АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС ИНСТИТУТЫ

Телекоммуникациялық жүйелер кафедрасы

 

 

Бағыттаушы электрбайланыс жүйелері

Лекциялар курсы

(050719 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар

мамандығына арналған (сырттай оқу білімінің бакалавр студенттері үшін)

 

Алматы 2007

 

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Қазиева Г.С., Елизарова Е.Ю. Бағыттаушы электрбайланыс жүйелері. Дәрістер жинағы (050719 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандықтары бойынша оқитын сырттай оқу білімінің студенттері үшін) Алматы: АЭЖБИ,

 

Дәрістер жинағы қазіргі заманғы бағыттаушы электрбайланыс жүйелерінің даму келешегін, байланыс жүйелерінің құрылу принциптері мен жүйелерін, кабельдік және әуе жолы байланыс линияларының сипаттамалары мен құрылымдарын қарастырады. Электромагниттік энергияның бағыттаушы жүйелер арқылы (коаксиалды және симметриялы кабельдер, жарықіткізгіш, оптикалық және басқа кабельдер) ітуінің теориясы беріледі. Бұл дәрістер 050719 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығында оқып жатқан студенттер үшін арналған.

 

Мазмұны

Кіріспе                                                                                          3

1

Қазіргі заманғы бағыттаушы тарату жүйелері

 

2

Байланыс кабельдерінің конструкциясы және кейбір сипаттамалары

 

3

Бағыттаушы жүйелер электродинамикасы

 

4

Электромагниттік өрістегі энергияның сақталу заңы.  Умов-Пойтинг теоремасы

 

5

Пупинизация

 

6

Оптикалық талшықтар арқылы электромагниттік энергияны таратудың физикалық негіздері

 

7

Градиентті профилі бар сыну көрсеткіші мен баспалдақты профилі бар сыну көрсеткішінің арасындағы айырмашылық

 

8

Сигналдың толқынды және сәулелік таралу теориясы

 

9

Нормаланған және шектік жиілік

 

10

Оптикалық кабельдердегі өшу

 

11

Дисперсия түрлері

 

12

ТОТЖ  регенерациялық бөлігінің ұзындығын өшу және дисперсия бойынша есептеу

 

13

Кабельдердің классификациясы және оларды маркировкалаудың принциптері

 

14

Оптикалы-талшықтық кабельдердің конструкциясы

 

15

Ажыратылатын және ажыратылмайтын қосылыстар

 

16

Оптикалық тармақтағыштар

 

17

Селективті оптикалық тармақтағыштар

 

Список литературы                                                                     

Кіріспе

Еліміздің магистралды біріншілік байланыс желісі дамудың осы сатысында кабелді, радиорелейлі және спутникті байланыс линияларын қолданады. Кабелді байланыс линиялары байланыс арналары атмосфералық және басқа да әсерлерден қорғалған, қолдану сенімділігі және жұмыс жасау мерзімі ұзақ, республиканың байланыс торабының негізі болып келеді. Кабелді желі бойынша ақпараттың 75% таратылады. Қазіргі уақытта коаксиалды кабельдер кең тараған, олар арқылы әртүрлі тағайындалуы бар байланыстың қуатты ағындарын таратуға мүмкіндік бар.

Коаксиалды кабельдермен аналогты да сандық та татару жүйелері жұмыс жасайды. Дегенмен, металл кабельдердің кемшіліктері де бар: жиіліктердің өткізу жолағының шектілігі, найзағай әсеріне түсудің үлкен ықтималдығы, коррозияға қарсы құрылғылардың қымбаттылығы, түрлі-түсті металлдардың көп қолданылуы (кабель өнеркәсібі ортақ қордың 50% мыс және 25% дейін қорғасын қолданады), аралық күшейткіш тораптардың көп болуы – жүйенің сенімділігін азайтады және бағасын жоғарылатады.

Лезде өскен ақпарат көлемін тарату талшықты-оптикалық байланыс кабельдерін қолдану арқылы мүмкін болды. Бұл кабель түрі, кең тараған спутникті және радиорелейлі байланыс линияларына қарағанда, өткізу жолағының кеңдігі жоғары болып келеді.

Оптикалық кабельді қолдану біртұтас байланыс желісінің кез-келген бөліктерінде қолдану экономика жағынан тиімді болып келеді. Бұл тарату жүйелерінің техникала-экономикалық көрсеткіштерін айтарлықтай жоғарылатумен қатар интегралды қызмет көрсетудің сандық желілеріне (ISDN желілері) біртіндеп өту мүмкіндігін береді. ТОТЛ дәл қазір енгізу актуалды болып келеді, себебі дүние жүзінде түрлі-түсті металлдардың, әсіресе мыстың дефициті айтарлықтай сезіліп келеді.

1 Дәріс. Қазіргі заманғы бағыттаушы тарату жүйелері

 Дәрістің мақсаты: студенттерді қазіргі заманғы жоғары жиілікті қуатты бағыттаушы тарату жүйелерімен таныстыру.

Бағыттаушы жүйе – бұл симметриялы, коаксиалды, талшықты-оптикалық кабельдер, яғни бір абоненттен екіншісіне сигналдың таралуы тек байланыс линиясының арнайы бөлінген тізбегі және трактісі арқылы ұйымдастырылатын жүйені айтады. Бағыттаушы жүйелер электромагниттік сигналдарды берілген бағытта сапалы және сенімділікпен таратуға арналған.

БАБЖ – біртұтас автоматтандырылған байланыс жүйесі (елдің жалпы мемлекеттік байланыс желісі). Ол магистралды, қалалық және аймақтық байланыс желісіне біріктіреді. БАБЖ-дың құрылымдық бөліктері: автоматтандырылған коммутацияланған жалпы мемлекеттік телефон желісі АКЖМТЖ; еліміздің телеграф желісі ТЖ; жалпы мемлекеттік мәлімет тарату желісі ЖММТЖ; факсимилді байланыс желісі ФЖ; телевизиялық хабар тарату ТХТ.

Қазіргі заманғы жоғары жиілікті қуатты бағыттаушы тарату жүйелері - әуе байланыс линиялары ӘБЛ, симметриялық кабельдер (СК), коаксиалды кабельдер (КК), толқын өткізгіш (Т), жарық өткізгіш (Ж), оптикалық кабельдер (ОК), радиожиілікті кабельдер және әрі қарай бөлінеді.

 Байланыс линиялары:

1 Радио – РЛ, РР,СЛ.

2 Сымды (бағыттаушы БЛ) - ВЛ, КЛ(СЛ, КЛ), В және С (В және С)

Байланыс линияларының қолдану аумағы – халықаралық, жергілікті – ҚТЖ, АТЖ.

Қалааралық байланыс – магистралды және аймақтық байланыс линиялары

Сымды жүйелер жер үсті-әуе және жер асты-кабельдік болып бөлінеді.

 Байланыс желісінің құрылу жүйесі.

Байланыс желісінің ішіне ақпаратты тарату құрылғысы (арналар), арналарды коммутациялайтын құрылғы және соңғы құрылғы кіреді.

Байланыс желісі біріншілікке және екіншілікке бөлінеді.

Біріншілік байланыс желісі – байланыс түрлері және арнауы бойынша бөлінбеген барлық арналар жиынтығы. Оның құрамына линиялар және арна құрушы аппаратура кіреді.

Екіншілік байланыс желісі бір арнаулы арнадан (телефондық, телеграфтық) тұрады, ол біріншілік желі негізінде құрылады. Оның құрамына коммутациялық құрылғы, тораптар, соңғы пункттер және біріншілік желіде бөлінген арналар кіреді.

 

Желі құрудың нұсқалары:

- тораптық; радиалды; радиалды-тораптық.

1.1-сурет.  Желі құрудың нұсқалары

 

Негізгі тарату байланыс жүйесі кеңдігі 4 кГц (0,3-3,4 кГц негізінде) телефондық арна түрінде жүзеге асады. Бұл арна тоналды жиілікті арна деп аталады.

 

1.1-кесте Аналогты аппаратуралар

Байланыс түрі

Жиілік(кГц)

Телефондық арна саны

Аппаратура түрі

Телефондық байланыс

Радио хабар тарату

Теледидарлама

Видеотелефонды

Факсимильді

Газет тарату

Мәлімет тарату

4

8-12

6000

1200

4

60-240

до 60

1

2-3

1500

300

1

12-60

до 12

---

РВ – 2/3

К –1920

К – 300

---

К – 12, К – 60

К-12

 

1.2-кесте Сандық тарату жүйелері

Тарату жүйесі

Тарату жылд.

(мБит/с)

Кабель түрі

Күшейту бөлімінің ұзындығы, км.

Біріншілік ИКМ-30

Екіншілік ИКМ-120

Үшіншілік ИКМ-480

Төртіншілік ИКМ-1920

2

8,45

34

140

СК – семмитриялы

СК

КК – коаксиалды

КК

10

5

6

3

 

Кабельдік линиялар арқылы халықаралық байланыс ұйымдастырудың қағидалары.

1. Халықаралық байланыс линияларында 2 және 4 сымды сұлба бойынша ұйымдастырылады. 2 сымды сұлба кезінде тарату тура және кері бағытта бір жұп сымдар бойынша орындалады. 4 сымды сұлбада тура бағытта бір жұп сымдар бойынша ал кері бағытта басқа жұп сым арқылы жүзеге асады. Егер осы екі сұлбаны салыстыратын болсақ, онда ұйымдастырылатын арна саны бойынша олар бірдей болады.

 

 

 

1.2-сурет. Байланыс жүйелері (екі сымды және төрт сымды) және ЖЖ жүйені арна бойынша салыстыру

 

2.  2 сымды сұлбалар артықшылығы – өзара қорғанысы бойынша.

3. 4 сымды сұлбалар артықшылығы – байланыстың тұрақтылығы мен ұзақтығында.

Байланыс линияларына қойылатын негізгі талаптар.

1.                  Байланыс ұзақтығы – мемлекет ішінде 12500 км-ге дейін, мемлекет сыртында – 25000 км.

2.                  Кеңжолақтылық және әртүрлі ақпарат таратуға жарамдылығы.

3.                  Тізбектердің өзара және сыртқы өрістерден, найзағай және коррозиядан қорғанысы.

4.                  Электрлік сипаттамаларының және линияның тұрақтылығы

5.                  Байланыс жүйелерінің экономикалық тиімділігі.

Линиялар түрлері: радиолиния, радиорелейлік линия, спутникті линия, кабельді линия, әуе линиясы.

Қолданатын жиілік диапазоны:

-105 Гц – әуе;

-106 Гц – симметриялы;

-108 Гц – коаксиалды (магистралды байланыс);

-109 Гц – коаксиалды (антенна - фидерлік тракт);

-109 Гц – коаксиалды жүйенің жоғары өткізгіш кабельдері;

-1011 Гц – толқынөткізгіш;

-1014 Гц – жарықөткізгіш.

Радиолиниялар ұзын, орта және қысқа толқын диапазонын қолданады.

РРЛ – тура көру толқындарында, дециметрлі (0,3…3ГГц), сантиметрлі (3…10 ГГц) толқын ұзындықтарында жұмыс жасайды.

2 Дәріс. Байланыс кабельдерінің конструкциясы және кейбір сипаттамалары

 Дәрістің мақсаты: студенттерді байланыс кабельдерінің сипаттамасымен және олардың конструкциясымен таныстыру.

Кабель – бұл құрамында металлдық, пластмассалық қабықшаға және қорғаныс жамылғысына оралған біртұтсас конструкцияға біріктірілген изоляцияланған өткізгіштер бар электротехникалық бұйым.

Конструкциясы бойынша кабельдер симметриялы және коаксиалды болып бөлінеді. Симметриялы кабель екі бірдей изоляцияланған электрлік өткізгіштен тұрады. Коаксиалды кабель бұл осі ортақ болып келетін екі цилиндрден тұрады. Бір цилиндр тұтас өткізгіш екінші цилиндр ішінде орналасқан.

2.1-сурет. Симметриялы және коаксиалды кабельдер

 

Маркировка – шартты белгілер жүйесі, ол әріп пен сан көмегімен кабелдің негізгі классификациялық белгілерін және конструкциялық ерекшеліктерін көрсетеді.

Изоляцияның құрылымы мен материалы.

Материалы – әуе-қағазды изоляция; кордельді-қағазды изоляция; кордельді-стирофлексті; кеуек-полиэтиленді; балонды-полиэтиленді; шайбалы-полиэтиленді.

Қабықша металлды және пластмассалық бола алады. Металлды – қорғасын, алюминий және т.б.

Бірінші әріптер: бір не екі әріп қолдану ортасын немесе арналуын анықтайды. Қалалық телефонды кабельдерде әрқашан Т әріпі болады. Полиэтиленді изоляциясы бар қалалық телефонды кабель ТПП,  кордельді-қағазды және кеуек қабықшасы бар кабель – ТЗ, ТЗПП. Ауылдық байланыс үшін – КСПП – полиэтиленді изоляциясы бар ауылдық байланысқа арналған біртөрттік кабель. КМ кабелі – магистралды коаксиалды. МК – магистралды симметриялы.

Соңғы 1 немесе 2 әріп қорғаныс жамылғысының түрін көрсетеді.

Г– тақыр қорғасын кабелі.

Сболат кабель.

Б – сауытпен қапталған кабелі.

Егер Р әріпі болса, сым радиобайланысқа жатады.

КМГ, КМБ, КМК – коаксиалды магистралды кабельдер.

Халықаралық симметриялы қорғасын жамылғысы бар изоляциясы кордельді-қағазды болып келетін кабельдер – МКГ, МКБ, МКК.

Өткізгіштер – меншікті кедергісі бар алюминий мен мыстан жасалған токөткізігіш талшықтар. 

Меншікті салмақ:

Талшықтар диаметрі: Cu = 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм.

Al = 1,15; 1,55; 1,8 мм.

 

2.2-сурет. Талшықтар конструкциялары: 1-майысқыш, 2-біртекті, 3-биметаллды, 4 –көпсымды талшықтар (суасты)

 

Изоляция – бұл абсолютті диэлектриктік өткізгіштігі бар диэлектрик

,

мұндағы , .

Шығын бұрышы -  - жоғарыжиілікті шығындарды сипаттайды

Диэлектрик ретінде: сульфатты целлюлозадан жасалған кабельді қағаз, қағазды кордель, полистирол (стирофлекс), сұйық стирол, полиэтилен, кеуекті полиэтилен қолданылады.

Изоляция түрлері:

-құбырлы, кордельді, біртекті, кеуекті, баллонды, шайбалы, спиральді, кордельді-құбырлы.

Бөлек талшықтар топтарға бұрмаланады, оларды симметриялы кабельдің элементтері деп аталады. Бұрма тізбектер арасындағы электрмагнитті байланысты азайтады және өзара және сыртқы өрістерден қорғайды.

Изоляцияланған өткізгіштердің топтарға бұрмалану түрлері:

 

 

                                                     

 

2.3 – сурет. Бұрма түрлері: жұпты, жұлдызды, екілік жұпты, екілік жұлдызды, сегізталшықты

 

1. Жұпты бұрма – екі изоляцияланған талшықты жұпқа бұрмалайды, бұрма қадамы 300 мм-ден кем болмауы керек (қадам – бұрманың сызықты ара-қашықтығы).

2. Жұлдызды бұрма – 4 изоляцияланған талшық олар шаршаның бұрыштарында орналасқан, қадамы 250-300 мм.

3. Екілік жұпты – екі алдын-ала бұрмаланған жұп өзара төртке бұрмаланады, қадамы – 200 мм.

4. Екілік жұлдызды – төрт алдын-ала бұрмаланған жұптар сегізді құрап, қайтадан жұлдызға бұрмаланады . Қадамы- 250-300 мм.

5. Сегізталшықты - өзекше айналасында орналасқан изоляциялық материалдан жасалған сегіз талшық. Қадамы – 300 мм.

Топтар кезекті-концентрациялы қабаттармен ортаңғы шиырма айналасында орналасады, олар 1-5 топтан тұрады. Ортаңғы шиырма диаметрі былай анықталады

,                                                (2.1)

мұндағы d – топ диаметрі; n – ортаңғы шиырма топ саны. Әрбір жұпта немесе төрттікте талшықтар изоляциясы әртүрлі болуы керек. Осы түстер үйлесімі – бояуы. Қорғаныс жамылғысы – сауыт. 

Қалааралық коаксиалды кабельдер.

Ең кең таралған түрі:

а. КМ-4(2,6/9,5) кабелі;

б.азгабаритті кабель – МКТ-4(1,2/4,6);

в.құрама кабель – КМ 8/6 (2,1/9,7), мұндағы 4, 8/6-коаксиалды жұптар саны. Алымында-коаксиалды жұптар саны-ішкі талшықтар, бөлімінде-сыртқы.

Аймақтық (облыс ішіндегі) кабельдер.

мыстан жасалған диаметрі 1,2 мм талшықтар.

МКСШ – аз габаритті талшықтар диаметрі 1,5 мм.

Бірінші төрттік жұп жасыл және көк түсті талшықтардан тұрады. Төрттік центрінде полистрольді кордель орналасқан, диаметрі d=1,1 мм. Алюминийден жасалған қабығы бар, қалыңдығы 1 мм.

Қалалық телефондық кабельдер

ҚТК арналған мақсаттарына байланысты бөлінеді: абоненттік, АТС пен абоненттерді жалғайтын және қосқыш кабельдер. Қосқыш қабельдер АТС-терді бір-бірімен және қалааралық станциямен байланыстырады.

Абоненттік телефондық кабельдер былай бөлінеді:

а) қағазды изоляциялы;

б) пластмассалы изоляциялы.

Қалалық кабельдер қадамы 100 мм болып келетін жұпты бұрмасы және шиырмалы бұрмасы бар.

Ауылдық кабельдер.

Ауылдық байланыс кабельдері станцияаралық және абоненттік болып бөлінеді. Станцияаралық байланыс үшін бір немесе екі-төрттік КСПП-1Х4 және КСПП-2Х4 типті кабельдер ИКМ-15, ИКМ-30 сандық тарату жүйелері үшін қолданылады. Станцияаралық қосқыш линиялардағы байланыс ұзақтығы 100 км-ге дейін жетеді. КСПП кабелінің тоқөткізгіш талшықтар диаметрі 0,9 және 1,2 мм болып келеді.

Ауылдық байланыс желілерінде біртөрттік кабельдерден басқа біржұпты кабель ПРППМ-1Х2 қолданыс тапты. Әдетте диаметрі 0,8;0,9;1,2мм болып келетін мыс талшықты, полиэтиленді изоляция мен қаптамасы бар. Ауылдық байланыс желісін ұйымдастыруға болашағы бар деп биметаллды (алюминий-мыстан жасалған талшықтар диаметрі 0,5 және 0,9 мм) және суға тұрақты гидрофобты толтырмасы бар кабельдерді айтуға болады. Олардың маркировкасы ТППЗ және сыйымдылығы 5Х2 және 10Х2 болып келеді.

2.4-сурет. Ауылдық кабельдер

 

3 Дәріс. Бағыттаушы жүйелер электродинамикасы

 Дәрістің мақсаты: студенттерді бағыттаушы жүйелердің электродинамикасымен таныстыру.

Бағыттаушы жүйелердегі процестерді сипаттау үшін классикалық электродинамика және Максвелл теңдеулерін шешу керек. Сәулелік оптика және тізбектер теориясының әдістері қолданылады.

Электрлік өріс қозғалыссыз және қозғалатын зарядтарға күш әсерімен сипатталады. Магнитті өріс қозғалатын зарядтарға күш әсермен сипатталады.

,                                                                   (3.1)

,                                                            (3.2)

мұндағы В- магнитті өріс индукциясы, Н-магнитті өріс кернеулігі

                                                                      (3.3)

дифференциалды түрдегі Ом заңы,

 

мұндағы  - электромагниттік өрістің өткізгіштігі;

Е- электр өрісінің кернеулігі

Теңдеулер:

дифференциалды түрдегі толық тоқ заңы

;                                                                   (3.4)

дифференциалды түрдегі электромагнитті индукция заңы

.                                                        (3.5)

мұндағы Ф- магнитті ағын;

S- ағын қамтитын контур ауданы.

 

Тоқ тығыздығы

                                                      (3.6)

Теңдеудің оң жағына толық тоқ тығыздығын қоямыз

Дифференциалды түрдегі Максвелл теңдеулері алынды.

Максвелл теңдеулері барлық өрістердің өзара байланысын сипаттайды. Электромагниттк өрістің уақыт ішіндегі кез-келген өзгерісі магнитті өрістің өзгерісіне алып келеді.

- осы теңдеу магнитті күштік линиялардың үзіліссіздігін сипаттайды. Электромагнитті өрістің толық теңдеулер жүйесі

                                                     (3.7)

 - көлемді электромагнитті зарядтар.

Шекаралық шарттар.

 (әртүрлі диэлектриктік өткізгіштігі бар екі диэлектрик бөлім шекарасында электр кернеулігі векторларының жанама құраушылары тең).

 екі диэлектрик бөлім шекарасында электрлік ығысу векторларының қалыпты құраушылары

Әртүрлі электр өткізгіштігі бар екі ортаның бөлім шекарасында электр кернеулігі векторларының жанама құраушылары және ток тығыздығы векторларының қалыпты құраушылары тең.

,

,

.

Әртүрлі магниттік өткізгіштігі бар екі ортаның бөлім шекарасында магнит кернеулігі векторларының жанама құраушылары және магнитті индукция векторларының қалыпты құраушылары тең.

,

.

Шекаралық шарттар, Максвеллдің бірінші және екінші теңдеулері электромагниттік өріс теңдеулерінің толық жүйесін құрайды. 

Гармоникалық сигналдар үшін электромагниттік өріс теңдеулерінің толық жүйесі

,                             (3.8)

,                                                           (3.9)

 - дифференциалды түрдегі Максвеллдің 1-ші теңдеуі.

– гармоникалық әсерлер үшін Максвелл теңдеуі.

 

Бағыттаушы жүйелерде электродинамика есептерін шешу үшін бойлық құраушыларды білу қажет .

Максвеллдің бірінші теңдеуін аламыз.

, оң және сол жақтан rot аламыз.

,

,

   теңдеуді қолданып  

   аламыз

Гельмгольц теңдеуі

.                                              (3.10)

Максвеллдің екінші теңдеуін осылайша түрлендіріп біз дәл осындай теңдеу аламыз бірақ  векторы үшін.

.                                               (3.11)

Енді осы теңдеулерге  (ортаның толқындық саны) параметрін енгізіп, өзгертулер жасаймыз. 

,

.

2-ші ретті дифференциалдық теңдеулер.

Подпись: (3.12)                                                                           

*- набла, Лапласиан.

бойлық құраушылар үшін

,                    (3.13)

.

 

4 Дәріс. Электромагниттік өрістегі энергияның сақталу заңы

 Дәрістің мақсаты: студенттерге электромагниттік өрістегі энергетикалық байланыстарды көрсету, Умов-Пойтинг теоремасымен таныстыру.

 Умов-Пойтинг теоремасы.

 Пойнтинг векторы, берілген көлемді қамтитын тұйықталған сыртқы бет арқылы өтетін  көлем бірлігіндегі электрмагнитті энергия ағынын көрсетеді.

Электр өрісінің энергиясы

.                                                                  (4.1)

Магнит өрісінің энергиясы

.                                                               (4.2)

 Электромагниттік энергия

.                               (4.3)

Умов-Пойтинг теоремасының 1-ші формуласы

,                                     (4.4)

мұндағы ds – сыртқы бет элементі – S, ол V көлемімен шектелген.

Электромагнитті энергияның өзгеруі өрістің пайда болуымен және жылудың бөлінуімен жүреді. Сол жақ уақыт бірлігіндегі электромагнитті энергияның шығынын көрсетеді, оң жақ энергияның неге шығындалғанын көрсетеді. 1-ші көбейтінді – көлемнің тұйықталған сыртқы беті арқылы қоршаған кеңістікке өтетін электромагнитті энергияның ағыны. Екінші көбейтінді бұл бірлік уақытта жылуға түрлендірілетін көлем ішіндегі энергия.

П – бұл Пойтинг векторы – энергия ағынының бағытына перпендикуляр болатын аудан арқылы уақыт бірлігінде таратылатын энергия көлемі.

Бағыттаушы жүйелер арқылы таратудың режимдері:

1.         Статикалық режим.

2.         Стационарлы режим.

3.         Квазистационарлы режим.

4.         Толқынды және оптикалық режим.

5.         Электродинамикалық режим.

 

Анықтамалар:

1.         Статикалық режим – көлемді статикалық зарядтарға сәйкес және электростатика процестеріне жатады.

2.         Стационарлы режим – магнитті өрісті индуцирлейтін тұрақты тоқ өткізгіштері арқылы энергияны тасымалдау жағдайы, электр өрісі индуцирленбейді.

3.         Квазистационарлы режим – стационарлы режимге жақын, ол үшін  (әуе линиялары, коаксиалды кабель, симметриялы кабель).

4.         Толқынды және оптикалық режим – ығысу тоқтары басым болады.

5.         Электродинамикалық режим – ығысу тоқтары мен өткізу тоқтары ескерілетін жоғары жиіліктер және қысқа толқындар режимі.

 

Бағыттаушы жүйелер теориясы

Симметриялы кабельдер

Симметриялы тізбектерде келесі эффектілер байқалады:

1.     Жақындық эффектісі.

2.     Құйындық  тоқтар.

3.     Сыртқы бет эффектісі.

Шығындарды ескермейтін тарату параметрлері (біріншілік және екіншілік параметрлер)

Симметриялы кабельдің біріншілік параметрлері

,                                             (4.5)

,                                                                                          (4.6)

.                                                                                         (4.7)

Симметриялы тізбектер арқылы энергияны тарату (шығындарды ескере отырып).

,               (4.8)

                                        (4.9)

осы екі формулада Бессель функциялары бар

мұндағы d өткізгіш диаметрі;

k жиілікке тәуелді функция;

R0 тұрақты  кедергі.

Бұрмалаудың басқа түрлерінде:

айнымалы тоқ кедергісі

,               (4.10)

мұндағы H – орау коэффициенті;

Р – бұрма түрін ескеретін коэффициент;

Н – мына мәндерді қабылдайды: 1,021,07;

Р=2 –жұпты бұрма;

Р=5 – жұлдызды бұрма.

Симметриялы тізбек индуктивтілігі

.           (4.11)

Симметриялы тізбек изоляциясының сыйымдылығы мен өткізгіштігі.

,                                    (4.12)

.                                                     (4.13)

Көршілес жұптардың жақындығы және сыртқы металл қабықшаның әсерін ескеріп әртүрлі бұрма үшін сыйымдылықты табамыз

,                                   (4.14)

- жөндегіш коэффициент, ол өткізгіштердің металл қабықшасының жақындығын ескереді;

 - салыстырмалы диэлектриктік өтімділік.

Сымдар арасындағы өткізгіштік

.                                            (4.15)

Симметриялы кабельдің екіншілік параметрлері

Толқындық кедергі

,                                                  (4.16)

 мұндағы а – геометриялық осьтер арасындағы қашықтық.

Өшу коэффициенті және фаза коэффициенті

,      (4.17)

 немесе                                           (4.18)

 

 

5 Дәріс. Пупинизация

 Дәрістің мақсаты: симметриялы кабельдерде пуинизация әдісін қолданып, өшуді азайтудың тәсілдерін көрсету; коаксиалды байланыс кабельдері арқылы сигналдарды таратудың параметрлерін қарастыру.

 Индуктивтілігі индуктивті-көбейтілген кабельдер

Өшу коэффициенті

.                                                  (5.1)

1-ші көбейтінді металлдағы өшу, 2-ші көбейтінді диэлектриктегі өшу.

Жасанды жолмен, қадам деп аталатын анықталған қашықтықтардан соң, өшу коэффициентін азайту мақсатымен индуктивтік катушкасын  қосамыз. Бұл әдіс пупинизация деп аталады. 

катушкасы былай жасалған: тұйық дөңгелек тәрізді өзекше изоляцияланған мыс өткізгішпен оралады, ал өзекшенің өзі ферриттен жасалған.

Пупинизация қадамы және пупинизацияланған катушка индуктивтілігі мына аралықтарда өзгереді:

 өткізу жолағы үшін пупинизацияланған тізбектер мына формулалармен есептеледі:

,                                                     (5.2)

,                                                                      (5.3)

,                                            (5.4)

,                                         (5.5)

.                                                  (5.6)

Пупинизация бөлімі үшін өшу коэффициенті

,                                                   (5.7)

;

;

;

                

               

Коаксиалды кабельдер үшін бағыттаушы жүйелер теориясы

Біріншілік параметрлер.

Толқындық кедергі

.                                               (5.8)

Кедергі

.                                                      (5.9)

Индуктивтілік

                                    (5.10)

Сыйымдылық

                                                            (5.11)

Диэлектриктік шығындар бұрышының тангенсі

                                                                  (5.12)

Өткізгіштік

.                                                                 (5.13)

Екіншілік параметрлер.

Таралу тұрақтысы

.                                                                 (5.14)

Толқын ұзындығы

.                                                                      (5.15)

Таралу жылдамдығы

.                                                                   (5.16)

Өшу коэффициенті

,                                            (5.17)

мұндағы mа, eа – диэлектрик материалының магнитті және диэлектрикті өтімділігі,

ra и rb – сыртқы және ішкі өткізгіш диаметрі,

s - өткізгіштік коэффициенті,

k = 2p/l – еркін кеңістіктің толқындық векторы

Мысалы. Коаксиалды кабель КМ-4-те 4–коаксиалды жұп, 5– симметриялы жұлдызды төрттік бар.

 

5.1-сурет. Коаксиалды кабель КМ-4

 Әрбір коаксиалды жұп диаметрі 2,6 мм ішкі мыс өткізгіштен және сыртқы мыс трубка 9,5 мм тұрады. Кабельдің қорғасын қаптамасы бар. Осы кабель арқылы екі жүйені жүзеге асыруға болады К-1920 және К-3600 және сандық ИКМ-480 және ИКМ-1920. Максималды байланыс ұзақтығы 12500 км. 

Коаксиалды жұптың кең жиілік спектрін өткізе алу мүмкіндігі конструктивті сыртқы және ішкі өткізгіштің коаксиалды орналасуымен іске асырылады. Электромагнитті энергияның коаксиалды жұп арқылы таралу ерекшеліктері кең жиілік спектрін өткізе алу мүмкіндігіне себепті болады және жоғарыжиілікті байланысты төменжиілікті байланыспен салыстырғанда маңызын арттырады.

 

6 Дәріс. Оптикалық талшықтар арқылы электромагниттік энергияны таратудың физикалық негіздері

 Дәрістің мақсаты: студенттерді оптикалық талшықтар арқылы электромагниттік энергияны таратудың физикалық негіздерімен таныстыру.

 Екі диэлектрикті орта бөлімінің  шекарасында жарықтың шағылуы мен сынуы.

Жарықтың шағылуы. Жарық екі орта бөлімінің шекарасына түскенде, оның бір бөлігі шағылады. Шағылған жарық көлемі түсетін жарық сәулесі мен нормалінің түсу беті арасындағы а бұрышына байланысты болады. «Жарық сәулесі» термині мұнда жарықтық энергиясы өтетін жолды белгілеу үшін қолданылады.

Шағылған сәуле мен нормалды түсу бетіне және шағылған жарық сәулесімен құрылған Ъ бұрышы үшін келесі анықтамалар сәйкес келеді:

шағылған сәуле: түсетін жарық сәулесі мен түсетін сәуле бетінің нормалы құралған бұрыш түсу жазықтығында қалады; түсетін жарық сәулесіне қатысты нормалдан сәуленің түсу бетіне қарама-қарсы жатады; нормалға түсу бетіне қатысты шағылу бұрышы бар, ол түсу бұрышына тең.

.

Жарықтың сынуы. жарық сәулесі оптикалы тығыз ортаға (мысалы, әйнек немеес су) оптикалы тығыз емес ортадан (мысалы, ауа) а түсу бұрышымен түссе, оның нормалға түсу бетіне қатысты таралу бағыты өзгереді, ол сыну бұрышымен  р сынады.

Изотропты орта, яғни барлық бағытта қасиеттері бірдей болатын зат немесе материал үшін Снеллиус сыну заңы қолданылады: түсу бұрышының сыну бұрышының синусына қатынасы, тұрақты шама болып келеді және с12 бірінші және екінші ортадағы жарық жылдамдықтары қатынасына тең.  

.                                                                 (6.1)

Екі оптикалық орта ішіндегі тығызы сол, қайсысында жарықтың таралу жылдамдығы аз болып келеді.

Жарық, таралу жылдамдығы Со болып келетін вакуумнан (ауа) жарық жылдамдығы С болатын ортаға өткенде, мынандай қатынас орын алады

.                                                         (6.2)

Вакуумдағы Со жарық жылдамдығының орта ішіндегі С жарық жылдамдығына қатынасы сәйкесті ортаның сыну көрсеткіші  деп аталады (дәлірек айтқанда сынудың фазалық көрсеткіші). Вакуумның (ауаның) сыну көрсеткіші .

Сыну көрсеткіштері  және  және олардағы жарық жылдамдықтары  и болатын екі әр түрлі орта үшін келесі қатынас орын алады

     және      .

Осыдан Снеллиус заңының тағы заңы орын алады – түсу бұрышының синусының сыну бұрышының синусына қатынасы сәйкесті сыну көрсеткіштерінің кері қатынасына тең

.                                                                 (6.3)

Толық ішкі шағылу

6.1-суретте толық ішкі шағылу көрсетілген. Бұл жағдайда жарық сәулесі (2') екі орта бөлімінің бетіне параллель таралады. Түсу бұрышы а0 екі ортаның критикалық (шекті) бұрышы деп аталады. Оның мынадай теңдеуі бар

,                                                               (6.4)

яғни, критикалық бұрыш екі ортаның сыну көрсеткіштерінің қатынасына тәуелді болып келеді.

Түсу бұрыштары а критикалық бұрыштарынан а0 үлкен болып келген барлық сәулелер үшін оптикалы тығыз емес ортада сәйкесті сыну бұрыштары жоқ. Бұл жарық сәулелері бөлім бетінен қайтадан оптикалы тығыз ортаға шағылады – бұл құбылыс толық ішкі шағылу деп аталады.

 

1' – толық шағылған сәуле;

2' – сынған жарық сәулесі, сыну бұрышы ро=9О;

3' – сынған сәуле.

6.1– сурет. Толық ішкі шағылу

 

Орталар бөлімінің бетінде толық ішкі шағылу құбылысы тек жарық сәулесі оптикалы тығыз ортадан (мысалы, әйнек n0=l,5 ) оптикалы орта тығыздығы одан аз болатын (мысалы, ауа по=1) ортаға өткенде ғана пайда болады, және ешқашан да кері жағдайда болмайды.    

 

Сандық апертура

 

Толық ішкі шағылу эффектісі толқын өткізгіштерде былай іске асады: сыну көрсеткіші п «өзекше» және айналасында сыну көрсеткіші п2 «қабықша» болады.  (6.2-сурет)

6.2-сурет. Талшықты жарықөткізгіштегі жарықтың таралуы

 

sina<f=n2/ni шартынан мынаны алуға болады: барлық сәулелер жарықөткізгіш осінен (9(f-ae)-дан көп бұрышқа ауытқыса, онда олар өзекше ішінде таралады.

Өзекшеге сырттан жарық (сыну көрсеткіші па=1 ауа) енгізу үшін, жарық сәулесі мен жарықөткізгіш осі арасындағы енгізу бұрышын сыну заңы негізінде анықтауға болады

                                                    (6.5)

демек,

.

Талап бойынша мынадай қортынды шығады

.                                                        (6.6)

Жарықөткізгіш шетіне сәулелерді максималды мүмкін енгізу бұрышы жарықөткізгіштің кіріс бұрыштық апертурасы деп аталады . Ол тек қана екі сыну көрсеткіштеріне тәуелді болады  және п2. Кіріс бұрыштық апертураның синусы жарықөткізгіштің сандық апертурасы NA деп аталады.

Бұл шама жарықты жарықөткізгішке енгізу үшін өте маңызды болып келеді.

 

Сыну көрсеткіштерінің жиілікті және кеңістікті өзгеруі.

Толқынды пакеттер ішінде кейбір бөлек толқындар әртүрлі ұзындықтарына байланысты әртүрлі жылдамдықтармен таралады. Осындай толқынды пакеттің таралу жылдамдығы топтық жылдамдық деп аталады. Сәйкесті топтық сыну көрсеткіші де анықталған ng, ол сыну көрсеткішімен былай байланысады

.                                                            (6.7)

 шамасы сыну көрсеткішінің қисығының қиғашын береді п(), ол қарастырып отырған толқын ұзындықтарының диапазонында теріс болып келеді. Айта кету керек, топтық сыну көрсеткіші өзінің минимумына толқын ұзындығы 1300 нм болғанда жетеді.

Егер, талшықты жарықөткізгіштің сыну көрсеткішін r радиусының функциясы деп қарастырсақ, онда сыну көрсеткішінің таралу профилі термині қолданылады. Оның көмегімен сыну көрсеткішінің өзекше әйнегінде талшықтың осінен қабықша әйнегіне бағытталғандағы радиалды өзгеруі сипатталады п=п(r).

Талшықты жарықөткізгіштегі модалардың таралуы осы сыну көрсеткішінің таралу профилінің формасына тәуелді болады. 

 

6.3-сурет. Талшықты жарықөткізгіштегі сыну көрсеткішінің профилі

 

Тәжірибеде қолдану үшін «сыну көрсеткіші таралу профилінің дәрежелік заңмен сипатталуы» (дәрежелік профильдер) өте маңызды. Бұл деген сөз, олардың радиус бойымен өзгеру қисығы радиустың дәрежелік функциясы ретінде сипатталатын сыну көрсеткішінің профилдері, яғни

.                                             (6.8)

r<a үшін (өзекшеде) және  ra үшін (қабықшада) тұрақты,

мұндағы   - өзекше ценріндегі сыну көрсеткіші;

 - оптикалық талшықтың осі бойының сыну көрсеткіші;

 - сыну көрсеткіштерінің нормаланған айырымы;

;

 - Өзекше радиусы, мкм;

u – профиль дәрежесінің көрсеткіші;

 - қабықшаның сыну көрсеткіші;

Сыну көрсеткіштерінің нормаланған айырымы сандық апертурамен NA немесе сыну көрсеткіштерімен п1 және п2 былай байланысады:

.                                       (6.9)

Ерекше жағдайларды атап өтейік (6.3-сурет):

-и = 1   - үшбұрышты профиль;

-и = 2   - параболалық профиль;

- - баспалдақты профиль (и шамасының шегі - шексіздік).

 

7Дәріс. Градиентті профилі бар сыну көрсеткіші мен баспалдақты профилі бар сыну көрсеткішінің арасындағы айырмашылық

 

Дәрістің мақсаты: студенттерге оптикалық талшықтың градиентті профилі бар сыну көрсеткіші мен баспалдақты профилі бар сыну көрсеткішінің арасындағы айырмашылықты түсіндіру.   

Сыну көрсеткішінің баспалдақты профилі бар оптикалық талшықтар.

Талшықты жарықөткізгіштің өзекше әйнегінде жарық, толық ішкі шағылуға негізделіп, сыну көрсеткішінің баспалдақты профилімен таралуы үшін, өзекше әйнегінің сыну көрсеткіші nt қабықша әйнегінің сыну көрсеткішінен үлкендеу болуы керек. Егер сыну көрсеткіштері өзекшенің көлденең қимасының барлық нүктесінде бірдей болса, онда сыну көрсеткіші баспалдақты профилді деп айтады, себебі, қабықша әйнегінен өзекше әйнегіне өткенде сыну көрсеткіші баспалдақты өседі және сонда өзгеріссіз қалады. 7.1-суретте талшықты жарықөткізгіштің сыну көрсеткішінің баспалдақты профилі және жарық сәулесінің сәйкесі бұрыштармен таралуы көрсетілген. Мұндай талшықты толқынөткізгіш сыну көрсеткішінің баспалдақты профилі бар  жарықөткізгіш немесе баспалдақты жарықөткізгіш деп аталады. Осындай типті талшықты жарықөткізгішті жасау оңай. Бірақ қазіргі уақытта ол сирек кездеседі.

7.1-сурет. Көпмодалы оптикалық талшықтағы сәулелердің жолы

 

Сыну көрсеткішінің баспалдақты профилі бар көпмодалы жарықөткізгіш көлемі:

- өзекше диаметрі    = 100 мкм;

- қабықша диаметрі D = 140 мкм;

- өзекшенің сыну көрсеткіші n1 1,48;

- n2 қабықшасының сынып көрсеткіші 1,46.

Бұл жағдайда толық ішкі шағылудың критикалық бұрышы, яғни жарық сәулесі өзекше әйнегінде таралып, қабықша әйнегінде сынбайтын, ең кіші бұрышы үшін түсу нормалы

   .

Талшықты жарықөткізгіш осімен  бұрыш құратын барлық жарық сәулелері өзекше әйнегінде таралады.

Мұндай талшықты жарықөткізгіш көпмодалы болып табылады. Онда таралатын жарық импульсі жарықөткізгіштің бөлек модаларында таралатын көптеген құраушылардан тұрады. Осы модалардың әрқайсысы жарықөткізгіш кірісінде өзінің бір бұрышымен қозып, өзекше әйнегінде сәуленің сәйкесінше әртүрлі қозғалу траекториясымен таралады. Әрбір мода оптикалық жолдың әртүрлі қашықтығын өтеді, сондықтан да жарықөткізгіш шығысына барлығы бір уақытта келмейді. Өтудің ең аз және көп уақыты өзекше мен қабықшаның сыну көрсеткіштері сияқты байланысады, сондықтан да мұндай қатынас сыну көрсеткіштерінің нормаланған айырымына шамалас, яғни 1 % -дан.

Егер, баспалдақты жарықөткізгіштің құрылымдық параметрлерінде тек бір мода таралады деп алса,онда модалық дисперсияны толық алып тастуға болады, нақтырақ айтқанда – фундаменталды (негізгі) мода НЕи.

Бірақ негізгі мода да жарықөткізгіш бойымен таралуы кезінде уақыт бойынша ұлғаяды. Бұл құбылыс хроматикалы дисперсия деп аталады. Бұл материалдың қасиеті болғандықтан, ол әрбір оптикалық жарықөткізгіш ішінде бола алады. Мода дисперсиясымен салыстырғанда, хроматикалық дисперсия 1200-1600 нм толқын ұзындығы диапазонында аз немесе мүлдем жоқ.

Фундаменталды мода көлемін (өрістің радиалды амплитудасын) суреттеу үшін, мода өрісінің диаметрі 2wa термині енгізілді. өшуі аз болатын тек фундаменталды моданы 1200 нм асатын толқын ұзындығы диапазонында тарататын баспалдақты талшықты жарықөткізгішті өндіру үшін,  мода өрісінің диаметрін 2wa 10 мкм-ге дейін азайту керек. Мұндай баспалдақты талшықты жарықөткізгіш бірмодалы оптикалық талшық деп аталады.

Егер бірмодалы жарықөткізгіштердің бүктемелері мен қосылыстары  болса, онда мода өрісінің диаметрінің мөлшері өшу сипаттамаларына әсер ететін маңызды фактор болып табылады. Осылай, мода өрісінің диаметрінің өсуі бүктемелерде жарықтың өтуін нашарлатады, бірақ ажырама тетікті және ажырама тетіксіз қосылыстардағы шығынды азайтады.

 

Сыну көрсеткішінің градиентті профилі бар оптикалық талшықтар.

Көпмодалы баспалдақты жарықөткізгіште модалар әртүрлі ұзындықты оптикалық жолдармен таралады, сондықтан да жарықөткізгіш шығысына әр уақытта келеді.

Бұл қажетсіз модалық дисперсия анағұрылым азайтыла алады, егер өзекше әйнегінің сыну көрсеткіші жарықөткізгіш осіндегі максималды шамадан п1 қабықшамен бөліну бетіндегі сыну көрсеткіші п2 шамасына дейін  параболалы азайса.

Мұндай сыну көрсеткішінің градиентті профилі немесе и=2 профиль дәрежесі көрсеткіші бар, көрсеткіштік заң бойынша сипатталатын сыну көрсеткішінің профилі мына теңдеулермен сипатталады:

r<a үшін өзекшеде      

.                                                 (7.1)

r>a үшін қабықшада

.                                                              (7.2)

Сыну көрсеткішінің осындай градиентті профилі бар оптикалық толқынөткізгіш градиентті талшықты жарықөткізгіш деп те аталады. Сыну көрсеткішінің градиентті профилі бар оптикалық жарықөткізгіш көлемі: өзекше диаметрі  = 50 мкм; қабықша диаметрі D - 125 мкм; өзекшенің максималды сыну көрсеткіші п1=1,46; сыну көрсеткіштерінің айырмасы А = 0,010.

7.2-суретте әртүрлі реттің жарық сәулелерінің жолы және градиентті жарықөткізгіштің сыну көрсеткішінің профилі

 

 

7.2-сурет. Сыну көрсеткішінің градиентті профилі бар оптикалық талшық

Жарық сәулелері оптикалық талшық арқылы толқын және бұранда тәрізді спиральді траекториялар бойынша таралады. Сыну көрсеткішінің баспалдақты профиліне қарама-қарсы, яғни олар зигзаг тәріздес болып тарамайды. Сыну көрсеткішінің п(r) өзекше әйнегінде үзіліссіз өзгеруіне байланысты сәулелер үзіліссіз сынады, сондықтан да олардың таралу бағыты өзгереді, осының негізінде олар толқындық траекториялар бойымен тарайды.  

Толқынөткізгіш осі айналасында тербелген сәулелер жарықөткізгіш осі бойымен келген сәулелерден көрі көп жол жүреді. Бірақ, сыну көрсеткішінің аздығы бұл толқындарға шапшаң қозғалуға мүмкіндік береді, осыған орай ұзақ оптикалық жолдар бойымен таралса да, олардың өту уақыты аз болады.

Осының нәтижесінде әртүрлі сәулелердің уақыттық кешігу айырмасы жоққа шығады, сонымен қатар, Р«1 шамасы да, сыну көрсеткіштерінің айырмасы да толқын ұзындығына X тәуелді болады. Осыдан, профиль дәрежесінің көрсеткіші и де толқын ұзындығына тәуелді болып келеді.

Талшықты градиентті жарықөткізгіштің сыну көрсеткіші жарықөткізгіштің осінен r қашықтыққа тәуелді болғандықьан, сандық апертура r  функциясы болып табылады.

.                                                     (7.3)

Сыну көрсеткішінің градиентті профилі бар кәдімгі жарықөткізгіштің сандық апертурасы

                              (7.4)

және максималды кіріс бұрыштық апертура тах

 

8 Дәріс. Сигналдың толқынды және сәулелік таралу теориясы

 

Дәрістің мақсаты – сыну көрсеткішінің көпбаспалдақты профилін және оптикалық сигналдардың толқынды және сәулелік тарату теориясын қарастыру.

Сыну көрсеткішінің көпбаспалдақты профилі

бірмодалы талшықты жарықөткізгіш ішіндегі дисперсия 2 түрлі болады. Бір жағынан, материал дисперсиясы бар, ол сыну көрсеткішінің және осыдан жарық жылдамдығының толқын ұзындығына тәуелділігінен шығады п=п(λ), с=с(λ). Екінші жағынан, толқынөткізгіш дисперсия бар, ол фундаменталды мода НЕ11 жарығының өзекше мен қабықша әйнектерінде таралуның және сәйкесінше сыну көрсеткіштері айырымының толқын ұзындығына тәуелділігінен туады Δ=Δ (λ). Дисперсияның екі түрі бірге алғанда хроматикалық дисперсия деп аталады. 1300 нм асатын толқын ұзындығы диапазонында осы дисперсияның екі түрі кварцты әйнекте қарама-қарсы таңбалы болып келеді. Материал дисперсиясы легирлейтін қосындылар көмегімен елеусіз ғана өзгертіле алады. Ал толқынөткізгіш дисперсияға сыну көрсеткіші профилінің басқа құрылымын қолдану арқылы қатты әсер етуге болады.

Қарапайым бірмодалы жарықөткізгіштің сыну көрсеткішінің профилі сыну көрсеткіштерінің айырымы бар Δ баспалдақты болып келеді. Профильдің осындай қарапайым құрылымында толқын ұзындығы λ=1300 нм болғанда материал мен толқынөткізгіш дисперсияларының қосындысы нолге тең.

Егер басқа толқын ұзындықтарында нолдік дисперсия алғымыз келсе, толқынөткізгіш дисперсияны, яғни талшықты жарықөткізгіштің профилінің құрылымын өзгерту керек. Бұл сыну көрсеткішінің көпбаспалдақты немесе сегментті профиліне алып келеді. Осы профильдерді қолданып, нолдік дисперсиялы толқын ұзындығы 1550 нм дейін жылжыған (жылжыған дисперсиясы бар талшықты жарықөткізгіштер) немесе дисперсия шамасы 1300-ден 1550 нм дейінгі толқын ұзындығы диапазонында өте аз болатын (тегістелген дисперсиясы бар талшықты жарықөткізгіштер) талшықты жарықөткізгіштерді  шығаруға болады.

Оптикалық талшықтарда жарықты таратудың толқындық теориясының негізгі түсініктері.

Жарық бұл электромагнитті толқын болғандықтан және оның кез-келген ортада таралуы Максвелл теңдеулерімен сипатталатындықтан, жарықтың таралуы магнитті өрістің индукция () мен кернеулік () векторларының және электр өрісінің индукция () мен кернеулік () векторларының өзгеруімен қарастырыла алады. Олар өзара және орта параметрлерімен, орта өтімділігі σ=0 шарты орындалса, Максвелл теңдеулері арқылы байланысады.

 Оптикалық сигналдар таралуының толқындық анализі.

Айтылып кеткендей, ОТ сипаттамаларын жан-жақты зерттеу тек толқындық теория негізінде, Максвелл теңдеулерін шешу жолымен жүргізіле алады. Электрлік Ez және магнитті Hz өрістерінің бойлық құраушылары үшін осі цилиндрлік координаталар жүйесінің осімен бірдей болатын екі қабатты ОТ өзекшесіне қатысты мынаған тең

,                     (8.1)

,                      (8.2)

мұндағы- талшық өзекшесінде толқын таралуының

көлденең коэффициенті;

β таралудың бойлық коэффициенті;

n – сыну коэффициенті.

,    ,

k0 - толқындық сан;

εо және μо – сәйкесінше ортаның диэлектриктік және магнитті өтімділігі, ал 1 және 2 индекстері өзекше мен қабықша параметрлеріне сәйкес келеді. Талшық магнитті емес материалдан жасалатындықтан, μ0=1, демек

.                                                                     (8.3)

Өзекше мен қабықшадағы толқындар таралуының физикалық процесстерінің өзгешеліктеріне байланысты, теңдеулер жүйесін шешу үшін әртүрлі функциялар қолданылады. Осылайша, өзекше үшін шешімдер Бессель функциялары түрінде табылады

,                                       (8.4)

,                                       (8.5)

Қабықша үшін теңдеулер шешімдері Ганкель функциясы арқылы табылады

,                                   (8.6)

.                                    (8.7)

Жалпы түрде осындай теңдеулердің бірнеше шешімі бар, олардың әрқайсысына мода деп аталатын белгілі бір толқын түрі сәйкес келеді. Ол өріс құрылымының күрделілігімен анықталады, мысалы көлденең қимасындағы максимумдар мен минимумдар санымен, олар екі сандық индекстерімен белгіленеді п және т. п индексі өрістің ОТ периметрінңі бойымен өзгеру санын көрсетеді, ал  т индексі өрістің диаметр бойымен өзгеру санын көрсетеді.

Оптикалық талшықта екі түрлі толқын тарала алады: бойлық симметриялы Епт және Ннт олардың әрқайсысында бір бойлық құраушы бар, және симметриялы емес толқындар, олардың әрқайсысында екі бойлық құраушысы бар. Оның біреуі ЕНпт, оның электрлік құраушысы басым Ег және екіншісі НЕ, онда магнитті құраушы басым Hz. т>0 болғанда гибридті модалар, ал т=0 болғанда көлденең модалар Т01, және ТН01 болады.

dc диаметрі аз болған сайын, оптикалық талшыққа түсетін жарық ағынының қимасы аз болады, талшықта әртүрлі тербелістер түрі немесе модалар саны да аз болады. Бірнеше мода таралатын талшықты көпмодалы деп атайды (КМ), ал бір мода таралатын талшықты бірмодалы деп атайды (БМ).  Өндірісте шығарылатын жарықөткізгіштер үшін БМ талшық диаметрі 7-10 мкм, ал КМ талшық диаметрі – 50; 62,5; 85 және 100 мкм. БМ талшықта бір ғана гибридті мода HE11 қолданылады, ал КМ талшықта әртүрлі, көлденең де, гибридті де модалар қолданылады.

Оптикалық сигналдарды таратудың сәулелік теориясы

Толқынның жарықөткізгіш бойымен таралуын қарастырайық:

 

а)

б)

в)

8.1-сурет. Жарықөткізгіш бойымен таралатын сәулелер

 

а) θ®900; λ®0; ¦®¥ (таралу үшін ең жақсы шарт);

б) θ®0; λ®d; ¦® (таралу үшін ең нашар шарттар);

в) θ; λ0=d, ¦0=      тұрғын толқын режимінде таралу жоқ.

Осыдан, жарықөткізгіште өзекше диаметрімен салыстырғанда тек ұзындығы кіші толқындар таратылады. (l<d)

d – өзекше диаметрі  l-толқын ұзындығы

 

 

9 Дәріс. Нормаланған және шектік жиілік

 Дәрістің мақсаты: ОТ қасиеттерін бағалау үшін қолданылатын сипаттамаларды қарастыру.

Нормаланған және шектік жиілік.

Бағыттаушы мода бар болуының шарты оның қабықшадағы өрісінің r координатасы бойымен экспоненциалды азаюы болады, осыған қоса, r өскен сайын кернеуліктің азаю дәрежесі υ мәнімен анықталады, ал оның азаюы өрістің ОТ қабықшасына қайта таралуына – ағын толқындар пайда болуына алып келеді. υ=0 болғанда толқындық процестің сапалық өзгеруі болады, ол деген сөз бағытталған мода болуын жоққа шығарады. Бұл режим шекті режим деп аталады. Осыған орай, оның пайда болу шартын анықтау өте маңызды. Оны жүзеге асыру үшін соңғы теңдеулерге v=0 мәнін қойып шығамыз, нәтижесінде теңдеулердің оң жақтары шексіздікке айналады да және Е және Н модалары үшін мына шарт орындалады:

бұл олардың пайда болу немесе жоқ болып кету шектерін анықтайды. Осы теңдеудің шексіз шешімдері бар, сондықтан, оң түбірді р арқылы белгілеп және χ және υ қолданып мынаны аламыз 

.       (9.1)

Нормаланған жиілік атты шаманы енгізейік

 ,                                             (9.2)

мұндағы а талшықтың өзекше радиусы.

Бұл ОТ қасиеттерін бағалау үшін қажетті ең маңызды жалпылағыш параметрлердің бірі. Ол талшықтың құрылымдық параметрлерін және онда таралатын жарықтық толқын ұзындығын байланыстырады.

Талшықтың өзекше радиусы өскен сайын V да өседі, ал толқын ұзындығы өскен сайын азаяды. Кестеде қабықша сыну коэффициентінің әртүрлі мәндеріндегі (п1=1,51) нормаланған жиілік, толқын ұзындығы және өзекше радиусының мәндері келтірілген.

 

9.1 - кесте Нормаланған жиілік үшін ара-қатынас

, мкм

а-ға қатысты V мәні, мкм

4

5

25

50

n2

1,49

1,5

1,49

1,5

1,49

1,5

1,49

1,5

0,85

7,24

5,1

9,05

6,2

45,2

32,1

90,5

63,9

1,00

6,15

4,2

7,69

5,2

38,5

27,1

76,9

54,3

1,30

4,73

3,2

5,92

4,1

29,3

21,4

59,2

41,8

1,55

3,97

2,7

4,96

3,4

25,2

17,6

49,6

35,1

 

Бірмодалы режим болады, егер нормаланған жиілік V≤2,405 болса, онда Δп=n1-n2 аз болған сайын, жарықөткізгіштің радиусы өсіп, бірмодалы режим қамтамасыз етіледі.

Осылайша, 2,405<V<5,520 болғанда ОТ-та Е01 және H01 модалары таралады, ал 5,520<V<8,654 болғанда, оларға Е02 и Н02 модалары қосылады және т.с.с. Дегенмен, V<2,405 теңсіздігі симметриялы модалардың жоқтығын көрсетеді.  

Соңғы формула симметриялы толқындар үшін шекті толқын ұзындығын λшек анықтауға мүмкіндік береді

                                                  (9.3)

немесе жиілікке көшкенде

.                                                      (9.4)

Таралатын мода үшін λ<λшек шарты орындалу керек, яғни V>V0m, ал егер орындалмаса, бұл мода жоқ деген сөз.

Симметриялы модалардан айырмашылығы, симметриялы емес модаларда электромагниттік өрістің барлық алты құраушы векторлары бар және оларды электрлік және магнитті деп бөлуге болмайды. Бұл жағдайда шекті нормаланған жиілік былай анықталады

Vnm=pnm,

n=1,2,3…N; m=1,2,3…M,

мұндағы р – сәйкесті трансцендентті теңдеудің оң түбірі, ол толқын түрін сипаттайды.

Бағыттаушы модалар арасында НЕ11 ерекше орын алады, оның нормаланған жиіліктің шекті мәні v = 0 тең. Бұл баспалдақты ОТ-тың негізгі (фундаменталды) модасы, себебі ол талшықтың кез-келген құрылымдық параметрлері кезінде және кез-келген жиілікте тарала алады. Геометриялық оптика тұрғысынан алғанда, ол талшықтың осі бойымен енгізілетін сәулемен құрылады, себебі, тек осындай сәуле сипаттамалары «қабықша-өзекше» шекарасындағы шағылу шарттарына тәуелді болмайды.

.                                            (9.5)

Бағыттаушы модалар саны және қиылу толқын ұзындығы

Талшықта фундаменталды мода таралу үшін қажетті минималды толқын ұзындығы талшықты қиылу толқын ұзындығы деп аталады және ол мынаған тең

.                                           (9.6)

ОТ-ғы бағыттаушы модалар саны λ сәулеленудің берілген мәндері үшін дисперсиялы теңдеу шешімдер санымен анықталады. Айтылған шамалар арасындағы ара-қатынастың өзгеруі N өзгеруіне алып келеді. Сыну көрсеткішінің баспалдақты профилі бар ОТ-ғы жалпы модалар санын былай анықтауға болады

.                                                     (9.7)

Жоғарыда келтірілген сыну көрсеткішінің профильдеріне арналған теңдеулерін ескере отырып, кез-келген профилі бар талшық үшін модалар санын есептеуге болады

                                                                 (9.8)

ал параболалық және баспалдақты профильдер кезінде сәйкесінше

 және ,

мұндағы V – нормаланған жиілік;

                 а – талшықтың өзекше радиусы;

                 n1 – талшық өзекшесінің сыну көрсеткіші.

Осылайша, нормаланған жиілік бірдей болғанда, параболалаық сыну көрсеткіші бар ОТ-та баспалдақты көрсеткіші бар ОТ-қа қарағанда бағыттаушы модалар саны екі есе аз болады, демек, оның тарату сипаттамалары аңағұрылым жақсы болады.

 

Модалық өріс диаметрі

Бірмодалы талшықтың негізгі сипаттамаларының бірі модалық өрістің бөлінуі, модалық дақ деп те анықталады. Оның диаметрі гаусс сәулесі кезінде 1/е деңгейінде оптикалық өрістің амплитуданың таралуы қисығының кеңдігіне немесе 1/е2 нүктесінде оптикалық қуат (интенсивтілік) таралу қисығының кеңдігіне тең болады.

Оны табу үшін тарату қуаты мен ығысу арасындағы тәуелділікті табу керек.

 10 Дәріс. Оптикалық кабельдердегі өшу

 Дәрістің мақсаты: студенттерді оптикалық кабельдердің негізгі сипаттамаларымен (өшу мен дисперсия) таныстыру.

Оптикалық кабельдердегі өшудің жалпы функциясы және классификациясы.

Оптикалық сигналдың талшықта таралуы кезінде қуаттың жоғалуы Р және жарықтық толқындардың/бөлшектердің талшық ортасымен әртүрлі сызықты және сызықты емес ара-қатынастарының негізінде оның экспоненциалды өшуі болады. Егер Ро ұзындығы L талшықты жарықөткізгішке енгізілетін қуат болса, онда PL өткен қуат былай анықталады

,                                                    (10.1)

мұндағы Ро – талшыққа енгізілген қуат;

L - талшық ұзындығы;

ат талшықтың өшу тұрақтысы.

Осы формуланы қолданып, жалпы және меншікті километрлік шығындарды есептеуге болады

                                        (10.2)

.                                             (10.3)

Меншікті немесе километрлік шығындарды ОТ-тың өшу коэффициенті деп те атайды.

Жалпы алғанда, өшу ОТ-тағы өзіндік шығындар aө мен қосымша, басқаша айтқанда кабельдік шығындармен aк сипатталады. Кабельдік шығындар бұрма, оптикалық талшықтың қорғаныс қабықшаны орау кезіндегі деформациясы мен бүгілуі салдарынан болады

a=aө+aк.                                                           (10.4)

Талшықты жарықөткізгіштің өзіндік шығындары жұтылу aж мен шашырау aш шығындарынан тұрады

a=aж+aш.                                                         (10.5)

Осы категорияға жататын шығын көздері кез-келген талшық түрі үшін тұрақты болып келеді, олар талшықты өндіру технологиясының сапасымен анықталады. Талшықты-оптикалық кабельдерді пайдалану тәжірибесі көрсеткендей ОТ-тағы өшу ұзақ уақыт бойы (шамамен 10 жыл) өзгермейді.

Талшықты жарықөткізгіш бойымен сигналдың таралуы кезінде пайда болатын өшу былай түсіндіріледі: жарықөткізгіш кірісіне келетін қуаттың бір бөлігі тұрақсыздықтар әсерінен болатын сәулелердің таралу бағытының өзгеруі нәтижесінде шашырайды және қоршаған ортаға таралады aш. Қуаттың басқа бөлігі кварцтың өзінің молекулаларымен aмж және сонымен қатар джоульдік жылу түрінде бөлініп, бөтен қоспалармен aбқ де жұтылады.

a=aмж+aқж.                                                       (10.6)

 

Оптикалық кабельдегі өшулердің классификациясы 10.1-суретте көрсетілген.

 

10.1-сурет Оптикалық кабельдегі өшулердің классификациясы

 Оптикалық кабельдің материалындағы энергияның жұтылуынан болатын өшу.

Жұтылудан болатын өшу өзіндік жұтылу және әйнек құрамында металл иондарының Fe2+, Син, Cri+ және гидроксидті топ ОН иондарының болу салдарынан болатын жұтылудан тұрады. Өзіндік жұтылу металлдың идеалды құрылымы кезінде шығады. Бұл шығындар механизмі электр өрісіндегі диэлектриктің қасиетіне байланысты болады. ТОБЖ жұмыстық жиілік диапазонында сандық көрсеткішпен былай көрсетуге болады

,                                                     (10.7)

мұндағы n1 -   ОТ өзекшесінің сыну көрсеткіші;

tgδ ОТ өзекше материалының диэлектриктік шығындар

бұрышының тангенсі, ол 10-12 до 2-10-11 диапазонында мәндер

қабылдай алады;

λ - толқын ұзындығы, км.

Формуладан көрініп тұрғандай, жұтылудың бұл құраушысы жиілікпен бірге сызықты өседі және оптикалық талшық материалының қасиеттеріне тәуелді болып келеді. Ол берілген диэлектрик үшін жұтылудың астыңғы шегін сипаттайды және ультракүлгін және инфрақызыл облыстарда маңызды болады. Шағылу толқын ұзындығы 1,6 мкм көп болса, қарапайым кварцты әйнек шығындар санының өсуіне байланысты мөлдір емес бола бастайды, олар көрсеткіштік функцияға прапорционалды және жиілік өскен сайын азаяды

,                                                           (10.8)

мұндағы с және k – тұрақты коэффициенттер (кварц үшін k=(0.7+0,9)-106 м, с=0,9).

Жұтылу үшін маңызды тағы да бір қоспа бұл су, ол ОН- иондары түрінде кездеседі. Әйнек құрамындағы ОН- иондарының саны оны өндіру процесіне байланысты. Онда 1480 нм толқын ұзындығы аумағында максималды жұтылу байқалады. Ол әрқашан бар болады. Сондықтан да, осы шың аумағындағы спектр аймағы көптеген шығындардың есебінен қолданылмайды. Дегенмен, айта кету керек, 1970 жылдардың өзінде оптикалық талшық өте таза болғандығы соншалық (99,9999%), қоспалар әсерінен болатын өшу негізгі фактор болмай қалады. Өшудің әрі қарай азаюына Рэлеевті жарық шашырау кедергі жасайды.

 Рэлеевті жарық шашырау әсерінен болатын өшу.

Шашырау әсерінен болатын өшу бірнеше механизм арқылы жүреді. Барлық оптикалы мөлдір заттарда жарық сыну көрсеткішінің флуктуациясы әсерінен шашырайды, ал олар сұйық фаза және тығыздалғандағы «қатқан» жылулық флуктуация әсерінен туады. Шашыраудың әсерінен болған сыну көрсеткішін мына формуладан таба аламыз

,                               (10.9)

мұндағы k =l,38*1023 Дж/К - Больцман тұрақтысы;

Т-1500 К -әйнектің созғандағы қатаю температурасы;

β=8,1*10-11 м2/Н – сұйықтық коэффициенті (кварц үшін);

n- өзекшенің сыну көрсеткіші.

Мұндай шашырау Рэлеевті болып келеді. Ол толқын ұзындығының төрт дәрежесіне кері және көлемі толқын ұзындығынан кем тұрақсыздықтарға тән. Рэлеевті шашыраудағы толық шығындар толқын ұзындығына тәуелді және былай есептеледі

,                                                                 (10.10)

мұндағы Кршашырау коэффициенті, кварц үшін 0,8 [(мкм4. дБ)/км];

λ-толқын ұзындығы, мкм.

 

10.3-суретте қазіргі заманғы бірмодалы және көпмодалы талшықтар үшін өзіндік шығындардың спектралды тәуелділігінің жалпы түрі көрсетілген. Төрт басты параметрдің мәндері көрсетілген (үш мөлдірлік терезелердегі 850, 1300 және 1550 нм өшу минимумдары және 1480 нм толқын ұзындығындағы жұтылу шыңы)

10.3 сурет. Оптикалық талшықтағы өзіндік шығындар

Қосымша кабельдік өшулер

Қосымша өшу жеті түрлі парциалды өшу коэффициенттерінен тұратын кабельдік шығындармен (αк) анықталады.

,                                                            (10.11)

мұндағы -кабельді өндіру барысында оптикалық талшыққа термомеханикалық құбылыстардың әсер етуінен туады;

 - оптикалық талшық материалының сыну көрсеткішінің температуралық тәуелділігінен туады;

 - оптикалық талшықтағы микробүгілулер әсерінен туады;

-ОТ тура сызықтылығы бұзылғанда пайда болады (бұрма);

-оптикалық талшықты осіне қатысты бұрау кезінде (бұрмалаудың остік кернеулері);

- оптикалық талшық жамылғысының тұрақсыздығынан туады;

- талшық қорғаныс қабықшасындағы шығындар әсерінен туады.

 11 Дәріс. Дисперсия түрлері

Дәрістің мақсаты: дисперсия арқылы ақпаратты тарату үшін өткізу қабілеттілігін қарастыру

Дсперсия түрлері мен анықтамасы

ОТ маңызды бір параметрінің бірі дисперсия болып табылады, ол талшықтың ақпаратты тарату үшін өткізу қабілеттілігін анықтайды.

Дисперсия бұл оптикалық сигналдың спектралды немесе модалы құраушыларының уақыт ішіндегі шашырауы, ол оптикалық сәулеленудің импульс ұзақтығының үлкеюіне алып келеді (11.1-сурет).

11.1- сурет. Дисперсия әсерінен болатын импульс пішінің өзгеруі

 

Дисперсия ОТ кірісіндегі мен шығысындағы импульстер ұзақтығы квадраттарының айырмасына тең

.                                              (11.1)

Дисперсия ОТ-тың жиілік диапазонын шектеп қана қоймай, сонымен қатар, сигналдардың таралу ұзақтығын айтарлықтай азайтады. Себебі, линия неғұрылым ұзын болған сайын, импульстер ұзақтығы соғұрылым көп болады. Ол жалпы түрде үш негізгі фактормен анықталады: бағыттаушы модалар таралуының жылдамдық айырмашылығы, оптикалық талшықтың бағыттаушы қасиеттері және жасалған материал параметрлері. Осыған байланысты, дисперсия пайда болуының негізгі себебі, бірінші жағынан ОТ-ғы модалардың көп саны (модалы немесе модааралық дисперсия), екінші жағынан толқын ұзындығы спектрінде жұмыс жасайтын (Δλ) сәулелену көзінің когерентті еместігі (хроматикалық дисперсия). Модалық дисперсия көпмодалы ОТ-да көп кездеседі және ОТ бойымен модалардың кірістен шығысқа қарай өту уақытының айырмашылығымен сипатталады.

Хроматикалық дисперсияның пайда болу механизмін Фурье түрлендірулері арқылы сипаттау ыңғайлы.

Бірмодалы жарықөткізгіш бойымен импульстердің таралуы кезінде бұрмаланулардың жоқ болуы мына шарт орындалса бола алады: егер НЕ11 типті негізгі моданың таралу тұрақтысы β жиіліктің сызықты функциясы болса. Оны былай көрсетуге болады. Жарықөткізгіш кірісіндегі импульсті сигналды белгілейік gi(t), оның Фурье түрленуі Gi(t). Онда импульс жарықөткізгіш бойымен z қашықтыққа таралғаннан кейін мына түрге келеді

,                             (11.2)

z ұзындықты жарықөткізгіш ішінде таралғаннан кейін әрбір спектралды құраушы β(ω)z фазалық өсімше алады. Егер сигналдың спектралды кеңдігі оптикалық тасушының жиілігімен ω/2π салыстырғанда аз деп алатын болсақ, онда β(ω) функциясын импульс спектірінің орталық жиілігі ωc айналасында Тейлор қатарына жіктеуге болады.

      (11.3)

Егер таралу тұрақтысын β(ω) жиіліктің сызықты функциясы деп ұйғарсақ, онда Тейлор қатарының екі мүшесі ғана бар, яғни

.    (11.4)

(11.4) шығатын қортынды егер β(ω) жиілікке сызықты тәуелді болса, жарықөткізгіш шығысындағы сигнал кірістік сигналға бұрмаланбаған үндесу болып табылады (тек сигнал кешігуі орын алады). Тұрақты мүшелер алынып тасталды, себебі олар импульс пішініне әсер етеді.

Таралу тұрақтысындағы сызықсыздықтар екі фактормен анықталады.

Біріншісі өзекше мен қабықша материалының сыну коэффициенттері жиілік функциялары болып табылады (материалды дисперсия). Екінші фактор өзекше мен қабықша сыну коэффициенттері жиілікке тәуелсіз болған жағдайда да көрініс табады. Бұл жағдайда β толқынөткізгіштік эффект салдарынан жиіліктен сызықсыз тәуелділікті сақтайды (толқынөткізгіштік дисперсия). Кейде оны геометриялық дисперсия деп те атайды. 

Тұрақты (мысалы, тұрақты геликоидалды құрылымы бар), тұрақсыз (мысалы, электрлік орталардың шекараларында болатын тұрақсыз өзгерістер) және біркелкі емес (мысалы, өзге бөлшектері бар) бола алатын шынайы оптикалық талшықтарда жоғарыда айтылып өткен дисперсияның материалды және толқындық құраушыларынан басқа профильді құраушысы бар. Оның пайда болу мысалдарына талшықтың геометриялық пішіні мен түрінің көлденең және бойлық аз шамалы ауытқулары (флуктация) жатады, мысалы, талшықтың көлденең қимасының аз-маз эллипсті болып келуі, сыну көрстекіші профилінің (СКП) шекараларының өзгеруі, СКП остік және остік емес құламалары, олар ОТ шығарудағы технологиялық ерекшкліктерге байланысты туады.

 Модалық дисперсия

Модалық дисперсия тек көпмодалы талшықтарға тән және ОТ бойымен кірістен шығысқа қарай модалардың таралу уақытының айырмашылығымен анықталады. Баспалдақты және градиентті талшықтардағы модалық дисперсияның пайда болу процесін бөлек қарау керек. Сыну көрсеткішінің баспалдақты профилі бар ОТ-тағы электромагнитті толқындардың таралу жылдамдығы мынаған тең.

V=c0/n1,                                                            (11.1)

мұндағы c0 вакуумдағы жарық жылдамдығы;

n1 – ОТ өзекшесінің сыну көрсеткіші.

Оптикалық сәуленің минималды таралу уақыты θn=0 болған кезде, ал максималды таралу уақыты θn=θкр мәнде болғандықтан, осыларға сәйкес таралу уақытының мәндерін былай жазуға болады

  және   ,

мұндағы L – жарықөткізгіш ұзындығы;

Осыдан модааралық дисперсия мәні мынаған тең

.                (11.2)

Соңғы теңдеуден талшық ұзындығы өскен сайын, модалық дисперсияның өсетінін көруге болады. Бірақ бұл тек идеалды, модалар арасында әсерлесуі жоқ талшыққа ғана тән. Шын мәнінде біртексіздік, бұрмалар және талшықтың бүгілуі модалар арасындағы әсерлесуге, яғни бір модадан екінші модаға энергияның әрдайым ауысуына алып келеді. Осыған байланысты дисперсия  прапорционалды болады. Бұл әсер бірден емес, тек жарық толқынының бір қашықтық өткеннен кейін ғана пайда болады. Бұл қашықтық модалар байланысының орныққан ұзындығы деп аталады да Lб=(57) км тең деп алынады. Ол эмпирикалық жолмен анықталған.

Модалық дисперсияны анықтаудағы инженерлік есептеулерде мынаны ескеру керек: модалар байланысының ұзындығы деп аталатын Lб линия ұзындығына дейін модааралық байланыс жоқ, содан кейін L>Lб болғанда модалардың өзара түрлену процессі жүреді де орныққан режим келеді. Сондықтан да L<Lб кезінде дисперсия сызықтық заңымен, ал L>Lб квадраттық заңмен ұлғаяды. Демек, модалық дисперсияны анықтау үшін жоғарыда берілген формулалар тек L<Lб линия ұзындығына сәйкес келеді.

L>Lб линия ұзындықтарында мына формулаларды қолданған жөн:

баспалдақты жарықөткізгіш үшін

;                                                          (11.3)

градиентті жарықөткізгіш үшін

,                                                       (11.4)

мұндағы L- линия ұзындығы;

Lб – модалар байланысының ұзындығы (орныққан режимнің), ол баспалдақты талшық үшін 5-7 км және градиентті талшық үшін 10-15 км-ге тең. Ол эмпирикалық жолмен орнатылады.

Хроматикалық (жиіліктік) дисперсия.

Бұл дисперсия сәулелену көзінінің жиілік спектрімен, бағыттаушы диаграмма сипаттамасымен және оның когерентті еместігімен анықталады. Хроматикалық дисперсия материалды, толқынөткізгіштік және профильді болып бөлінеді.

Материалдық дисперсия

Материалдық дисперсия, немесе материал дисперсиясы жиілікке (мөлдір материал үшін) және ОТ материалына тәуелді болады. Әдетте оған кварцты әйнек қолданылады. Дисперсия, толқынның орта материалының байланысқан электрондарымен электромагнитті әсерлесуімен анықталады. Ол әдетте, сызықты емес (резонансты) қасиетке ие және тек резонанстардан алыста ғана дәлдікпен сипаттала алады, мысалы Селлмейер теңдеуімен

,                            (11.5)

мұндағы ω-резонансты жиіліктер;

Rj- j-ші резонанс шамасы, ал көлемді кварцтық әйнек үшін j бойынша қосу бірінші үш резонанс бойынша  жүргізіледі.

Жарықөткізгіш материалында дисперсияның пайда болуы, тіпті бірмодалы талшықтар үшін де, кірісті қоздыратын оптикалық шығу көзінің (жарықсәулелегіш ЖСД немесе лазерлік диод ЛД) белгілі бір енді (мысалы, ЖСД үшін шамамен 35-60 нм, көпмодалы ЛД үшін 2-5 нм, бірмодалы ЛД үшін 0,01-0,02 нм) үзіліссіз толқындық спектрі бар жарықтық импульстерді қалыптастыруына байланысты туады.

Импульстің әртүрлі спектралды компоненттері әртүрлі жылдамдықпен қозғалады және белгілі бір нүктеге (импульс ораушысының қалыптасу фазасы) әртүрлі уақытта келеді. Ал, бұл импульстнің шығыста кеңеюіне, кейбір шарттарда бұрмалануына алып келеді.

τмат анықтау үшін мына формуланы қолдануға болады

.                                         (11.6)

Толқынөткізгіштіқ (ішкімодалық) дисперсия

Толқынөткізгіштіқ (ішкімодалық) дисперсия мода ішіндегі процесстермен анықталады. Ол ОТ өзекшесінің бағыттаушылық қасиеттерімен сипатталады, дәлірек айтқанда: моданың топтық жылдамдығының оптикалық сәулеленудің толқын ұзындығына тәуелділігімен, өз кезегінде бұл сәулелену спектрінің жиіліктік құраушыларының таралу жылдамдықтарының айырмашылығына алып келеді. Сондықтан, ішкімодалық дисперсия бірінші кезекте, ОТ сыну көрсеткішінің профилімен анықталады және шығу көзі сәулелену спектрінің еніне Δλ прапорционалды болады, яғни

,                                                       (11.7)

мұндағы B(λ) меншікті ішкімодалық дисперсия, оның мәндері 11.1 кестеде келтірілген.

 Модалық, материалық, толқынөткізгіштік және профильді дисперсиялардың әсерінен импульстердің кеңеюінің қортынды мәні мына теңдеумен анықталады

.                           (11.9)

 12 Дәріс

Дәрістің мақсаты: ТОТЖ регенерациялық бөлігінің ұзындығын өшу және дисперсия бойынша есептеу.

Негізгі есептік байланыс

Жоғарыжылдамдықты ТОТЖ жобалаған кезде өшу бойынша регенерация бөлігінің ұзындығы (La) және бөлек кеңжолақтылық бойынша регенерация бөлігінің ұзындығы (Lв)  есептелуі керек, себебі La және Lв шекті мәндерін шектейтін себептер бір-біріне тәуелсіз.

Жалпы жағдайда, өшу бойынша регенерация бөлігі ұзындығының екі шамасын есептеу керек:

-Laмакс-регенерация бөлігінің максималды жобалық ұзындығы;

-Laмин-регенерация бөлігінің минималды жобалық ұзындығы.

Регенерация бөлігінің ұзындығын есептеу үшін келесі формулалар қолданылады

,                                           (12.1)

,                                                                 (12.2)

,                                                                       (12.3)

мұндағы  амакс және амин [дБ] – ТОТЖ аппаратурасының айқасушы өшуінің максималды және минималды мәндері, өзінің жұмыс жасау мерзімінің соңында қателер коэффициенті 1*10-10 аспайды;

αок[дБ/км]–кабельдің ОТ-ғы километрлік өшу;

αмқ[дБ]–регенерация бөлігі мен кабельдің құрылыстық ұзындығының арасындағы ажыратылмайтын оптикалық қосқыштағы опт. сәулелену қуатының өшуінің орташа мәні;

Lқұр [км] – регенерация бөлігіндегі кабельдің орташа құрылыстық ұзындығының мәні;

αмқ [дБ] – ажыратылатын оптикалық қосқыш қуатының өшуінің орташа мәні;

n–регенерация бөлігіндегі ажыратылатын оптикалық қосқыштар саны;

τ [пс/нм-км] – бірмодалы ОТ-тың қорытынды дисперсиясы;

(Δλ) [нм] – сәулелену көзінің спектрінің кеңдігі;

В [Мгц] – оптикалық тракт бойымен таралатын сандық сигналдар кеңжолақтылығы;

М [дБ] – регенерация бөлігіндегі кабель бойымен ТОТЖ жүйелік қоры.

 Егер есептер бойынша Lв<Lмакс алынса, онда жобалау үшін басқа техникалық берілгендері (Δλ,τ) бар регенерация бөлігінде кеңжолақтылықтың үлкен қорын қамтамасыз ететін кабель немесе аппаратура таңдалу керек.  Есептеулерді жаңадан бастау керек.

Аппаратура немесе кабельді таңдаудың соңғы шарты

Lв>Lамакс.

Айқасушы өшудің максималды мәні таратудағы оптикалық сәулелену қуатының деңгейі мен ТОТЖ үшін қабылдаушының сезімталдық деңгейінің айырмасы ретінде анықталады.

Айқасушы өшудің минималды  мәні таратудағы отикалық сәулелену қуатының деңгейі мен ТОТЖ үшін қабылдаушының асыра жүктелу деңгейінің айырмасы ретінде анықталады.

Қабылдаушының сезімталдық пен асыра жүктелу деңгейлері қабылдағыш кірісіндегі оптикалық сәулелену қуатының деңгейі мәнінің сәйкесінше минималды және максималды мәндері ретінде анықталады.

(12.1), (12.2) и (12.3) теңдеулерде берілген оптикалық талшықтар мен кабельдердің параметрлері сатылатын оптикалық кабельдің техникалық сипаттамаларында берілу ок, т) керек және орнату технологиясы мен шарттарымен анықталу керек ақ, Lқұр).

Дисперсия бойынша регенерация бөлігінің ұзындығы мына формуламен есептеледі.

,                                                (12.4)

(оптикалық кабельдің құрылыстық ұзындығы);

(бірмодалы кабель үшін регенерация бөлігінің соңындағы өткізу жолағының кеңдігі).

Жарықөткізгіш талшық

Бір және көпмодалы жарықөткізгіштер қосымша беріктік қабықшасыз қолдануға жарамсыз. Себебі ажыраманың қатысты ұзартылуы салыстырмалы аз болып келеді, шамамен он пайыз және сонымен қатар, иілу, созылу және бұру әсерінен кернеулердің пайда болуы өте үлкен мәнді өшуді тудырады. Тәжірибеде қолдану үшін тек қабықшамен қорғалған жарықөткізгіш жарамды болып келеді.

Бұл мақсат, яғни жарықөткізгіштерді сыртқы әсерлерден қорғау кабельдік технологияның конструктивті шараларымен іске асады.

Бір жағынан, жарықөткізгіштерді (жарықөткізгішті жилалар) қорғау үшін қабықшалардың арнайы конструкциялары шығарылды, екінші жағынан кабельде ажырама/қысуға қарсы беріктікті үлкейту үшін элементтерді қолдануға мүмкіндік бар.

Қуыс қабықшадағы біржарықөткізгіш талшық

Қуыс қабықшадағы біржарықөткізгіш талшық дегеніміз пластмассалы құбыр-қабықша ішінде орналасқан және деформация мен үйкелістен қорғалған талшықты жарықөткізгішті айтамыз.Ол өзінің пішінін сақтау керек, өте иілгіш болуы және көп уақытқа дейін көнермеуі керек. Оның иілгіштігі оны коаксиалды жұп немесе бұрмаланған төрттікпен сияқты қолданып, оған ешқандай механикалық зиян келтірмеу үшін керек. Сондықтан да қуыс қабықшадағы біржарықөткізгіш талшық толық әмбебап қолданысқа дайын негізгі элемент болатындығы сөзсіз.

Қабықша үйкелістік коэффициенті өте төмен болатын ішкі қорғаныс қабатынан және жарықөткізгішті механикалық әсерлерден қорғайтын сыртқы қабатынан тұрады. Әртүрлі материалдар немесе олардың комбинацияларын қолданып (мысалы, полиэфирлі шайыр (қарамай) және полиамид) қоршаған орта шарттарының кең диапазонына жауап бере алатын, оларды қанағаттандыратын кабельдерді шығаруға мүмкіндік берді.

Белгілі бір ұзындығы бар талшықты жарықөткізгіштің өзі, қорғайтын қабықшадаға бірнеше миллиметрге тең саңылаумен салынады, бұл оның радиалды бағытта қозғалғыштығына рұқсат етеді. Бұл қабықша ішкі және сыртқы беті тегіс болғандықтан, жарықөткізгіштің қуыс қабықша бойымен қозғалуы кедергіге ұшырамайды.

Егер жарықөткізгіш пен қуыс қабықшаның ұзындықтары бірдей болса, онда бұрма есебінен қуыс қабықшадағы біржарықөткізгіш талшық ұзындық өтемі ретінде қарастырыла алады, ол 0,4% кабель ұзындығының максималды екі есеге (яғни 0,8%) өзгеруін жүзеге асыра алады.

Қуыс қабықшадағы біржарықөткізгіш талшық ерекше артықшылығы мынада: жарықты енгізу-шығару немесе қосу мақсаты үшін одан қабықша оңай алынып тастай алынады. Ажыратылатын және ажыратылмайтын қосылуларды дайындағанда бұл өте пайдалы.

12.1, 12.2 және 12.3 - суреттерде жарықөткізгіштердің әртүрлі орналасу есебінен кабельдің әртүрлі жағдайында қуыс қабықшалардың артықшылықтары көрсетілген.

Белгіленуі:

1-орталық элемент;

2-жарықөткізгіш;

3-қорғаныс қабықша.

 

 

                         

 

12.1-сурет. Кернеулер жоқ болғанда жарықөткізгіштің қуыс қабықшадағы орналасуы

 

 

12.2-сурет. Кабельді созғанда жарықөткізгіштің орналасуы

 

 

12.3-сурет. Кабельді қысқанда жарықөткізгіштің орналасуы

 

Созғанда, мысалы, оптикалы-талшықтың кабельдің созғыш кернеуі әсерінен жарықөткізгіш қуыс қабықшаның ішкі жақ бағытына қарай жылжиды, әуелде ол қабықшаға тимейді және деформацияға ұшырамайды, ал бұл өшуді тудырар еді. Кабель ұзартылуы жарықөткізгішке тек ұзарту шамасы шамамен 0,5-1% бастап әсер ете бастайды, қуыс қабықша пішініне байланысты. Тек осы шамаладан бастап кабельде өшудің ұлғаюы пайда болады (12.2-сурет).

Егер кабель қысылса, онда жарықөткізгіш қуыс қабықшаның сыртқы жағына қозғалады (12.3-сурет). Мұнда қайтадан ұзындық өтемесі сыртқы фаторлар әсерін өтеудің арқасында өшудің өзгеруін алдын алады. Кабель қысылуы мұздағанда пайда болады.

Толтыру

Оптикалы-талшықтық кабельдің бүлінуі кезінде, қоршаған ортаның белгілі бір шарттары кезінде су қуыс қабықшаға еніп ол бойымен ағуы мүмкін.

Су мұзға айнала алатындықтан, оның жиналу жерлерінде жарықөткізгіш көптеген нүктелерде кереулер әсеріне түсуі мүмкін, бұл микроиілулерді тудырып, өшу мәнін қатты күшейтуі мүмкін. Бұл құбылыстың алдын алу үшін қуыс қабықша толтырғышпен толтырылуы мүмкін. Бұл сәл ғана тиксотропты химикалық бейтарап салмақ, қарастырылып отырған температуралар диапазонында -30-дан +70°С дейін қатпайды, ақпайды коррозияға қарсы тұра алады. Бұл салмақ оңай сүртіле және жуыла алады, өзінен соң жарықөткізгіштердің қосылуына кедергі жасай алатын қалдықтар қалдырмайды. Сонымен қатар олардың құрамында тез жанып кете алатын заттар жоқ.

«Тиксотропты» деген кейбір гельдердің қасиеті, яғни діріл және араластыру әсерінен сұйық бола бастайды, ал тыныштық күйінде қайтадан қатая алады.

 

13Дәріс. Кабельдердің классификациясы және оларды маркировкалаудың принциптері

Дәрістің мақсаты: кабельдердің классификациясы және оларды маркировкалаудың принциптері

 

Кабельдербің маркировкасы

Талшықты-оптикалық кабельдер (ТОК) көптеген шетел компаниялармен шығарылады, мысалы Alkatel, AMP, BICC Cables Company/BICC KWO Kabel GmbH, Focas, Fujikura, Hellukabel, Lucent Tecnhologies, Mohawk/ CDT, NK Cabls, Phillips, Pirelli, Samsung, Simens. Sumitoto, сондай-ақ Ресей  өндірушілерімен де шығарылады, мысалы «Москабельмет» (Москва, қазір «Москабель-Фуджикура»), «Оптен» (С. Петербург), «Оптика-кабель» (Москва, қазір «Москабсль- Фуджикура»), Самаралық оптикалық компания (СОКК) (Самара), «Сарансккабель» (Саранск), «Севкабель-оптик» (С. Петербург).

Арналуы бойынша барлық кабельдерді 3 категорияға бөлуге болады:

-ішкі төселу (indoor);

-сыртқы төселу (outdoor);

-арнайы.

Ішкі және объектілік төселім кабельдері телефон станциялары, клиенттер/абоненттердің ғимараттары мен офистері ішінде қолданылады. Төселу шарттары бойынша былай деп бөлуге болады:

-тіке төселу кабельдері (riser cable);

-қалалық төсем кабельдері (distribution cable);

-коммутация сымдары (patch cord).

Сыртқы төселім кабельдері кез-келген делік байланыс линияларында қолдана алады:

-әуе (aerial);

-жерасты (buried);

-суасты (undersea, underwater).

Әуе ілгіш кабельдері әртүрлі қазықтарға ілінеді де өз кезегінде былай деп бөлінеді:

-өзтасығыш (self-supporting, мысалы ADSS – Ail-Dielectric Self-supporting);

-толық диэлектрикті өзтасығыш;

-тасушы тросы бар не жоқ, әртүрлі қазықтарға, оның ішінде электротаратушы линияларының мен темір жол желілерінің қазықтарына ілінген кабельдер;

-қыстырылатын (lashed, мысалы, ADL – толық диэлектрлік қыстырылатын), олар тасушы сымға диэлектриктік бау немесе таспа көмегімен немесе арнайы қыспалармен қыстырылады;

-иірілген (wrapped, мысалы SkyWrap типті, шығарушы Focas компаниясы) – олар тасушы айналасына, мысалы, фазалық немесе жерге қосу сымына иіріледі (газотрос);

-жерге қосу сымына енгізілетін (ORGW типті - Optical ground Wire - ГТОК – газотростағы оптикалық кабель).

Жер асты төселім кабельдері өз кезегінде былай бөлінеді:

-кабелдік канализация мен үңгіртауларда (туннель) төселінетін кабельдер;

-жерге қазылатын кабелдер;

-арнайы құбырдағы (мысалы, Silikor - Dura-Line компаниясының ПЭ құбырлары) автоматты салыну (АС) кабелдері.

Суасты кабельдердің мынадай түрлері бар:

-терең емес көлдер, саз көлдер және кеме жүрмейтін өзен түбіне салынатын кабелдер (үлкен емес су бөгеттерді өту кезінде қолданылады);

-өзендер мен мұхиттар түбіне төселетін кабелдер (бұл тек түбіне салу деген сөз емес сонымен қатар белгілі бір тереңдікке ілу немесе бір тереңдікке қазып тастауды да білдіреді )

Арнайы кабельдерге мыналарды жатқызады:

-бірталшықты жұқа арнайы қабықшаға оралған, әртүрлі арнайы құрылғылар мен аспаптардың ішкі коммутация желісінде қолданылатын толық диэлектрикті (ТД) кабельдер;

-компьютер желілеріндегі шиналар;

-көпталшықты көлемді (матрицалы) ТД кабельдер, олар әртүрлі объектілердің жазық графикалық бейнелерін тура тарату үшін арналған (мысалы, видеобейнелерді тарату үшін – мыңдаған немесе он мыңдаған талшықтары бар).  

Конструкциясы бойынша кабельдер арналуы, салыну шарттары  және басқа да конструкциялы элементтерге байланысты бірнеше түрге бөлінеді. Бұл элементтерге мыналар жатады:

-біріншілік немесе екіншілік қорғаныс қабықшасы бар немесе кабельге салыну үшін арнайы дайындалған (мысалы, кабельдегі жалпы талшықтар санын бірнеше жүздіктерге дейін көбейту үшін жазық таспаға біріккен, ал бірнеше таспа матрицаға біріктірілген) оптикалық талшықтар;

-ОТ орналасқан металл немесе пластмасса құбырлық модульдер, оларды басқаша оптикалық модульдер деп те атайды (ОМ);

-бойлық пазаларында (перифериядағы винтті линия бойымен) бөлек талшықтар, талшықтар бумасы немесе құбырлы модульдер төселетін профильденген өзекшелер;

-күштік элементтер: орталық (корда немесе металл талшық түрінде) - ОКЭ немесе сыртқы (бір немесе бірнеше металл сымның бұрмасы түрінде). ОКЭ ретінде әйнекпластикті өзекше, арнайы аса берік арамидті жіптер бумасы (Кевлар, Тварон немесе Терлон), болат сым немесе профильденген өзекше қолданыла алады.

-арнайы элементтер, мысалы қысқа тұйықталу тоғына тростың меншікті кедергісін азайтуға арналған гозотрос (ГТОК) ішіндегі кабелдің тоқөткізгіш қабаттары мен орамдары;

-гидрофобты толтырғыштар (гель) немесе ОК-дегі өшуді күшейтетін судың өтуіне (және кабель бойымен таралуына) бөгет жасайтын суөткізбейтін таспа және әртүрлі мақсаттарға арналған әртүрлі технологиялық орамдар мен қабықшалар типті технологиялық элементтер;

-кордель типті оптикалық модульдер орнына талшықтар саны аз қажет болғанда кабелдің геометриялық конструкциясын сақтау үшін (олардың диаметрлері ораманы қалыптастыру үшін әдетте құбыр диаметрімен бірдей болады) қолданылатын технологиялық элементтер;

-екі тарату ортасын қолданатын тапсырыс берушілер үшін гибридті кабелдерде модульдер мен кордельдермен бірге қолданатын мыс сымның жұмыстық талшықтары типті арнайы интеграцияланған элементтер;

-болаттан жасалған (әдетте горфирленген) таспа түріндегі механикалық бүлінулер мен кемірушілерден қорғайтын немесе қажетті қорғаныс және механикалық қасиеттерін қамтамасыз ететін орамалар ретінде оралған (бір немесе бірнеше қабат) дөңгелек болат тот баспайтын немесе мырышпен қапталған сымдардан жасалған қорғаныс сауыты.

 

Оптикалық кабелдердің маркировкасы

ОТК маркировкасы алуан түрлі болып келеді және өндіруші компанияларға тәуелді болады. Әдетте екі түрлі маркировка қолданылады: кодалық сандық-әріптік және тікелей, мұнда кабель маркасынан кейін кезекпен негізгі параметрлер беріледі. Сыртқы төселім кабелдің маркировкасын қарастырайық:

- дисперсиясы ығысқан БМ талшық (өзекше диаметрі - 8 мкм) 1550нм толқын ұзындығында жұмыс жасайды және өшуі 0,2-0,25 дБ/км;

- стандартты БМ талшық (өзекше диаметрі - 10 мкм) 1550 және 1310 нм толқын ұзындықтарында жұмыс жасайды және өшуі: λ=1550 нм үшін 0,2-0,25 дБ/км және 0,35-0,4  дБ/км λ=1310 нм үшін;

- стандартты КМ талшық (өзекше диаметрі - 50 мкм) 850 және 1310 нм толқын ұзындықтарында жұмыс жасайды және өшуі: λ=850 нм үшін (кеңжолақтылық 400-600 МГц/км) 2,4-5 дБ/км және 0,5-1,5 дБ/км λ=1310 нм үшін (кеңжолақтылық 400-1500 МГц/км);

- стандартты КМ талшық (өзекше диаметрі – 62,5 мкм) 850 және 1310 нм толқын ұзындықтарында жұмыс жасайды және өшуі: 2,8-5 дБ/км  Х=850нм үшін (кеңжолақтылық 160-400МГц/км) және 0,6-1,5 дБ/км Х=1310 нм үшін (кеңжолақтылық 200-800МГц/км).

 14 Дәріс. Оптикалы-талшықтық кабельдердің конструкциясы.

Дәрістің мақсаты: оптикалы-талшықтық кабельдердің конструкциясы

Оптикалы-талшықтық кабелдерді сыртқы төсеу, ішкі төсеу және арнайы кабелдер болып бөлінеді.

Сыртқы төселім кабелдері олардың қолдану шарттарына байланысты құбырларға, кабелдік канализацияға, коллекторларға салынатын, тікелей жерге қазылатын, ілінетін және суасты кабелдері болып бөлінеді. Осы категориядағы кабелдер оларды төсеу мен пайдалану процессі кезінде пайда болатын механикалық әсерлерге өте сезімтал болып келеді. Кабель орналасатын қоршаған ортаның температуралық ауытқулары да қосымша механикалық жүктемеге алып келеді. Әртүрлі химикалық агрессиялы заттар және ылғал кері әсерлерін тигізеді.  Кеміргіштердің тигізетін әсері кабель қасиеттерінің нашарлауына немесе толық істен шығуына алып келеді.

Барлық осы факторлар осы категориядағы кабелдердің негізгі конструктивті элементтерін анықтайды. Осы элементтерге металл немесе диэлектрикті ЦСЭ айналасына оралған оптикалық талшықты еркін төсеуге арналған құбырлар немесе көп ОТ санын төсеуге арналған бір орталық құбыр; су өткізбеу қасиетін қамтамасыз ететін сублоктағыш немесе ГТ таспаларды ОТ бос кеңістігін толтыру үшін; арамидті жіптер қабаттары, әйнекпластикті өзек немесе болат сым түріндегі күштік элементтер; болаттан таспа (әдетте, горфирленген) түрінде немесе дөңгелек, болат, тот баспайтын немесе мырышпен қапталған сымдардан жасалған қорғаныс сауыты, ол механикалық бүлінуден және кеміргіштерден қорғайды; қара түсті полиэтиленді қорғаныс шланг.

Сыртқы төселім кабелдері. Жерге қазылатын кабельдер негізінен -60°С-тан + 55°С-қа дейін температураның өзгеруі, оларға судың, мұздың, судың гидростатикалық қысымының, агрессивті сұйықтар әсері, қатты заттар ұрылуы және басқа кезінде қолданылады. Осы типті ОК-ді магистралды байланыс кабельдерін төсеу кезінде қолданылатын құрылғылар көмегімен төсейді. Жерге қазылатын оптикалық кабельдердің конструкциясы суретте көрсетілген.

1-ОТ; 2-ОМ толтырушы; 3-ОМ құбыры (трубкасы); 4-ОКЭ; 5-кордель; 6-өзекше ГТ; 7- нығайтқыш орама, 8 – армирді қабат; 9 - қабықша; 10(1) – гофрирленген сауыт; 10(2) – саут астына көпшік; 11- сауыт ГТ; 12 – таспалы сауыт; 13 - шланг.

Полиэтиленнен жасалған қабықша ылғалдан қорғайды. Горфирленген болат қабықша төсеу кезіндегі бүлінулер мен кеміргіштерден қорғайды. Сыртқы полиэтиленді қабат төсеу кезінде пайда болатын үйкелісті азайтады. Гидрофобты толтырғыш ылғалдың кабелге еніп кетуіне кедергі жасайды. Бұл кезде ОТ оптикалық сипаттамалары өзгермейді. Кабелдің жалпы диаметрі 14...25 құрайды. Кабелдің минималды иілу радиусы 20 D, максималды созбалы күшейту 2,5-тен 4,0-ге дейін.

Кабелді канализацияда, құбырларда және коллекторларда төселетін кабелдер созғыш және иілгіш жүктемелерге, бұрауларға, қысуға және ылғалға қарсы тұру механикалық тұрақтылығы жоғары болуы керек. Бұл кабелдерді төсеу құрылыстық ұзындықты бетон, асбестоцемент және полиэтиленнен жасалған құбырларға тарту арқылы іске асырылады. ОК төсеудегі бөліктер ұзындығы 100 м-ден 500 м-ге дейін құрайды.

Кабель конструкциясы: болат трос немесе әйнекпластикті өзекше түріндегі армирленген элементі бар өзекше айналасында полимерлі қабықшадағы ОТ оралған. ОТ герметизациясы құбырды гель тәріздес затпен толтыру арқылы іске асырылады. ОТ саны 2-ден 72-ге дейін және әрі қарай бара алады.

14.2-сурет. Құбырлар мен коллекторларда төселетін кабельдің конструкциясы

а) модульді; б) профильді өзекшесі бар; в) орталықта орналасқан модульмен.

1-ОТ; 2-модуль трубкасы; 3-күштік элемент; 4-толтырушы; 5-пластикті қабық; 6-полиэтиленнен жасалған қорғаныс шланг; 7-профилирленген өзекше; 9-сублоктағыш таспа; 9-талшықтары бар таспа.

 14.2-суретте мысал ретінде Alcatel фирмасының көп ОТ бар ОК-дің көп профильді конструкциясы көрсетілген. Профильді модуль пазаларында бір ОТ төсеуге де, сонымен қатар көп талшықты да төсеуге болды. Соңғы жағдайда ОТ төселуі таспалы да болуы мүмкін. 14.2. в суретте Lucent Technologies (АҚШ) фирмасымен өндірілген «жеңіл» ОК-дің конструкциясы көрсетілген. Бұл кабелдердің ОТ-ры (96-ға дейін) таспалы төселген, пластмассадан жасалған құбыр тәріздес өзекшесі бар. Құбыр гидрофобты толтырғышпен толтырылған. Күштік элемент ретінде әйнекпластикті өзекшелердің периферийлі орналасқан екі тобы қолданылады. Бұл кабелдерді кабелді канализацияға төсеу үшін үрлеу әдісі кең қолданыс тапты.

Әуе ілгіш кабелдері былай бөлінеді: диэлектрикті өзтасығыш, тасушы тросы бар өзітасығыш кабелдер, иірілген және жерге қосу сымына немесе жоғарывольтті электротарату линияларына (ЭТЛ) енгізілетін кабелдер болып бөлінеді.

Өзітасығыш кабелдер әуе байланыс линиялары, жоғарывольтты ЭТЛ, теміржол транспорты желісінің қазықтарына және сонымен қатар қалалық телефонды желінің әуе линияларының стойкаларына іліну кезінде пайдаланады. Мұндай ОК-дің диэлектриктік конструкциясы дөңгелек болады, бұл жел мен мұз тудыратын жүктемелерді азайтады және қазықтар арасында үлкен қашықтықтарда (100 м-ге дейін) пайдалануға мүмкіндік береді. Күштік элемент ретінде әйнекпластиктен және полиэтиленді қорғаныс шланг мен полиэтиленді қабықша арасында жатқан арамидті жіптерден тоқылған ЦСЭ қолданылады.

Ауылдық аймақтарда төсеу кезінде және бір ғимараттан екіншіге өтетін құрылым жасау үшін тасушы тросы бар ОК қолдана алады. Металл тросы бар өзітасығыш кабель конструкциясы сегіздік пішінді. Тасушы тросс оптикалық өзекшеден бөлек алынған және онымен бір конструкцияға полиэтиленді қабықша арқылы жалғасады. Кабелдің екі түрінде де бос кеңістік ГТ-пен толтырылған, бірақ салмақты азайту және монтаж процесін тездету үшін сублоктағыш жіптер мен таспалар да қолданыла алады.

Су асты төсеніш кабелдер конструкциясы оларды төсеу орнына тәуелді болады. Мысалы, терең су астына яғни өзендер мен мұхиттар астына төселетін ОК гидростатикалық қысымнан қорғанысы бар, ал терең емес жерлерге, мысалы көлдер мен құрлыққа жақын аймақтарда аулар мен якорьлардан қорғайтын элементтері бар. Сонымен қатар иілгіштік, төселу кезіндегі және су астынан көтергендегі жүктеме де есептеледі. Жоғары қысымдарда пластмассадан оңай өте алатын теңіздік судан ОК-ді қорғау үшін, өзекше әдетте бір алюминийден немесе қорғасыннан жасалған құбырмен қорғалады, ал бос кеңістік гидрофобпен толтырылады. Қажетті механикалық беріктілік үшін гальванизделген болаттан жасалған екі қабатты сымды сауыт қолданылады. Шырмауларды болдырмау мақсатында сым қабаттары қарама-қарсы бағыттарда бұрмаланады.

  

15 Дәріс. Ажыратылатын және ажыратылмайтын қосылыстар

 Дәрістің мақсаты: косылыстардың классификациясы, мақсаты және оларға қойылатын талаптар.

 Қосылыстардың классификациясы, мақсаты және оларға қойылатын талаптар.

Байланыс кабельдеріндегі оптикалық талшықтарының қосылыс  процессінің орындалу сапасына оптикалық байланыс линиясының өмір сүру ұзақтығы және сенімділігі тәуелді болады. Жалпы түрде бұл есеп екі әртүрлі әдіспен шешіле алады: ажыратылатын және ажыратылмайтын оптикалық қосылыстар көмегімен (16.1-сурет).

 

 

16.1-сурет. Оптикалық қосқыштардың негізгісінің түрлері

 

Оптикалық қосқыштар – ТОТЖ компоненттерін оптикалық қосуға арналған құрылғылар. Ажыратылатын оптикалық қосқыштар – көп ретті оптикалық байланысты іске асыруға мүмкіндік беретін құрылғылар. Олар қосқыш және соңғы шнурларды құрылғы жарықөткізгішіне, кросстардағы коммутациялық құрылғыларға және жұмыс орнының информациялық розеткаларына ажыратылатын қосылуды қамтамасыз ету үшін арналған. Ажыратылмайтын қосқыштар тек бір ретті оптикалық қосылуды қамтамасыз етеді және үлкен қашықтықты кабелдік жүйелерде қолданылады.

Оптикалық қосқыштар келесі талаптарға жауап беру керек:

-минималды өшуді қамтамасыз ету;

-көп уақытқа тұрақтылық және параметрлердің қайта өңделуі;

-жоғары механикалық беріктілік пен минималды масса мен пішін;

-кабелге орнату жеңілдігі;

-қосылу және ажырау процесінің жеңілдігі;

-жоғары сапа;

Ажыратылатын қосқыштардан қосымша көп ретті қосылу кезінде параметрлердің өзгермеуін талап етеді.

Ажыратылатын қосқыштар

Конструкция типтері. Конструкциясы бойынша қосқыштар симметриялы және симметриялы емес болып бөлінеді.

Симметриялы емес конструкция кезінде қосылуды орындау үшін екі элемент керек: ұялық қосқыш және штыкерлі қосқыш. Коннектор-штыкердің капилярлы трубкасындағы оптикалық талшық капиляр шетіне жетпейді, тереңдікте қалады. Байланысты орнату кезінде талшықтардың физикалық қосылуы капиляр-ұштық ішінде іске асады, ол талшықтар остерін қосады. Бұл қосқыштардың негізгі кемшілігі ашық талшық пен капилярлы жазықтық, бұл симметриялы емес конструкцияның сенімділігін азайтады. Әсіресе бұл кемшіліктер көп санды қосылулар кезінде айқын білінеді. Сондықтан да бұл типті конструкция қолданысты аз тапты.

Симметриялы конструкция кезінде байланысты орнату үшін үш элемент керек: екі қосқыш пен өтпелі розетка (coupling). Қосқыштың басты элементі ұштық болып табылады. Оның сыртқы диаметрі 2,5 мм. Ең қатаң талап ұштық тесігінің (капиляр) сипаттамаларына қойылады. Ол жеткілікті үлкен болуы керек, себебі оған талшық кіруі керек, сонымен қатар талшық люфті елеусіз болуы үшін.кішкентай да болуы керек. Тесік диаметрі TIA/EIA-568-A және ISO/IEC-11801 нормативті құжаттарға сәйкес бірмодалы талшық үшін 126+1/-1 мкм және көпмодалы талшық үшін 126+1/-1 мкм-ге тең. Ұштық қосқыштың ең маңызды элементі болғандықтан, беріктігі, тығыздығы және температуралық сипаттамалары ажыратуды тоғыстыру кезінде оптикалық талшықты бүлінуден қорғау керек, сонымен қатар оптикалық талшықтардың тоғысу нүктелерінде аз деформациялануды қамтамасыз ету керек.

Өтпелі қосқыш розетканың көлденең қимасы бар құбыр түрінде жасалған орталық элементі бар – розетканың орталық элементі мен ұштық арасында түйіспе болуы керек (16.2 в-сурет). Орталық элемент ұштықтарды тығыз орап тастайды да олардың остерінің сәйкестігін қатал қамтамасыз етеді.

Оптикалық сипаттамалар. Оларға кіретін өшу мен кері шағылу шамасы жатады. Ажыратылатын оптикалық қосқыш өшуі деп талшықты-оптикалық тарату линиясындағы оптикалық қуат шығындарын айтады.

Ажыратылатын қосылудың шығындары келесі формуламен анықталады.

,                                     (15.1)

мұндағы Ршығажыратылатын оптикалық қосқышты линияға қосқаннан кейін болатын оптикалық қуат мәні;

Ркір – оптикалық қуаттың базалық мәні.

Физикалық контактісі бар ең кең тараған қосқыштар үшін өшудің минималды мәні 0,2 дБ ал максималды мәні 0,3 дБ.

Тағы да бір маңызды оптикалық сипаттамаға кері шағылу мәні. Бұл мән әсіресе ажыратылатын қосылыстағы талшықтар шеттері ауа саңылауымен бөлінсе үлкен болады. Онда ОТ өзекшесі және ауаның сыну көрсеткіштерінің әртүрлілігі нәтижесінде оптикалық сигнал ОТ шетінен шағылады. Бұл параметр сәулелену көзі лазерлік диод болып келетін ТОТЖ үшін өте маңызды болады, себебі шағылған сигнал сәулелену көзінің орталық спектралды линиясының ығысуына алып келуі мүмкін. ТОТЖ пайдалану процессінде шағылған сигналдың көп уақыт әсер етуі сәулелену көзінің жұмыс жасау мерзімінің азаюына алып келеді. Сонымен қатар шағылған сигнал әсерінен тарату кезіндегі қателер коэффициенті көбеюі мүмкін.

Кері шағылу шамасы мына формуламен анықталады

,                                             (15.2)

мұндағы Ршағажыратылатын оптикалық қосқышпен шағылған оптикалық қуат мәні;

Ркір – ажыратылатын оптикалық қосқыш кірісіндегі оптикалық қуат мәні.

Кері шағылу мәнін азайту үшін қосылатын ОТ араларындағы ауа саңылауын алып тастау керек. Бұл қосылатын ОТ өзекшелерінің арасындағы физикалық түйіспесін қамтамасыз ететін ажыратылатын оптикалық қосқыштарды қолдану арқылы жүзеге асады. Физикалық түйіспені құруы үшін қисықтық радиусы 10-25 мм бар полировка кезінде ОТ шеттерін дөңгелектеу қолданылады. Оптикалық ажыратулар маркировкасында РС қысқартуы ОТ-тағы қандай да бір физикалық түйіспесін түрін көрсетеді. ОТ-тың шетін полировкалаудың бірнеше түрі бар, ол ажыратылатын қосылыста ОТ-тың физикалық түйіспесін қарастырады, олардың әрқайсысы оптикалық қуаттың кері шағылудың әртүрлі деңгейіне сәйкес келеді:

-қалыпты полировка (РС), мұнда Rpc-30 дБ дейін;

-суперполировка  (super PC), мұнда Rpc - 40 дБ дейін;

-ультраполировка (ultra PC), мұнда Rpi -50 дБ дейін;

-оптикалық өске АРС  (HRL-10) бұрышпен полировкалау мұнда Rpc -70 дБ дейін.

.

Қосылатын ОТ-дың сандық апертураларының айырмашылығына байланысты оптикалық сигналдың шығындары туады, яғни таратқыш ОТ-тың сандық апертурасы қабылдағыш ОТ-тың сандық апертурасынан үлкен болса пайда болады. Бұл шығындар мына формуламен есептеледі

.                                   (15.2)

NAтар<NAқаб болғанда апертуралық шығындар болмайды.

Таратушы ОТ-тың өзекше диаметрі қабылдаушы өзекше диамертінен үлкен болса, онда шығындар пайда болады, себебі оптикалық қуаттың бір бөлігі қабылдағыш ОТ-тың қабықшасында таралады. Бұл шығындар былай анықталады

.                                     (15.3)

Dтар < Dқаб болғанда шығындар пайда болмайды.

Шоғырланбағандық – бұл ОТ-тың өзекше ценрті мен қабықша арасындағы ара-қашықтығы. Олардың сәйкес келуі ажыратылатын қосылыстағы өшуге алып келеді.

Сыртқы факторлар. Олар қосқыш конструкциясының және сонымен қатар оптикалық қосқышты жинау процесінің мүлтіксіз еместігінен пайда болатын шығындарға алып келеді. Олар мынадай факторларға тәуелді: механикалық түйіспеу (бұрыштық ығысу в, радиалды ығысу L, остік ығысу S); өзекше шетіндегі кедір-бұдырлар; талшықтар шеттері арасындағы ластану, 16.3-сурет.

Бүйірлік ығысу. Қосқыштағы ОТ оның орталық осі бойымен орналасу керек. Ол үшін ОТ орналасатын тесік керамикалық ұштықтың дәл центрінде болуы керек. Бұл тесік диаметрі ОТ диаметрімен бірдей болуы керек, дәлдігі ±1 мкм. Бір ОТ-тың орталық осі екінші талшықтың орталық осімен сәйкес келмегенде шығындар туа бастайды. Ажыратылатын оптикалық қосқыштар өндіретін компаниялардың көбісі ОТ өзекшесінің орталық остері мен қосқыштың керамикалық ұштығының шоғырлануын 1 мкм дәлдікпен кепілдік береді.

Қосатын ОТ беттерінің арасындағы саңылау.

Бөлім (скол) арасындағы ауа саңылауының болуы френелдік шағылудың үлкеюіне алып келеді, бұл ОТ өзекшесі мен саңылаудағы ортаның (ауа) сыну көрсеткіштерінің айырмашылығымен байланысты және ажырамадағы шығындарды көбейтеді. ОТ шетінен таратылатын қуаттың шамамен 4% шағылады. Көпмодалы ОТ-да қосымша өшу пайда болады, бұл жоғарғы деңгей модаларының ауа саңылауын өткендегі шығындарға байланысты. Шығындар көлемі қосылатын ОТ-тардың сандық апертураларының шамасына тәуелді болады. Сандық апертурасы үлкен ОТ сандық апертурасының мәні аздау болатын ОТ-қа қарағанда саңылау көлеміне сезімтал болады.

а) бұрыштық ығысу кезіндегі шығындар; б) радиалды ығысу кезіндегі шығындар; в) остік ығысу кезіндегі шығындар; г) біртексіздіктердегі френелдік шашырау есебінен болатын шығындар

15.3-сурет. Қосқыштағы сыртқы шығындардың төрт негізгі түрі

 

Қазіргі кездегі ажыратылатын оптикалық қосқыштардың серіппеге бекітілген керамикалық ұштығы бар, ол берік қысқыш қысымы бар ОТ физикалық түйіспені қамтамасыз етеді. Мұндай конструкция ауалық саңылауды болдырмайды және ОТ физикалық түйіспесін оларды бүлдіру қауіпін төндірмей орнатуға мүмкіндік береді.

Остердің бұрыштық үйлеспеуі. Қосылатын ОТ-тардың бөлімдері ОТ остеріне перпендикуляр және бір-біріне параллель болуы керек. Үйлеспеу бұрышы өскен сайын шығындар деңгейі де өседі. Шығын көлемі алдыңғы кездегідей қосылатын ОТ-тардың сандық апертураларына тәуелді болады. Бірақ бұл жағдайда оның әсері ОТ арасында саңылау пайда болатын эффектіге қарама-қарсы, сондықтан да сандық апертураның үлкен мәні остердің бұрыштық үйлеспеу эффектісін тудыра алады.

Қосқышты дұрыс қолданса бұрыштық үйлеспеу болмайды, себебі оптикалық қосқышты өндіру барысында бөлім бетінің ОТ осіне перпендикулярлығы бақыланады.

Бөлім бетінің сапасы. Бөлім беті тегіс, дефектісіз болуы керек. ОТ шетінің кедір-бұдырлығы жарық сәулелернің геометриялық бейнесін бұзады, оларды шашыратады. Нәтижесінде ажыратылатын қосылуда үлкен өшу пайда болады.

Қосқыштардың стандарттары. Стандартты қосқыштар түрлері өте көп. Ең кең қолданыс тапқан қосқыштар FC, ST және SC.

FC типті қосқыштар. 2,5 мм керамикалық ұштығына негізделген бірінші қосқыш FC-типті қосқыш болды. Ол телекоммуникация жүйелері үшін Nippon Telephone and Telegraph компаниясымен өндірілді. Ол Еуропа, АҚШ және Жапонияда өте кең таралды.

Бұл қосқышта оймасы бар корпус қолданылады, ол вибрация кезінде де сенімді қосуды қамтамасыз етеді бірақ, тез ажырату кезінде ыңғайсыз болып келеді. Қосқыш ажырау немесе қалыпқа келу үшін ойма басын бірнеше рет бұрау керек. Бұл қосқыштарда бұралатын фиксаторлары бар бастар да қолданылды. фиксатор бұру бұрышы аз болатын Бұл қосқыштар ұштықтың адаптер ішіндегі бір нүктеге түсуді қамтамасыз етеді. Ұштық корпусқа қатысты да, адаптерға қатысты да бұрылмайды, бұл қосқыш сипаттамаларының қандай да болсын өзгеруін азайтады.

Оптикалық талшықтардың пісірме қосылыстары.

Пісірме қосылыстарды кейде сросток деп те атайды. Оларды байланыс линияларының үлкен қашықтықтарында кең қолданады (мысалы, қала масштабындағы отрақ қолданыстағы байланыс желісі).

ОТ-ды пісіру әдісі оптикалық байланыс жүйелерінде монтаждың негізгі әдіс болып келеді. Жақсы пісірме қосылысты алу мүмкіндігі күннен күнге өсіп келеді. Себебі қолданытын жабдықтар мен пісірме технологиялары орында тұрған жоқ, олар жетіліп келеді, оған қоса талшық геометриясы да үзіліссіз жетіліп келеді. Нәтижесінде пісірме қосылыстағы максималды шығындар қазіргі кезде 0,05 дБ-ден (жеке талшықты пісіру) 10 дБ дейінгі (бірден бірнеше талшықты пісіру) диапазонында жатыр.

Пісірме қосылыс сапасын екі параметрмен сипаттуға болады:

-пісірме орнындағы өшу;

-пісірме қосылыс беріктігі. 

Талшықтарды қосудың кез-келген әдісін қолданғанда өшуді анықтайтын факторларды талшыққа қатысты ішкі және сыртқы деп бөлуге болады. ОТ анықтайтын факторлар талшықты өндіру барысында салынады, сондықтан да көбісінше пісірмені жасайтын оператор бақылауынан тысқары жатады.

Қоршаған орта факторлары тудыратын негізгі проблемалар пісірме орнында талшықты шаң мен ылғалмен ластау мүмкіншілігіне тіреледі. Пісірме орнына шаңның түсуі өшуге және беріктіктің төмендеуіне алып келеді. Сондықтан да жұмыс орны жел мен жауын-шашыннан қорғалған болуы керек. Сонымен қатар, талшықты бөлу мен пісіру арасындағы уақытты азайту керек, бұл ластану мүмкіндігін азайтады.

 

16 Дәріс. Оптикалық тармақтағыштар

 Дәрістің мақсаты: оптикалық тармақтағыштардың түрлері мен тағайындалуы

 Оптикалық тармақтағыштардың түрлері мен тағайындалуы

Талшықты-оптикалық техникада жиі негізгі тарату арнадан оптикалық сәулеленудің бір бөлігін бөлу (мысалы, мониторинг мақсатына, өлшеу немесе сәулелену көзінің қуат деңгейін басқару үшін арналған кері байланыс сигналын қабылдау үшін) немесе оптикалық ағынды бөлу немесе біріктіру (мысалы, толқындық мультиплекстеу технологиясын қолдану кезінде (WDM)) қажеттілігі туады. Мұндай есептер Оптикалық тармақтағыштардың көмегімен шешіледі.

Оптикалық тармақтағыштардың – бұл кіріс оптикалық порттарына берілген оптикалық сәулелену оның шығыс порттары арасында бөліп таратылатын пассивті оптикалық көпполюстілік (кірістік пкір және шығыстық пшығ оптикалық порттары бар құрылғы). Оптикалық порт оптикалық сәулеленудің кіретін не шығатын жері болып табылады. Олар талшықты оптикада бұрыннан қолданып келеді, бірақ жүйелердің дамуы нәтижесінде олардың ролі айтарлықтай өсе бастады, ОК-дің бөлек талшықтарын қолданбай-ақ бір ОТ-қа бірден көп таратушы және қабылдаушы терминалды қосуға рұқсат берді. Бұл технологияны жиі желінің әртүрлі жерлерінде орналасқан бірнеше терминалдардан мультиплекстелген сигналдарды бір ортақ оптикалы-талшықтық кабель тарататын оптикалы-талшықтық желіде қолданады. Желіге рұқсат бұл кезде тармақтағыштар арқылы жүзеге асады. Олар әрбір терминалды таратушыдан оптикалық сигналды кабельге, содан соң кабель арқылы таратылатын сигнал қуатының бір бөлігін әр терминалды қабылдағышқа қайта таратады. Бұдан басқа, қарастырылған құраушылар көптеген шығу көздерінің әртүрлі толқын ұзындығы бар оптикалық сигналдарын бір талшыққа біріктіру үшін қолданылады. Сонымен қатар, қуаттың бір бөлігін өзекшеге енгізу үшін немесе одан қабылдағышқа бағыттау керек болса да қолданылады.

 Тармақтағыштар толқын ұзындығына сезімтал (селективті), яғни оптикалық полюстері арасындағы тарату коэффициенттері оптикалық сәулеленудің берілген толқын ұзындығы диапазонында толқын ұзындығына тәуелді болатын және сезімтал емес (селективті емес) болып бөлінеді. Селективті тармақтағыштар әртүрлі оптикалық тасушылары бар сигналдары біріктіру (немесе ажырату) үшін қолданылады да мультиплексорлар (және сәйкесінше демультиплексорлар) деп аталады.

Тармақтағыштар екі түрлі болады:

-симметриялы (Х-типті), мысалы ең қарапайым түрі 2х2 (екі кірісі және екі шығысы бар), 16.1 а-сурет;

-симметриялы емес (Ү-типті), мысалы ең қарапайым түрі 1х2 (бір кірісі және екі шығысы бар), 16.1 б-сурет;

Тармақтағыштардың барлық қалған түрлері осы екі түрдің жеке бір жағдайы болып келеді және функционалдық бағыттаушылықпен сипатталады.

16.1-сурет. Тармақтағыш түрлері

 Y-типті оптикалық қуаттың берілген бөлігін бөлу үшін арналған бір кірісі мен екі шығысы бар тармақтағыш Т-типті тармақтағыш деп аталады. Y-типті бір кірісік мен екі не олан да көп шығыстық оптикалық порттары бар тармақтағыш жұлдызды (немесе «жұлдыз» типті тармақтағыш) деп аталады. Әдебиеттерде кейде оларға симметриялы р жатқызады.

Бағытталған және бағытталмаған тармақтағыш бар. Бағытталған тармақтағыш оптикалық порттар арасындағы тарату коэффициенті оптикалық сәулеленудің таралу бағытына тәуелді.

 Селективті емес оптикалық тармақтағыш

Тармақтағыштың жұмыс жасау принципін мен сипаттамаларын 16.1 а-суретте сұлбалы бейнеленген Х-типті (2х2) мысалы арқылы көрсетуге болады, мұнда жебемен ондағы сәулеленудің әртүрлі бағыттары көрсетілген. Келтірілген төрт портты пассивті екі жаққа бағытталған тармақтағышта 1 порттан енгізілген сәулелену 2 және 3 порттардан шыға алады, бұған қоса мүлтіксіз жағдайда сәулелену 4 портқа түспеу керек. Осыған сәйкес 4 портқа енгізілген сәулелену 2 және 3 порттан шыға алады, бірақ 1 портқа енбеуі керек. Осылайша 1 және 4 порттар кірістік, ал 2 және 3 шығыстық болады. Бұл тармақтағыш пассивті және екі жаққа бағытталған болғандықтан, жарықтың кері таралуы және порттар ролдері өзгеруі де мүмкін, яғни сәулеленуді 2 және 3 порттан жібергенде олар кірістік болады да, ал 1 және 4 шығыстық болады.

Тармақтағыш арқылы өткенде жарық шығындарға ұшырайды, осы мәселені қарастыру үшін 1 порты кірістік ал 2 және 3 шығыстық болатын тармақтағышты аламыз.

Х-типті тармақтағыштағы оптикалық қуаттың бөлінуі мына параметрлермен сипатталады:

-тармақталу коэффициенті

,                                                      (16.1)

мұндағы, Р3 – 1 оптикалық портқа Р1 оптикалық қуатты бергендегі 3 оптикалық порттағы оптикалық сәулеленудің қуаты, дБ;

- бағытталу коэффициенті

,                                                       (16.2)

мұндағы Р4 – 1 оптикалық портқа Р1 оптикалық қуатты бергендегі 4 оптикалық порттағы оптикалық сәулеленудің қуаты, дБ;

                                               (16.3)

мұндағы Р2 и Р3 - 1 оптикалық портқа Р1 оптикалық қуатты бергендегі 2 және 3 оптикалық порттардағы оптикалық сәулелену қуаттарының қосындысы.

Y-типті тармақтағыш үшін тармақатлу коэффициенті және шығындар осыған ұқсас анықталады, ал бағытталу коэффициенті мына формуламен анықталады.

,                                                       (16.5)

мұндағы Р3 – 2 оптикалық портқа Р2 оптикалық қуатты бергендегі 3 оптикалық порттағы оптикалық сәулеленудің қуаты, дБ;

 Сәулеленудің тармақтағыштағы қатысты таралуы шығыстық порттары арқылы өткен сәулеленудің шығыстық қуатының бөлінуімен сипатталады және де негізгі қуат бөлігі өтетін порт (оның біркелкі емес таралуы кезінде) негізгі деп аталады, ал басқасы – басылған порт болады. Мысалы, 25/75 қатысты таралу кезінде шығыс қуатының 25% басылған порт арқылы ал 75% негізгі порт арқылы өтеді.

Тармақтағыш конфигурациясы оған енгізілетін сәулеленуге тәуелді. Ең кең тараған конфигурациялар: 1x2, 1x3, 1x4, и реже 1x5, 1x6, 1x7, 1x8, 1x9.

Айтып кеткен жөн, 1х2 конфигурациясы Т-тармақтағыштарға сәйкес, олардың негізінде ортақ шинасы бар локалды желілер құрылады (17.2-сурет).

Тармақтағыш әрбір торапта орнатылады және энергияның бір бөлігін шинадан таратқыш-қабылдағышқа беру үшін арналған. Бұл жағдайда сигнал қабылдағышқа жетпестен бұрын N-1 тораптан өтеді.

Шығындар шинаға қосылған терминалдар саны өскенде сызықты өсе береді. Сонымен қатар әрбір тораптың қосылыстық шығындардын да ескеру керек (диаметрлер мен апертуралардың сәйкес еместігінен). Әр торапта кіріс және шығыс порт қолданғандықтан барлық қосылыс саны 2N жетеді. Осыған орай Т-тармақтағыштар терминалдар саны шектеулі желілерде ғана жақсы жұмыс жасайды.

16.2-сурет. Т-тармақтағыштар негізіндегі локалды желі

1х3 конфигурациялы «жұлдыз» типті тармақтағыштар Т-тармақтағыштарға балама болып келеді және алдында айтылған көптеген кемшіліктерден айрылған. Олардағы жарық ағыны тең дәрежеде барлық шығыстық порттар арасында таралады. Бұл типті тармақтағыштардың қосылу шығындары қандай да бір шығыстық порттағы қуаттың кірістік қуатқа қатынасымен анықталады және терминал санына қарама-қарсы өзгереді.

.                                                             (16.6)

Сондықтан да бұл типті тармақтағышты станциялар саны көп желіде қолдану ыңғайлы.

Мүлтіксіз жағдайда жарық ағыны барлық кірістік порттар арасында біркелкі таралуы керек. Тәжірибеде әрбір кірістік порттағы қуат шамасы өзіндік қосылу шығындарына байланысты өзгеріп тұрады. Тармақтағыштың біркелкілігі осы өзгерістерді анықтайтын параметр болып табылады және пайызбен немесе децибелмен өлшенеді. Әрбір порттағы шығыстық қуат мәні 50 мкВт болатын тармақтағышты қарастырайық. +0,5 дБ деңгейінде біркелкілік шын мәнінде қуаттың 45-тен 56 мкВт-қа дейін өзгеретінін көрсетеді. Біркелкілік шамасы +1 дБ-ге дейін үлкейсе, онда шығыстық қуат 40-тан 63 мкВт-қа дейін өзгереді.

Бағытталған тармақтағыш параметрлеріне қойылатын негізгі талаптар мыналар болып табылады:

-кіріс шығындарының өте аз болуы, 1х2 және 2х2 типті тармақтағыштардың ең жақсы көрсеткіштері 0,1 дБ;

-бағыттаушы коэффициенттің үлкендігі, бағытталған сәулелену ағындарының арасындағы жоғары өтпелі өшуді сипаттайды және көптеген тармақтағыштар үшін 55 дБ-ден артық болады;

-берілген тармақтаушы коэффициентінен минималды ауытқу, біркелкі  немесе енгізілетін сәулелену қуатын бөлу біркелкі еместігін сипаттайды;

-енгізілетін толқындық спектр еніне тәуелді берілетін параметрлердің сақталуы (кеңжолақтылық). Шетелдік бірталшықты тармақтағыштар үшін жұмыстық толқын ұзындығынан ауытқу +40 нм-ді құруы мүмкін;

-көпмодалы тармақтағыштар үшін таралатын сәулеленудің модалық құрамының және бірмодалы тармақтағыштар үшін поляризация жазықтығы қалпының сақталуы.

Тармақтағыштың тиімді жұмыс жасауына келесі факторлар әсер етеді:

-айна радиусы;

-айна мен талшық арасындағы ортаның сыну көрсеткіші;  

-талшық өзекшесінің диаметрі мен апертурасы;

-айна осі мен талшық арасындағы бұрыш;

-талшықтар арасындағы қашықтық.

Айна радиусы қолданатын талшыққа байланысты қолайлы таңдалуы мүмкін, бірақ тәжірибеде мәміле шамалас радиус қолданылады, ол талшық көлемі мен апертуралардың кең спектрі үшін  бейімделген. Айна диаметрі 9,22 мм болғанда талшықтарды параллель жиындар түрінде орналастырылса көпмодалы қарапайым көлемді талшықтар өзекшелерінің (50-100 мкм) қалыпты жұмыс жасауын қамтамасыз етеді. Талшықтарды иілетін етіп орналастыру түсуші және шағылған түйіндер арасындағы симметрияны сақтауға және шығындарды азайтып айна диаметрін небәрі 5 мм етіп жасауға мүмкіндік береді. Талшықтарды параллель орналастыру айна осі мен талшық нысанасының айтарлықтай дәл келуін талап етеді. Рұқсат етілген ауытқу мәні бірмодалы талшықтар үшін 0,4 мкм және көлемі 100/140 көпмодалы талшықтар үшін 2,7 мкм құрайды. Осы шарттарды орындаған кезде шығындар елеусіз болуы мүмкін.

16.3-сурет. Сфералық айнасы бар оптикалық тармақтағыш

 Осы принциптерге сүйеніп талшықты-оптикалық жүйелер үшін қажетті құрылғылардың кең спектрін жасауға болады. Мұндай тармақтағыштар жоғарыбағытталған құрылғылар болып табылады және талшықтардың әртүрлі түрлерін қолдануға мүмкіндік береді.

 17 Дәріс. Селективті оптикалық тармақтағыштар

 Дәрістің мақсаты: селективті оптикалық тармақтағыштар

 Селективті оптикалық тармақтағыштар толқындық (спектралды) тығыздау құрылғылары болып келеді (Wave - length - Division Multiplexing, WDM). Олар әртүрлі ұзындықты оптикалық сигналдарды – арналарды – көтеген талшық ішінен бір талшыққа немесе бір талшықтан бірнеше талшыққа мультиплекстеу (МUX - біріктіру) немесе демультиплекстеу (DEMUX – фильтрация немесе бөлу) функцияларын атқарады. Қабылдаушы мен таратушы жақтарда біртипті, бірақ MUX және DEMUX режимдерінде жұмыс жасайтын құрылғылар орнатылуы мүмкін. WDM құрылғыларының жұмыс жасау принциптері талшықтың қасиеті негізінде іске асады, яғни көптеген арналар талшық бойымен бір-бірімен әсерлеспей тарала алады.

Төменде қазіргі кезде WDM тығыздау желілеріндегі мультиплексорларды сипаттау үшін қолданылатын қосымша параметрлер спецификациясы берілген.

Арнаның өткізу жолағы – бұл мультиплексордың берілген портында төмен шығындар деңгейі бар және қолданатын лазердің орталық толқын ұзындығының нұсқалары анықталған  толқын ұзындықтарының диапазоны. Ол 1,0-ден 8,0 нм-ге дейін бола алады.

Орталық толқын ұзындығының рұқсат етілген ауытқуы. Мультиплексордың әрбір портының оптикалық спектрі лазердің әрбір арнасы үшін мүлтіксіз толқын ұзындығына қатысты әдетте ығысуға ұшырағандықтан, бұл параметр максималды рұқсат етілген вариацияны анықтайды. Орталық толқын ұзындығының рұқсат етілген ауытқуы әдетте арналардың өткізу жолақтарының кеңдігінен аз болуы керек, ±0,1 және 0,5 нм арасында жатады.

Арналық интервал көршілес арналардың орталық толқын ұзындықтарының арасындағы қашықтық (интервал) болып табылады және компонентті анықтайтын жүйелік параметр болып келеді.

Жиілік жолағы – бұл спектралды диапазон кеңдігі, бұл диапазонан тыс шыққан кез-келген сигнал шыңдық қуаттың толқын ұзындығына қатысты 30 дБ-ден көп өшеді. Бұл кең қолданылатын параметр, себебі көршілес арна изоляциясы көптеген жүйелер үшін 30 дБ-ге тең.  

Қазіргі кезде толқын ұзындығына сезімтал көптеген құрылғылар бар, олардың негізінде қарастырылған мультиплексорлар жүзеге асырылуы мүмкін. Оларға дифракциялық тор, периодты толқынөткізгіштік тор, талшықты-оптикалық және акустикалы-оптикалық фильтрлер және сонымен қатар Фабри-Перо резонаторлары жатады.

Дифракциялық тор (18.2-сурет) – бұл бетіне қондырылған ара-қашықтықтары d өте кішкентай болатын, әдетте 0,8 мкм құрайтын (1 мм-ге 1200 линия) аралары бар айна. Тор бетіне белгілі бір толқын ұзындығы бар параллель жарық сәулесі түскенде әрбір ара оны шағылдырып, толқын ұзындығына тәуелді болатын сәулелердің жаңа (дискретті) бағыттары бар цилиндрлі толқынды тудырады. Бұл сәулелерге жатады:

-нөлдік ретті сәуле (т=0), оның  түсу мен шағылу мақсаты бір; 

-бірінші ретті сәуле  (т=0), көршілес ара толқындар жолдарының ұзындығы толқын ұзындығының шамасына өзгеріс пайда болады;

-екінші ретті сәуле  (т=0), ол екі толқын ұзындығының айырмасына негізделеді, және т.с.с.

17.2-сурет. Дифракциялық тор

 Қарапайым геометриялық операцияларды жүргізе отырып, тордың негізгі теңдеуін шығара аламыз

,                                     (17.1)

мұндағы dтор периоды (бороздка қадамы);

а және β – тор бетіне нормальға қатысты сәуленің түсу мен шағылу бұрыштары;

т – сәуленің шағылу реті;

λ ауадағы толқын ұзындығы.

 17.3-суретте дифракциялық тордағы нөлдік ретті сәуледен басқа сәулелердің өтуі көрсетілген. 

17.3 – сурет. Сәулелердің дифракциялық тордағы жолы.

 Тәжирибеде жиі тек бірінші ретті сәуле қолданылады, себебі λ>d болғанда тор теңдеуі шешілмейді, сондықтан да екінші ретті сәуле болмайды. Толқын ұзындығына негізделген мультиплексорларда түсуші сәулелерге бағыттап бірінші ретті сәулелерді шағылдыратын тор қолданыс тапты. Бұл жағдайда бірінші ретті сәуле мына шарттан табылады

.                                              (17.2)

Тордың ең маңызды ерекшелігі әртүрлі толқын ұзындықтарын әртүрлі бұрыштармен тарата алу мүмкіндігі болып табылады. Тордың бұл мүмкіндігі бұрыштық дисперсия түсінігін сипаттайды, ол толқын ұзындығы өзгергендегі  бұрыштың өзгеруін бейнелейді және былай анықталады

 .                                                   (17.3)

Осы теңдеуден көріп отырғанымыздай, бұрыштық дисперсия d интервалына кері прапорционал болып келеді.

Мүлтіксіз дисперсиялық тор бір толқын ұзындығында және параллель кірістік сәуле болған жағдайда, параллельді шағылған сәулені тудырады (мысалы бірінші ретті), сондықтан да мүлтіксіз линза қалыптастырған бейне нүкте түрінде болады (17.4-сурет).

 

 

17.4-сурет. Селективті құрылғыларда дифракциялық торды қолдану

 Бірақ бөліктік толқындардың қабаттасуы тарқалатын сәуленің пайда болуына алып келеді, оның бейнесі мына функциямен сипатталады:  .

Активті аралар санымен N толық кеңдіктің байланысы бұл жағдайда былай өрнектеледі

,                     (17.4)

мұндағы Δβ шағылған сәуленің тарқауы;

L линзаның фокустық ара-қашықтығы;

Nxd – сәуле диаметрі.

Жоғарыда айтылғандардың негізінде әртүрлі толқын ұзындықтарды жақсы бөлу үшін үлкен шартты дисперсиясы және үлкен сәуле диаметрі бар торды қолдану керек деген қортынды туады.

                         Қолданылған әдебиеттер тізімі

 1. Семенов А.Б. и др. Структурированные кабельные системы/Семенов А.Б.,Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р.-3-е изд.,перераб.и доп.-М.:Лайт Лтд, 2001.-626с.

 2.Слепов Н.Н.Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ,PDH,SDH,SONET u WDM).-М.: Радио и связь,2000.-468c.

3.Тепляков, И.М. Основы построения телекоммуникационных  систем и сетей: Учебн. пособие,2001.-168с.

4.Кемельбеков Б.Ж. и др. Современные проблемы волоконно-оптических линий связи.Т.1:Волоконно-оптические кабели/Кемельбеков Б.Ж.,Мышкин В.Ф.,Хан В.А.; Международная академия творчества. Мин-во общего и профессионального образования. Томский политехнический ун-т. Под ред.И.А.Тихомирова -М.,1999.-392c.

5. Крук, Б.И., Телекоммуникационные системы и сети.В 3- х т: учеб.пособие для вузов. Т.1: Современные технологии / Крук Б., Попантонопуло В. , Шувалов В.- 3-е изд. исправ.и доп.- М.: Горячая линия-Телеком,2003.

6.Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи.– М.: Радио и связь, 1988. – 544 с.

7.Бутусов М.М., Верник С.М. и др. Волоконно-оптические системы передачи. – М.: Радио и связь, 1992. – 416 с.: ил.

8.Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение.-М.: Машиностроение, 1987.

9.Замрий А.А., Мауленов О.М. Волоконно-оптические системы передачи: Конспект лекций. – Алматы: АЭИ, 1994.

10.Course OPCOM – 1. Principles of filter optic communication systems. Degem systems, - 1988.

11.Гюнтер Мальке, Петер Гессинг. Волоконно-оптические кабели. Siemens Aktiengesellschaft, 1997.

12.Кемельбеков Б.Ж., Мышкин В.Р., Хан В.А. Волоконно-оптические кабели / Под ред. Д-ра физ. мат. наук И.А. Тихомирова. – М.: 1999. – 341 с.

13.Кемельбеков Б.Ж., Мышкин В.Р. Хан В.А. Волоконно-оптические кабели связи. – Томск: издательство науч.-техн.лит., 2001. – 351 с.