяговое усилие, Н | 600…1200 | 500…30000 |
Минимально допустимый радиус изгиба, см | 20…30 | 10…80 |
Диаметр кабеля, мм | 10…15 | 10…80 |
Масса кабеля, кг/км | 80…160 | 95…6400 |
Строительная длина кабеля, м | 500…2000 | 260…500 |
Монтаж оптических кабелей. Монтаж ОК является наиболее ответственной операцией, предопределяющей качество и дальность связи по оптическим кабельным линиям. Соединение волокон производится как в процессе производства, так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий. При монтаже ОК должны быть обеспечены: высокая влагоустойчивость сростка, надежные механические характеристики на разрыв и смятие, и стабильность характеристик сростка при длительной эксплуатации.
Соединение волокон механическим сплайсом (МС). МС – это прецизионное, простое в использовании, недорогое устройство для быстрой стыковки обнаженных многомодовых и одномодовых волокон в покрытии с диаметром 250 мкм – 1 мм посредством специальных механических зажимов. Стеклянный капилляр, заполненный иммерсионным гелем, обеспечивает вносимые потери < 0,2 дБ и обратные потери <-50 дБ. По надежности и вносимым потерям МС уступает сварному соединению.
Сварное соединение волокон. Сварка оптических волокон основана на их точном центрировании, после чего волокна свариваются друг с другом при помощи дугового разряда между электродами. Центрирование волокон представляет из себя либо автоматическое центрирование, либо центрирование в V-образном пазу. Наиболее распространенный метод автоматического центрирования основан на так называемой системе PAS, когда место сращивания волокон освещается сбоку при помощи зеркал с двух сторон. При этом на экране, находящемся на противоположной стороне от места сращивания, появляется изображение, определяемое профилем показателя преломления оптического волокна, по которому можно определить положение сердцевины. Более простой в использовании метод центрирования в V-образном пазу (V-groove) требует высокого качества геометрии волокна для обеспечения приемлемых характеристик сварного соединения, рис. 3.2.
Рис. 3.2. Влияние геометрии волокна при сварке методом V-groove.
Три геометрические характеристики волокна влияют на качество сварки методом V-groove:
-
разброс значений диаметров оболочки волокна;
-
концентричность сердцевина/оболочка;
-
неоднородности оболочки волокна – утолщения или полости.
Неоднородность оболочки обычно проявляется реже и только на определенных участках волокна. Влияние этого фактора меньше, чем для двух предыдущих, для волокон ведущих фирм-производителей.
После сварки оголенное волокно должно быть механически защищено, для чего чаще всего используют термоусаживающиеся защитные гильзы. Термоусадка этих гильз происходит в предназначенной для этой цели специальной печи, которая, как правило, является одним из узлов сварочного аппарата. Сварка создает неразрывное соединение и поэтому обеспечивает наилучшие характеристики по вносимым обратным потерям по сравнению с разъемным соединением или механическим сплайсом.
Преимущества сварного соединения:
-
непрерывное соединение
-
меньшие вносимые потери
-
меньшие обратные потери
-
легче достигается герметичность
-
менее дорогое в расчете на одно соединение
-
более компактное в расчете на одно соединение
Терминирование ОК. Терминированием называется оконцовывание волокон ОК оптическими коннекторами и последующее подключение оконцованных волокон к переходным розеткам, закрепленным на оптической распределительной коробке/панели, для обеспечения дальнейшей связи с сетевым оборудованием через оптические соединительные шнуры. В здание может заходить несколько линейных ОК. Оптический узел является тем центром, где осуществляется сопряжение волокон внешних и внутренних ОК. Основные требования, которые предъявляются к оптическому узлу – его надежность и гибкость. В данной сети рекомендуется использовать оптические распределительные коробки (ОРК). ОРК предназначены для крепления на стену и выполняют функцию терминирования волокон внешнего ОК требуемым типом оптических соединительных розеток, рис.3.3. Они могут устанавливаться в тех случаях, когда не требуется сложная коммутация, например, на удаленном сетевом узле или в центральном узле с небольшой концентрацией волокон. Как правило, ОРК используются при построении волоконно-оптических магистралей локальных сетей предприятий. По способу терминирования волокон ОРК относятся к терминированию через сварку с pig-tail-ами. При монтаже ОРК происходит сварка оптических волокон предварительно разделанного внешнего кабеля с волокнами pig-tail-ов. Места сварки защищаются термоусаживающимися защитными гильзами, которые крепятся в специальное гнездо. Pig-tail с внутренней стороны подключается к переходной розетке, установленной в боковой панели ОРК. Излишки волокон внешнего кабеля и pig-tail-ов укладываются в сплайс-пластины. Запас волокон в пластине должен составлять 0,8…1 м с каждой стороны кабеля. Pig-tail-ы заготавливаются заранее с типом коннектора, соответствующим типу переходных розеток. Оптические распределительные шнуры подключаются к соединительным розеткам с наружной стороны коробок.
1 – внешний ВОК
2 – гермоввод для крепления кабеля
3 – разделанные волокна ВОК
4 – корпус
5 – сплайс-пластина
6 – место для крепления на стену
7 - комплект для защиты сварки
8 – место сварки
9 – волокно pig-tail-а
10 – коннектор pig-tail-a
11 – оптическая переходная розетка
Рис.3.3. Схема разделки оптических волокон внутри ОРК
-
Методика расчета основных параметров оптического кабеля
Геометрические параметры кабеля
Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, - это относительная разность показателей преломления :
Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. Распространение света по волокну можно объяснить на основе принципа полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса:
где n1 – показатель преломления среды 1, - угол падения, n2 – показатель преломления среды 2, - угол преломления.
Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого волокна, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n1 = const). Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1 > n2), то существует критический угол падения - внутренний угол падения на границу, при котором преломленный луч идет на границе двух сред (
). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:
Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения (луч 2), то при каждом внутреннем отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению.
Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия таких лучей не рассеивается наружу, они могут распространяться на большие расстояния.
Числовая апертура. Важным параметром, характеризующим волокно, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой:
Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна. Для волокна со ступенчатым профилем легко получить значение числовой апертуры, выраженное через показатели преломления:
Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры , значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим показателем преломления, формула ХХХ, определяется эффективная числовая апертура, которая равна
где - максимальное значение показателя преломления на оси.
Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как
где d - диаметр сердцевины волокна.
Номенклатура мод. При более строгом рассмотрении процесса распространения света по волокну следует решать волновые уравнения Максвелла. Именно в этой трактовке лучи ассоциируются с волнами, причем различные типы волн – решения уравнений – называются модами.
Сами моды обозначаются буквами E и/или H с двумя индексами n и m. Индекс n характеризует азимутальные свойства волны (число изменений поля по окружности), а m – радиальные (число изменений поля по диаметру). По оптическому волокну распространяются только два типа волн: симметричные (E0m и H0m), у которых только одна продольная составляющая, и несимметричные (смешанные) (Enm и Hnm), у которых две продольные составляющие.
При этом, если преобладает продольная составляющая электрического поля – Еz, то волна обозначается ЕНnm, а если преобладает продольная составляющая магнитного поля Нz, то волна называется , то волна называется НЕnm, Сопоставляя волновую теорию с геометрической оптикой, следует отметить, что симметричные моды Е0m и Н0m соответствуют меридиональным лучам, несимметричные моды Еnm и Нnm – косым лучам.
По волокну могут распространятся как только одна мода – одномодовый режим, так и много мод – многомодовый режим. Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Расчет на основе уравнений Максвелла позволяет найти простой критерий распространения одной моды: V2,405 (точное значение константы в правой части неравенства определяется первым нулем функции Бесселя I0(x)). Это гибридная мода НЕ11. Отметим, что нормированная частота явно зависит от длины волны света. В табл. 4.1 приведены значения нормированной частоты, вычесленные по формуле (4-7).
Как видно из табл. (4.1), в одномодовом ступенчатом волокне при длине волны света 1550 нм выполняется критерий (4-8), и поэтому распространяется только одна мода. При длине волны 1310 нм критерий не выполнен, что означает возможность распространения нескольких мод в одномодовом волокне на этой длине волны. На практике, однако, волокно помещается в кабель, который, будучи проложенным, имеет множество изгибов. Особенно велики искривления волокна в сплайс-боксах. Искривления волокна приводит к быстрому затуханию неосновных мод. Во всех остальных случаях наблюдается многомодовый характер распространения света. Отметим, что при длине волны 850 нм критерий (4-8) нарушается для всех типов волокон. Таким образом, если вводить излучение длинной волны 850 нм в одномодовое волокно, то иметь место будет многомодовый режим распространения света. Противоречия здесь нет. Дело в том, что ступенчатое одномодовое волокно 8/125 предназначено для использования в спектральных окрестностях двух длин волн: 1310 нм и 1550 нм, где оно в истинном смысле проявляет себя как одномодовое.
Таблица (4.1). Значения основных оптических параметров волокон и нормированной частоты V для различных длин волн.
№№ | Оптическое волокно | (нм) | |||||
Название и диаметр | ∆ (%) | n1 | A | 1550 | 1310 | 850 | |
1 | step MMF 200/240 | - | - | 0,39* | V=158,09 | 187,06 | 288,29 |
2 | step MMF 100/140 | - | - | 0,29* | 58,77 | 69,54 | 107,18 |
3 | grad MMF 62,5/125 | 2,1** | 1,47** | 0,28* | 35,46 | 41,96 | 64,67 |
4 | grad MMF 50/125 | 1,25** | 1,46** | 0,20* | 20,26 | 23,98 | 36,95 |
5 | step SMF (SF) 8,3/125 | 0,36** | 1,468** | 0,13* | 2,187 | 2,588 | 3,990 |
Обозначения: step MMF (multi mode fiber) – ступенчатое многомодовое волокно;
step SMF (single mode fiber) – ступенчатое одномодовое волокно;
grad MMF – градиентное многомодовое волокно;
-
- параметры волокон
** - параметры волокон, производимых фирмой Corning
Количество мод. Если при V2,405 может распространятся только одна мода, то с ростом v количество мод начинает резко расти, причем новые типы мод «включаются» при переходе v через определенные критические значения, табл. 4.2
Таблица 4.2. Номенклатура мод низких порядков.
Нормированная частота V | Числомод Nm | Тип мод |
0-2б405 | 1 | НЕ11 – основная мода (единственно допустимая для одномодового волокна |
2,405-3,832 | 4 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21 |
3,832-5,136 | 7 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31 |
5,136-5,52 | 9 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41 |
5,52-6,38 | 12 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22 |
6,38-7,02 | 14 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51 |
7,02-7,59 | 17 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51, НЕ13, ЕН12, НЕ31 |
7,59-8,42 | 19 | НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51, НЕ13, ЕН12, НЕ31, ЕН41, НЕ61 |
При больших значениях V количество мод Nm для ступенчатого волокна можно оценить по формуле:
Значение этого выражения может быть как целым, так и дробным. В действительности же число мод может быть только целым и составлять величину от одной до нескольких тысяч.
Количество мод для градиентного оптического волокна с параболическим профилем сердцевины:
(a – радиус сердцевины, b – радиус оболочки) определяется так:
Длина волны отсечки (cutoff wavelength)
Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии – межмодовая дисперсия, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна.
Различают волоконную длину волны отсечки (CF) и кабельную длину волны отсечки (CСF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. На практике же волокно помещается в кабель, который при прокладке испытывает множество изгибов. Кроме этого, сильные искривления волокон происходят при их укладке в сплайс-боксах. Все это ведет к подавлению побочных мод и смещению CСF в сторону коротких длин волн по сравнению с CF. С практической точки зрения кабельная длина волны отсечки представляет большой интерес.
В олоконную длину волны отсечки можно оценить как теоритически, так и экспериментально. Теоритически легко это сделать для ступенчатого одномодового волокна – на основании выражений (4-7), (4-8) и (4-9) получаем CF=dNA/2,405=1,847dn1Δ .
CСF, в отличие от CF, можно оценить только экспериментальным образом. Одним из практических методов измерения длин волн отсечки CF и CСF является метод передаваемой мощности. Сравнивается измеренная переданная спектральная мощность в зависимости от длины волны для образца одномодового волокна длиной 2 м с аналогичным параметром, полученным на образце многомодового волокна. Строится кривая
где Аm – разница затуханий; Ps – мощность на выходе одномодового волокна; Pm – мощность на выходе многомодового волокна.
Многомодовое волокно является эталонным. При этом один и тот же источник излучения с перестраиваемой длиной волны используется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Строится кривая Am(λ), рис (4.1), длинноволновый участок которой экстраполируется кривой (1). Строится параллельная прямая (2), отстоящая ниже (1) на 0,1 дБ. Точка пересечения прямой (2) с кривой Am(λ) соответствует длине волны отсечки.
Рис.4.1. Определение длины волны отсечки.
Условия измерения должны соответствовать рекомендациям TIA/EIA и CCITT. Концы волокна очищаются от защитного покрытия, скалываются – угол скола не должен превышать 2. Диаметр светового пятна от источника излучения – 200 мкм; числовая апертура вводимого излучения 0,20; полная ширина спектра излучения 10 нм, измеренная на полумаксимуме; измеряемый диапазон длин волн от 1000 нм до 1600 нм с шагом 10 нм.
При измерении длины волны отсечки волокна CF образец волокна должен иметь длину 2 м и располагаться таким образом, чтобы образовывалась одна петля радиусом 140 мм, рис 4.2а. Не должно быть дополнительных изгибов волокна с радиусом, меньшим 140 мм. Экспериментально измеренная длина волны отсечки волокна близка к теоритическому значению, которое можно получить из критерия (4-7), если обратить его в равенство.
При измерении кабельной длины волны отсечки CСF тестируемый образец волокна должен иметь длину 22 м. Большая часть волокна свертывается и располагается на катушке с радиусом не меньше, чем 140 мм, что моделирует кабельные эффекты. Затем делается по одной петле диаметром 76 мм на расстоянии 1м от каждого конца волокна для моделирования эффекта изгиба волокна в сплайс-боксах, рис. 4.2б. И, наконец, в средней части делаются две дополнительные петли радиусом, меньшим 140 мм.
а)
б)
Рис.4.2. Размещение волокна.
а) при определении СF ; б) при определении CСF
Затухание.
Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.
На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглащении; потери на рассеянии; кабельные потери.
Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями, рис. 4.3.
Рис. 4.3. Основные типы потерь в волокне.
Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:
=int+rad=abs+sct+rad (4-12)
Потери на поглощении abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и ультракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примесей, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую енергию в виде джоулевого тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь, рис 2.7. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН- . Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.
Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 4.4.
Потери на рассеянии sct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999 %), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км . Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние света вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовлении волокна.
Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону -4 и сильней проявляются в области коротких длин волн, рис 4.4.
Рис.4.4. Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм
(по материалам фирмы Corning Optical Fiber)
Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.
Внутренние потери хорошо интерполируются формулой: ,.где ОН() отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно ( Кrel=0,8мкм4дБ/км; С=0,9дБ/км; k=0,7-0,9мкм; данные приведены для кварца). На рис 4.5. приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пик поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.
Рис. 4.5. Собственные потери в оптическом волокне.
Кабельные (радиационные потери) rad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.
Дисперсия и полоса пропускания.
По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме.
Дисперсия1 - уширение импульсов – имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле . Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:
-
различие скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией mod),
-
направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией w),
-
свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией mat).
Рис. 4.6. Виды дисперсии.
Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия определяется из формулы:
Межмодовая дисперсия.
Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне. Для ступенчатого многомодового волокна и градиентного многомодового волокна с параболическим профилем показателя преломления ее можно вычислить соответственно по формулам:
где Lс – длина межмодовой связи (для ступенчатого волокна порядка 5 км, для градиентного – порядка 10 км).
Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L>Lc наступает установившейся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.
Вследствие квадратичной зависимости от значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.
На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно воспользоваться формулой :
W=0,44/ (4-16)
Измеряется полоса пропускания в МГц км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W – это максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально.
Хроматическая дисперсия.
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:
где ведены коэффициенты М() и N() удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а (нм) – уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D()=М()+N(). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 131010 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация М() и В, а результирующая дисперсия D() обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии 0. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться 0 для данного конкретного волокна.
Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 для SF и DSF) делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне.
Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера: ()=А+В2+С-2. Коэффициенты А,В,С являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую (). Тогда удельная монохроматическая дисперсия вычисляется по формуле:
где 0=(С/В)1/4 – длина волны нулевой дисперсии, новый параметр S0=8B – наклон нулевой дисперсии (размерность пс/(нм2 км), а - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.
Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде ()=А+В+Сln, а соответствующая удельная дисперсия определяется как
со значениями параметров 0=е-(1+В/С) и S0=C/0, где - рабочая длина волны, 0 – длина волны нулевой дисперсии, и S0 – наклон нулевой дисперсии.
Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением chr()=D(), где - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии. В табл. 4.3. представлены дисперсионные свойства различных оптических волокон.
Табл. 4.3. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах.
Тип волокна | , нм | Межмодовая дисперсия, пс/км mod | Удельная хроматическая дисперсия, пс/(нм км) D() | Результирующая удельная полоса пропускания, МГц км, W=0,44/ | ||
=2 нм | =4 нм | =35 нм | ||||
MMF 50/125 | 850 | 4141) | 99,63) | 958 | 766 | 125 |
1310 | 414 | 1,0 | 1062 | 1062 | 1050 | |
1550 | 414 | 19,2 | 1058 | 1044 | 540 | |
MMF 62,5/125 | 850 | 9732) | 106,74) | 441 | 414 | 114 |
1310 | 973 | 4,2 | 452 | 452 | 450 | |
1550 | 973 | 17,3 | 451 | 450 | 384 | |
SF 8/125 | 1310 | 0 | <1,85) | >120000 | 61000 | 6900 |
1550 | 0 | 17,5 | 12600 | 6300 | 720 | |
DSF 8/125 | 1310 | 0 | 21,26) | 10400 | 5200 | 594 |
1550 | 0 | <1,7 | >120000 | 6500 | 7400 |
-
– на основе формулы (4-14), =0,013, n1=1,47
2) – на основе формулы (4-14), =0,02, n1=1,46
3) – на основе формулы (4-19), 0=12971316 нм, S00,101 пс/(нм2 км)
10>1>1>