555_Innovatsii_inauchno-tekhnicheskoe_tvorchestvo_molodezhi2014_

приводит к возникновению ложных сигналов, частоты таких сигналов могут попасть в рабочие полосы пропускания каналов.

Поскольку одним из основных параметров определения качества линии передачи является количество ошибок на линии (OSNR), стремятся уменьшить нелинейность среды. Однако ученые научились извлекать пользу из присутствия нелинейных эффектов: ВРМБ можно использовать для реализации режима ввода/вывода каналов, а ФКМ и четырехволновое смешение применяются в волновых конверторах для переноса полезного сигнала с одной несущей длины волны на другую, а ВКР и ВРМБ - в волоконных лазерах и усилителях. Поэтому необходимо направить силы на минимизацию влияния нелинейных эффектов с целью использования их для увеличения качества и скорости передачи информации.

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ НА РЕФЛЕКТОГРАММЕ

Куропятник М.К. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель – Елистратова И.Б., доцент СибГУТИ

При выборе оптического измерителя коэффициента отражения методом временных интервалов (optical time-domain reflectometer - OTDR) необходимо оценить величину отношения сигнал/шум в рефлектограмме. Отношение сигнал/шум выражается через мощность, рассеянную в точке z назад в рефлектометр Рс и эквивалентную шумовую мощность на входе фотоприемника Рш.

В конце рефлектограммы расчет величины отношения сигнал/шум существенно упрощается. На этом участке уровень засветки фотоприемника мал, и pш не зависит от pс. Действительно, сигнал в конце рефлектограммы превышает уровень шумов фотоприемника только за счет того, что происходит многократное усреднение сигнала. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум может достигать 30 дБ. Это значит, что вплоть до уровня, находящегося по шкале рефлектометра на 15дБ выше уровня В = 0 дБ, можно полагать, что pш не зависит от pс и равно значению, получаемому в отсутствие сигнала. В этом приближении отношение сигнал/шум будет изменяться пропорционально изменению величины pс. Поэтому, если предположить, что на вертикальной шкале рефлектометра положение нуля совпадает со среднеквадратичным значением шумов фотоприемника в отсутствие сигнала, то по ней можно отсчитывать величину отношения сигнал/шум в единицах дБ.

При оценке отношения сигнал/шум в конце рефлектограммы исходят из условия, что уровень засветки фотоприемника мал, и поэтому шумы фотоприемника не зависят от мощности излучения. Однако, в начале рефлектограммы уровень засветки фотоприемника уже нельзя полагать малым. На этом участке рефлектограммы преобладающими становятся шумы, вызванные флуктуациями мощности излучения. Эти флуктуации обусловлены,

101

в основном, двумя эффектами: когерентным рассеянием света в волокне и поляризационной анизотропией волокна и ответвителя.

В каждый момент времени на фотоприемник приходит волна, рассеянная с участка волокна, равного полуширине импульса света в волокне. Она представляет собой сумму волн, рассеянных в отдельных релеевских центрах (флуктуациях показателя преломления волокна). Причем, в зависимости от длины когерентности источника излучения, суммируются или амплитуды этих волн, или их мощности. Когда длина когерентности лазерного диода превышает ширину импульса света в волокне, то наблюдается эффект когерентного рассеяния света, и надо суммировать амплитуды волн. При когерентном рассеянии света суммарная амплитуда волны изменяется вдоль волокна случайным образом от своего максимального значения до нуля. В этом случае относительная флуктуация мощности рассеянной волны – порядка единицы, и рефлектограмма сильно зашумлена. Однако, длина когерентности лазерного диода, используемого в качестве источника излучения в OTDR (~1...10 мм), обычно заметно меньше полуширины импульса света в волокне. Волны, рассеянные с участков волокна, отстоящих друг от друга на расстоянии большем длины когерентности, уже не интерферируют между собой. Поэтому при расчете мощности суммарной волны нужно суммировать не амплитуды, а мощности этих волн.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Максимов С.П.

УрТИСИ филиал СибГУТИ, Екатеринбург e-mail: qriboot@yandex.ru

Научный руководитель - Горлов Н.И., профессор СибГУТИ

Актуальность выбранной темы доказана тем, что резкое увеличение передаваемых объемов информационных потоков в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) сегодня приводит к исчерпанию имеющихся ресурсов, а существующие прогнозы потребностей указывают на продолжение роста потоков в десятки раз. Это вызывает необходимость повышения скорости передачи оптического канала и внедрения технологий, позволяющих повысить пропускную способность.

Цель успешно достигнута, так как были изучены критерии поляризационной модовой дисперсии PMD, которая становится одним из главных ограничивающих факторов скорости передачи. В настоящее время измерение PMD стало новой и важной технологией при проектировании и инсталляции ВОЛС.

Данная работа в большей степени направлена на ознакомление с поляризационной модовой дисперсией и предусматривает возможность анализа ключевых моментов и зависимостей ПМД в оптических волокнах, что реализуется с помощью программного интерфейса в виде лабораторной работы.

102

Внастоящее время складываются основы новой методологии научных исследований – вычислительного эксперимента и математического моделирования. Главное в этой методологии - замена исходного объекта его математической моделью и исследовании её современными вычислительными средствами. С экономической точки зрения данный подход имеет значимое преимущество перед другими методами, т. к. нет необходимости реализации дорогостоящих макетов, воспроизводящих те или иные процессы и явления, следовательно, может иметь широкое применение.

Объединение теоретической и практической стороны вопроса в данном проекте через программный интерфейс поможет устранить пробелы в знаниях специалистов, дать им необходимую информацию.

Основной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии (PMD) является овальная (некруглая) форма профиля сердцевины волокна. Поскольку реальное волокно не обладает идеальной концентричностью и цилиндрической симметрией, в нем меняется характер распространения светового потока. Распространение световых импульсов в световоде соответствует условиям существования так называемой "фундаментальной моды". Ее электрическое поле можно представить в виде вектора, модуль и пространственная ориентация которого меняются во времени. Характер пространственного изменения определяет поляризационные свойства. Например, световая волна считается поляризованной линейно, если пространственная ориентация вектора электрического поля не меняется во времени.

Следует учитывать и то, что оптические кабели подвергаются влиянию механических и климатических факторов. Механическое воздействие в процессе производства волокон и кабелей является причиной остаточного напряжения в сердцевине и оболочке волокна. В скрученном кабеле возникают несимметричные напряжения, увеличивающиеся под действием различных механических нагрузок. После таких механических воздействий появляются локальные, случайно распределенные деформации оптических волокон. Они нарушают геометрию волокна и соосность сердцевины и оболочки. Следовательно, состояние поляризации в произвольной точке оптического тракта нельзя определить достаточно точно. Нужно учитывать, что материал оптических волокон обладает анизотропностью - различным коэффициентом преломления для лучей с разной плоскостью поляризации. Это свойство реальных оптических волокон называется "двулучепреломлением", которое может быть связано либо с нарушением идеальной круговой формы сердцевины, либо с наведенным двулучепреломлением вещества. Например, из-за несимметричных напряжений в материале волокна.

Вданный момент ведётся разработка программного моделирования зависимости ПМД от поперечной деформации и радиуса изгиба, а также изучение статистических данных зависимости ПМД от температуры для вычисления математической связи и дальнейшего моделирования.

103

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ

Макарский Я.А. СибГУТИ, Новосибирск e-mail: dental_67@mail.ru

Научный руководитель - Горлов Н.И., профессор СибГУТИ

С появлением оптических усилителей нелинейные эффекты в оптических волокнах стали одним из основных факторов, ограничивающих ретрансляционного участка волоконных линий передачи и их пропускную способность. С ростом емкости ВОСП очевидна тенденция увеличения мощности сигнала, распространяющейся в волокне. Нелинейные эффекты пропорциональны высоким степеням от мощности света, и их вклад быстро увеличивается с ростом мощности. Оптические волокна обладают двумя специфическими свойствами, которые обуславливают высокую эффективность протекания в них нелинейных процессов. Во-первых, свет сконцентрирован на малой площади вблизи сердцевины волокна. Во-вторых, такая высокая концентрация света сохраняется на всей многокилометровой длине волокна. В волокне длина взаимодействия ограничена тем, что интенсивность света уменьшается из-за потерь в волокне, и ее вклад в суммарный нелинейный эффект существенен только на начальном участке.

Основными эффектами нелинейности будут являться:

Фазовая самомодуляция (воздействие сигнала на собственную фазу);

Вынужденное Романовское рассеяние (приводит к потерям в оптическом волокне)

Четырехволновое смешение (генерирование смешенных сигналов на определенных частотах)

Вынужденное обратное рассеяние Бриллюэна (приводит к неустойчивости сигнала, потерям в оптическом волокне, к переходным помехам в двунаправленных когерентных

многоканальных системах). Возможности снижения: Фазовая самомодуляция

Выбор рабочей длины волны для волокна типа G.653 вблизи длины волны нулевой дисперсии приводит к снижению влияния SPM, а также действие может быть снижено путем уменьшения мощности сигнала или же путем использования длины волны выше длины волны нулевой дисперсии на рабочем волокне типа G.655.

Романовское рассеяние При использовании одноканальных систем нежелательные участки спектра

могут быть убраны с помощью фильтров. Вместе с тем влияние SRS можно снизить путем уменьшения входной оптической мощности.

Брюэлленовское рассеяние

104

Ухудшения, вызванные SBS, не возникнут в системах, где ширина линии источника значительно превосходит ширину полосы Бриллюэна, или там, где мощность сигнала меньше пороговой мощности SBS.

Четырехволновое смешение

Для того чтобы адекватно подавлять генерацию продуктов FWM, в промышленности было предложено использовать волокно с минимальной допустимой (но не нулевой) дисперсией в области усиления ОУ. Как средство снижения влияния нелинейных эффектов, позволяющее использовать системы DWDM на волокне G.653, было также предложено

Следует отметить, что нелинейные явления могут приводить к ухудшению характеристик ВОЛП, поэтому их следует учитывать при проектировании высокоскоростных систем передачи, так и полезным эффектам, например формирование солитонов и фазовой самомодуляцией и позволяющих увеличить дальность связи и пропускную способность.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МОДОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Муравьева А.В. СибГУТИ, Новосибирск e-mail: arminulka@bk.ru

Научный руководитель – Горлов Н.И., профессор СибГУТИ

Как известно на сегодняшний день дисперсионные искажения являются основной причиной, сдерживающие дальнейшее увеличение скорости и дальности передачи информации в волоконно – оптических линиях связи (ВОЛС).

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является некруглость (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна. Поляризационная модовая дисперсия увеличивает длительность импульса сигнала, связанное с различием скоростей распространения двух поляризаций по оптоволокну, т.е. ПМД является следствием явления двулучепреломления (анизотропии), которое заключается в поляризационной зависимости показателя преломления.

Произвести моделирование на базе института не возможно. Единственный и безальтернативный способ произвести моделирование на компьютере.

Программа позволяет:

ознакомится с теоретическими сведениями;

произвести допуск - ответить на 10 теоретических вопроса взятых из базы данных, которая состоит из 70 вопросов;

произвести моделирование - это 10 различных задач на вычисление и построение графических зависимостей;

произвести тест предварительной защиты - это три задачи на вычисления из базы данных, которая состоит из 30 задач.

Моделирование позволяет:

Исследовать зависимость PMD от длины оптического волокна;

105

Исследовать зависимость максимальной битовой скорости Bмакс [Гбит/с] от коэффициента PMD и от длины оптического волокна

[км];

Исследовать максимальную протяженность ВОЛП при разной

скорости цифровой системы передачи в зависимости от величины ПМД;

Исследовать зависимость коэффициента ПМД от температуры;

Исследовать зависимость коэффициента ПМД от сдавливающих воздействий;

Исследовать зависимость коэффициента ПМД от радиуса изгиба оптического волокна.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Третьяков Е.В. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель - Бутенков В.В., профессор СибГУТИ

Станционные и линейные сооружения связи, в том числе волоконнооптические линии передачи оборудуются заземлениями. Виды, устройство и величины сопротивлений заземления определяются в зависимости от назначения и удельного сопротивления земли.

Заземлением называется преднамеренное соединение электрической установки с заземляющим устройством с целью сохранения на ней необходимого потенциала и обеспечения нормальной работы. Заземляющее устройство представляет собой совокупность заземлителей – электродов, находящихся в непосредственном контакте с землей и заземляющих проводников, предназначенных для соединения электроустановки с заземлителями.

Распространенными методами измерения сопротивления заземления являются метод вольтметра-амперметра, компенсационный метод и метод трех измерений мостом переменного тока. На принципе компенсации основана работа измерителя сопротивления заземления типа М-416.

В докладе подробно рассмотрены разработка и постановка лабораторной работы «Измерение сопротивления заземления». Лабораторная установка позволяет:

-измерять сопротивление защитного и линейно-защитного заземлений;

-изменять количество заземлителей контура заземления;

-моделировать изменение удельного сопротивления земли.

Разработанная установка послужит основой для новых лабораторных работ и методических указаний к ним.

106

ОСОБЕННОСТИ СРАВНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ

Ховалыг А.О. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель – Елистратова И.Б., доцент СибГУТИ

Основные сравнения различных моделей рефлектометров часто затрудняется из-за того, что при оценке среднеквадратичного значения шума разные производители рефлектометров вычитают из пикового значения шума вместо 1,8 дБ другие величины, лежащие в пределах от 1,5 дБ до 4дБ. Если предположить, что шум распределен по нормальному (гауссовскому) закону, то вероятность пребывания в интервалах -2σ…+2σ и -3σ…+3σ равна, соответственно, 95 % и 99.7 %, где σ=rms шума. Отсюда видно, что вероятности пребывания в 98% соответствует некоторый промежуточный интервал (-2,3σ…+2.3σ), или иначе получается, что в линейном масштабе среднеквадратичный уровень шума меньше пикового значения шумов в 2,3 раза (рисунок 1). В логарифмическом масштабе (по шкале рефлектометра 5lg) в 2,3 раз меньшая величина смещена вниз на 1,8 дБ (так как ). Поэтому и получается, что среднеквадратичное значение уровня шума находится на 1,8 дБ ниже его пикового значения.

Величина динамического диапазона зависит от параметров, устанавливаемых пользователем: длительности импульсов, времени усреднения сигнала и диапазона измеряемых длин.

В логарифмических единицах (дБ и дБм) динамический диапазон рефлектометра равен полуразности между мощностью, рассеянной назад в начале волокна, и эквивалентной шумовой мощностью на входе фотоприемника (мощностью света при которой отклик фотоприемника равен среднеквадратичному значению шума). Мощность, рассеянная назад в начале волокна, pc выражается через мощность источника излучения (введенную в

волокно), потери в ответвителе и коэффициент обратного релеевского рассеяния. Коэффициент обратного релеевского рассеяния определяется как доля мощности прямой волны, рассеянной назад в основную моду волокна с участка длиной, равной полуширине импульса света в волокне. Релеевское рассеяние αр связано с рассеянием на неоднородностях, размеры которых значительно меньше длины световой волны. Этот вид рассеяния определяет теоретическую границу, ниже которой затухание не может быть уменьшено, и в современных ОВ является основным источником потерь в рабочих областях спектра.

Если все виды неоднородностей, связанные с технологией производства, удалось устранить, то релеевское рассеяние вызывается рассеянием на неоднородностях показателя преломления, возникших в расплавленном кварце в связи с локальными термодинамическими флуктуациями концентрации молекул (плотности) кварца из-за их хаотического движения в расплавленном

107

состоянии. При затвердевании волокна неоднородности, возникшие в расплавленной фазе, застывают на своих местах, как бы «вмораживаются» в структуру кварцевого стекла. Колебания плотности приводят к случайным флуктуациям показателя преломления в масштабе, меньшем, чем длина световой волны.

КОНТРОЛЬ И ТЕСТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И КОМПОНЕНТОВ

Чухланцев Е.А.

УрТИСИ филиал СибГУТИ, Екатеринбург e-mail: john.007gent@mail.ru

Научный руководитель – Горлов Н.И., профессор СибГУТИ

Интенсивное развитие волоконно-оптических телекоммуникационных сетей и необходимость обеспечения их безотказной работы выдвигают на первый план задачу централизованного документирования и контроля сетевого кабельного хозяйства с возможностью прогнозирования и минимизации времени устранения неисправностей возникающих в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Наиболее эффективно данная задача может быть решена с помощью автоматизированной системы администрирования волоконнооптических кабелей, представляющей собой систему удаленного контроля оптических волокон (RFTS), программу привязки топологии сети к географической карте местности, а так же базы данных оптических компонентов, критериев и результатов контроля. При этом удаленный контроль оптических волокон выполняется с помощью оптических импульсных рефлектометров (OTDR), осуществляющих диагностирование волокон по обратному рассеиванию световой волны распространяющейся в пассивном или активном волокне оптического кабеля.

Процесс контроля и тестирования оптических сетей и компонентов рассматривается на системе администрирования ВОЛС Orion, которая является наиболее передовой системой данного типа.

Ввиду того, что система Orion является модульной системой, она легко адаптируется к многочисленным конфигурациям сети, сетям телекоммуникаций, сигнальным системам и требованиям организации контроля волоконно-оптических кабелей, способная охватить сеть площадью 30 000 км2 и позволяет автоматически контролировать её на протяжении многих лет в течение 24 часов в сутки.

Взаимодействие компонентов системы Orion осуществляется по каналам связи, обеспечивая доступ к следующим функциям системы:

управлению документированием кабельного хозяйства;

установкам индикаторов качества;

ожиданию нарушений в линии;

обнаружению нарушений в оптических волокнах и локализации их местоположения;

108

выявлению тенденции изменения параметров оптических волокон;

дистанционному управлению.

Использование RFTS позволяет обеспечить автоматическое обнаружение, точную локализацию и индикацию на географической карте возникшей неисправности ВОЛС, позволяя немедленно направить ремонтную бригаду для проведения восстановительных работ и минимизировать время устранения нарушений оптических кабелей.

ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕХАНИЧЕСКИХ И ПЕРЕДАТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ

Шенжанов Б.К. СибГУТИ, Новосибирск

Научный руководитель - Бутенков В.В., профессор СибГУТИ

Основным элементом волоконно−оптической линии передачи (ВОЛП) является ее направляющая система, в качестве которой используется волоконно−оптический кабель связи (ОК).

Существенным недостатком ОК является сравнительно высокая хрупкость оптического волокна. С течением времени под воздействием внешних и внутренних факторов в оптическом волокне (ОВ) происходит развитие микротрещин, что в дальнейшем процессе эксплуатации приводит к возникновению обрывов.

К внешним факторам относятся такие условия эксплуатации оптического кабеля, как температурный режим, влажность воздуха, химическая агрессивность окружающей среды и наличие внешних механических нагрузок.

Под внутренним фактором подразумевается развитие микротрещин на поверхности оптического волокна, обусловленное деградационным старением кварцевого стекла в связи с влиянием внутреннего остаточного механического напряжения и влаги.

Процесс развития микротрещин представляет собой необратимое уменьшение механической прочности волокна и увеличение затухания оптических сигналов, передаваемых по волокну. Таким образом при возникновении микротрещин, существенно изменяются условия передачи информации по ОВ, что в свою очередь вызывает снижение надежности ВОЛП в целом.

Эксплуатационная надежность ОВ, рассматриваемого в качестве элемента конструкции оптического кабеля, имеет две составляющие. Механическая, обусловленная сохранением целостности волокна, и передаточная, связанная со стабильностью передаточных параметров волокна.

Поэтому при рассмотрении вопроса надежности и долговечности функционирования волоконно−оптического кабеля связи решающее значение имеет исследование взаимодействия вышеупомянутых характеристик.

109

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

Щербаков Ю.Д.

УрТИСИ филиал СибГУТИ, Екатеринбург e-mail: shcherbakov@yandex.ru

Научный руководитель – Горлов Н.И., профессор СибГУТИ

Высокие требования к надежности ВОЛП, обусловленные необходимостью удовлетворения существующих и перспективных потребностей в передаче информации, создают предпосылки к принятию усиленных мер по обеспечению безотказного функционирования всех компонентов, включая оборудование передачи данных, кроссовое и другое пассивное оборудование, а также сами волоконно-оптические кабели.

Проведение мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации ВОЛП возможно только при наличии информации о состоянии этого объекта. Выявление изменения параметров можно осуществить лишь в том случае, если проводятся регулярные их измерения, причем обеспечение максимальной идентичности условий этих измерений в части основных влияющих факторов является принципиально важным для отслеживания малых изменений, происходящих на протяжении достаточно больших интервалов времени.

Проведение таких измерений на оптических трактах ВОЛП может быть реализовано посредством специальных систем мониторинга. Работая в автоматическом режиме, эти системы производят контроль состояния волокон при помощи рефлектометров.

В процессе мониторинга оптических трактов ВОЛП, было установлено, что основным фактором, свидетельствующим о приближающейся аварийной ситуации, является наличие приложенного к волокну механического растягивающего усилия, которое превышает предельно допустимую величину

(0-0.3%).

Для обнаружения натяжения стандартом МЭК 60794-1 предусмотрены две методики, одна из которых предполагает контроль затухания, вносимого волокном, а вторая — измерение фазового набега, вызванного увеличением длины оптического пути при растяжении волокна. Оба метода можно назвать интегральными — то есть они дают средний результат для волокна в целом. При помощи них невозможно локализовать участки, имеющие повышенное натяжение, а так же распределение натяжения по длине волокна в процессе испытаний является неравномерным и на некоторых участках может значительно превышать предельно допустимое.

От перечисленных недостатков свободен метод бриллюэновской рефлектометрии, представляющий собой разновидность рефлектометрического способа исследования оптических волокон, отличительной особенностью

110