V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика



Скачать 158.47 Kb.
Дата11.07.2014
Размер158.47 Kb.
ТипРеферат


V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика»

Секция Физика

Волоконно-оптические линии связи
Яковлева Татьяна Ринатовна МОУ «Большегривская СОШ», 10 класс, поселок Большегривское, Нововаршавский район, Омская область

Научный руководитель:

Панова Людмила Валентиновна, учитель физики

первой квалифицированной категории


П. Большегривское, 2010

Содержание:


Введение стр2

Глава 1. Основные сведения о волоконно-оптической линии связи стр3

1.1 Волоконно-оптические кабели стр4

1.2 Оптическое волокно стр5

1.3 Распространение световых лучей в оптических волокнах стр6

1.4 Характеристики ВОЛС

1.4.1. Затухание стр7

1.4.2. Регенерационный участок стр8

Глава 2. Характеристика волоконно-оптической линии связи на ст. Иртышское стр8

Заключение стр10

Список используемой литературы стр11

Список принятых сокращений стр12



Приложение стр13

Введение.


Что такое волоконная оптика, где используются оптико-волоконные световоды, из чего они сделаны и как работают, какие преимущества у ВОЛС перед обычной кабельной связью, востребована ли оптоэлектронная связь?

На все эти вопросы вы найдёте ответы в этом материале. А ещё для вам станет понятно, что человечество никогда не остановится на достигнутом, то есть не все «паровые двигатели» ещё изобретены, а компьютер сможет сделать намного больше, если не будет ограничен в информационных возможностях.

Мы сможем сэкономить большое количество цветного металла, из которого изготавливаются провода. Почему? Да потому, что сейчас появилась реальная возможность и необходимость использования оптоволоконных световодов.

Ведь оптическое волокно – это просто-напросто очень чистое стекло, а стекло – это песок. А чего на земле больше: меди или песка? К тому же на оптические волокна не действуют ни электрические, ни магнитные поля, а температура, при которой они плавятся, равна 20000С, а это температура очень близкая к околосолнечной.

Волоконная оптика интересна и тем, что носителем информации является не электромагнитный импульс, а закодированный пучок света.

Если же сравнивать пропускную способность, то оптическое волокно толщиной с человеческий волос равноценен пучку медной проволоки толщиной с руку человека.

Цель работы: исследовать, как изменилась связь на железнодорожном транспорте при использовании волоконно-оптических кабелей (на примере ст. Иртышское).


Задачи:

  • Изучить физические процессы в волоконных световодах;

  • Изучить основные параметры ВОЛС;

  • Исследовать характеристики ВОЛС на ст. Иртышское.

Объект исследования: ВОЛС на ст. Иртышское.

Предмет исследования: связь на ст. Иртышское.

Методы исследования: сбор и анализ информации.

Глава 1. Основные сведения о ВОЛС

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информация передается электромагнитными волнами высокой частоты, около 200 ТГц, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону оптического спектра 1500 нм. Волноводом, переносящим информационные сигналы в ВОСП, является оптическое волокно (ОВ), которое обладает важной способностью передавать световое излучение на большие расстояния с малыми потерями. Волоконно-оптическая сеть (ВОС) - это информационная сеть, связую­щими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи.

ОВ в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам:

  • широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей f0= 1012 - 1014Гц. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1012 бит/с (1Тбит/с). Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга;

  • очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в оптическом волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов;

  • ОВ имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике;

  • системы связи на основе ОВ устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. ВОЛС нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на ОВ могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии;

  • важное свойство ОВ - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить волоконно-оптический кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Но существуют также некоторые недостатки волоконно-оптических технологий:

  • подверженность волоконных световодов радиации, за счёт которой появляются пятна затемнения, и возрастает затухание;

  • при проникновении влаги в кабель появляется водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств;

  • для монтажа ОВ требуется дорогое технологическое оборудование. Как следствие, при аварии (обрыве) ОК затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения ВОЛС настолько значительны, что, несмотря, на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

    1. Волоконно-оптические кабели.

Одним из важнейших компонентов ВОЛС является ВОК. Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании с большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозозащитный трос (оптические волокна укладываются в стальные трубки, которые заменяют провод заземления), используемые для подвески на опорах воздушных линий электропередачи. Такие кабели характеризуются способностью выдерживать высокие механические и электрические нагрузки, обладают высокой молниестойкостью и высокой стойкостью к вибрации, и предназначены для соединения электростанций и станций управления, используя действующие высоковольтные линии.

Волоконно-оптические кабели состоят из следующих элементов: оптическое волокно (сердцевина, оболочка сердцевины), буферное покрытие, упрочняющее покрытие, наружное покрытие (приложение 1).

1.2 Оптическое волокно.

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Световодное волокно существовало уже в начале 60-х годов, упорядоченные и неупорядоченные жгуты были изготовлены многими ведущими оптическими фирмами и внедрены в технику и медицину (светопроводящий волоконный жгут, состоящий из множества волосяных световодов, благодаря чему достигнута такая гибкость, при которой жгут может быть введен в полости человеческого тела). Но у них имелся существенный недостаток, который делал их с самого начала не применимыми для передачи сообщений. Их пропускная способность была слишком мала для применения в ряде технических областей.

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения в них излучения. В многомодовых ОВ распространяется множество различных типов световых лучей – мод, а в одномодовых – один.

Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В технике связи несколько килограммов меди могут быть заменены 1г стекла высокой очистки, если за основу принять одинаковую пропускную способность кабеля. Из этого соотношения следует еще одно преимущество: оптические кабели легче электрических. Это особенно заметно в кабелях с высокой пропускной способностью — из-за малого диаметра световода. С целью повышения прочности и тем самым надежности волок­на поверх оболочки, как правило, накла­дываются защитные упрочняющие покрытия.



Сердцевина – это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала. Оболочка – это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создаёт световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

Наличие кварцевой оболочки, имеющей показатель преломления чуть меньше, чем у сердцевины, приводит к трём последствиям, два из которых положительны:

- уменьшает потери световой энергии;

- уменьшает дисперсию (уменьшает уширение передаваемых импульсов),

и одно отрицательно:

- уменьшает долю энергии, захватываемой сердцевиной от источника излучения.

Первичное защитное покрытие служит для сохранения параметров передачи. В процессе эксплуатации необходимо защитить оптические волокна в кабеле от внешних воздействий. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале эпоксикрилат или кремний органический компаунд, а затем полимерное (полиэтилен) или лаковое покрытие.

Упрочняющие элементы (для избежания механических деформаций) изготавливают из стали, арамидной пряжи (кевлара), стеклопластиковых стержней и синтетических высокопрочных нитей.

ОК в подавляющем большинстве случаев имеют пластмассовые, полиэтиленовые, поливинилхлоридные наружные оболочки.

Кабели ОКС, кроме оптических волокон, содержат медные проводники для дистанционного питания регенераторов и служебной связи.

    1. Распространение световых лучей в оптических волокнах.

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления.

Рассмотрим переход света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n2 < n1, например, из воды в воздух), можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча (приложение 2). Преломленный луч по выходе из более плотной оптической среды пойдет так, что угол падения α будет меньше угла преломления β. По мере увеличения угла α угол преломления β растет, оставаясь, все время больше угла α. Наконец при некотором угле падения αпр значение угла преломления приблизится к 90° и преломленный луч пойдет почти по границе раздела сред. Наибольшему возможному углу преломления β= 90° соответствует угол падения αпр. При углах α > αпр имеет место полное внутреннее отражение, когда преломлённый луч отсутствует и вся энергия сосредоточена в отражённом луче

На этом явлении и основан процесс удержания света внутри световода. Полное внутренне отражение может происходить только тогда, когда луч света распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную и никогда не происходит в обратном случае.

Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на границу оптически более плотной и оптически менее плотной сред излучение полностью отражается, определяется соотношением: αпр =arcsin(n2/n1) , где n1 - показатель преломления сердцевины ОВ, n2 - показатель преломления оболочки ОВ, причем n1 > n2.

Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения (приложение 3).

    1. Характеристики волоконно-оптической линии связи.

1.4.1. Затухание.

По мере распространения света в оптической среде он ослабевает, что носит название затухания среды — затухания ОВ. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передача сигналов по волокну осуществляется в трех диапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Затухание оптического волновода учитывается при расчете энергетического бюджета.

Затухание световодных трактов оптических кабелей обусловлено собственными потерями в волоконных световодах и дополнительными потерями, так называемыми кабельными, обусловленными скруткой, а так же деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля.

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения и потерь рассеивания. Часть мощности, поступающей на вход световодов, рассеивается вследствие изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство. Другая часть мощности поглощается посторонними примесями, выделяясь в виде тепла. Поэтому, если изготовить оптическое волокно из обычного стекла, то за счёт наличия примесей затухание будет велико.

Кроме собственных потерь, учитывают также дополнительные кабели потери, обусловленные деформацией ОВ в процессе изготовления кабеля (скруткой, изгибами, отклонениями от прямолинейности), а также термомеханические воздействия на волокна при наложении оболочек и покрытий и другие факторы, обусловленные технологией производства.

Затухание в первую очередь определяет длину регенерационного участка (расстояние между генераторами).

1.4.2. Регенерационный участок.

Основными элементами линейного тракта ВОСП являются участки регенерации – участки между выходами оборудования тракта, соединёнными ВОЛС. Линейные регенераторы осуществляют оптоэлектронные преобразования оптического сигнала в электрический, затем восстановление амплитуды, формы и временных положений импульсов цифрового сигнала - регенерацию и далее его электронно-оптическое преобразование в оптический сигнал.

Величину регенерационных участков можно рассчитать по формуле:

I = 30/А, где А – затухание.
Глава 2.Характеристика ВОЛС на ст. Иртышское.

Станция Иртышское была построена в 1961 году – это одна из составляющих Западно-Сибирской железной дороги. Для работы всех систем станции необходима разветвлённая сеть связи.

С 50-х годов прошлого столетия телефонная связь осуществлялась по кабельным линиям связи. Кабель представлял собой медную проволоку, заключённую в оболочку.Эти аналоговые кабельные линии связи имеют много недостатков, главные из которых – низкая скорость связи и накопление помех, что ухудшает качество связи.

С 2001 года связь на ст. Иртышское стала осуществляться по ВОЛС. ВОК был подвешен на опорах контактных сетей (приложение 4). Что позволило сократить сроки строительства и трудозатраты.

Паспорт ВОК на ст. Иртышское:

ОКМС-А-4/2(2,4)Сп12(2)/4(5)

- оптический кабель диэлектрический самонесущий;

- внешняя оболочка из полиэтилена;

- защитные покровы из арамидных нитей;

- число оптических модулей – 4, число заполняющих модулей – 2;

- номинальный внешний диаметр модулей – 2 и 4 мм;

- центральный силовой элемент – стеклопластиковый пруток;

- число одномодовых оптических волокон одного типа – 12, другого типа – 4 в кабеле (2 и 5 – это типы волокон, рекомендуемые МСЭ-Т).

Всего в кабеле 16 жил, 4 из которых используются на местном уровне:

1 и 2 – ЗАО «Траснстелеком»;

13 и 14 – Западно-Сибирская железная дорога.

В Доме связи установлено DWDM оборудование (5 и 6 жилы), с помощью которого осуществляется трафик Европа – Азия (быстрый доступ к информации об олимпиаде в Китае).

Для организации связи по ВОЛС используются мультиплексоры систем STM-1 и STM-4. в системе STM-1 имеется 64 канала, из которых 4 использует Зап-Сиб ж/д,, по одному каналу используют таможня и «Промстройбанк» (Черлак), один канал для контроля за состоянием ВОК. В каждой системе цифровой поток передачи информации составляет 2 Мбит/с. Если сравнить с АТС в пос. Большегривское, то поток передачи информации составляет 128 кБит/с.

Для передачи сигнала по волноводу используются лазерные пучки с длиной волны 1310 нм и 1550 нм. Затухание по мощности:

А(1310нм) = 0,31 дБм/км.

А(1550нм) = 0,22 дБм/км.

Для повышения пропускной способности волокон применяются уплотнении по длинам волн, поэтому используется 2 моды.

Длина регенерационных участков:

I(1310нм) = 45км;

I(1550нм) = 100км.

Для электрических кабелей с медными проводниками, используемыми ранее, длина регенерационного участка составляла не более 20км.

Регенераторы стоят на станциях Любовка (41км) и Стрела (110км).

В процессе работы выяснила, что ВОС на ст. Иртышское позволила:

- во много раз улучшить качество связи, эффективнее стала оперативно-технологическая связь;

- подключиться к широкополосному высокоскоростному Интернету;

- оперативно управлять системой передачи данных;

-экономить электрическую энергию, так как используемое цифровое оборудование потребляет электрическую энергию в 3 раза меньше;

- снизить трудозатраты в 2 раза (раньше обслуживало 8 механиков, а сейчас – 4);

- осуществлять удалённый доступ к оборудованию;

- диагностировать оборудование (температуру, напряжение, потоки линии).

Проблемы, которые возникли при использовании нового оборудования – это необходимость поддержки микроклимата. В залах установлено 2 кондиционера, которые поддерживают температуру 180С для источников бесперебойного питания (аккумуляторов).
Заключение.

При исследовании волоконно-оптической линии связи я выяснила, что оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

При выполнении работы мною были рассмотрены устройства волоконно-оптического кабеля и оптического волокна, принципы передачи информации по оптическому волокну, а так же характеристики волоконно-оптического кабеля. Были исследованы характеристики волоконно-оптической линии связи на ст. Иртышское, их влияние на связь.

Анализируя выше сказанное, я сделала следующие выводы:

1. В волноводах используются длины волн 1310 и 1550нм, что позволяет уменьшить величину затухания в волоконно-оптическом кабеле, тем самым улучшить качество связи.

2. Оптическое кабель обеспечивает большие длины регенерационных участков и высокую пропускную способность (дальность связи без применения ретрансляторов).

3. Способ уплотнения по длинам волн является наиболее перспективным.

4. Волоконная оптика обеспечивает высокую скорость передачи информации, позволяет существенно увеличить её объёмы.

5.Оптические кабели позволяют экономить электрическую энергию.

6.Снизились трудозатраты.

7.Волоконная оптика позволила создать условия для внедрения новых информационных технологий. И это в перспективе можно применить в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и расширяет возможности информационного обслуживания абонентов. С помощью волоконно-оптических линий связи можно осуществлять высокоскоростную связь внутри мощных ЭВМ, между ЭВМ и терминалами, а также между отдельными ЭВМ.

Список используемой литературы:
1. Виноградов В. В., Котов В. К., Нуприк В. Н. Волоконно оптические линии связи: Учебное пособие для техникумов и колледжей ж.-д. трансп. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 278 с. .
2. Виноградов В. В., Кузьмин В. И., Гончаров А. Я. Линии автоматики, телемеханики и связи на ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1990. – 231 с.
3 Гроднев И. И. Оптоэлектронные системы передачи информации. – М.: Знание,

1992. – 64 с.
4. Роуэлл Г., Герберт С. Физика/пер. с англ. под ред. В. Г. Разумовского. М.: Просвещение, 1994. – 576 с.
5. Энциклопедический словарь юного физика/Сост. В. А. Чаюнов. М.: Педагогика-Пресс, 1997 – 336 с.

Список принятых сокращений

ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи

ВОСП – волоконно-оптическая система передачи

BOК – волоконно-оптический кабель

ОК – оптический кабель

ОВ – оптическое волокно

STM – синхронные транспортные модули

МСЭ-Т – Международный Союз Электросвязи (Т – техническая сторона)

DWDM – сверхплотное волновое мультиплексирование по длине волны.



П
риложение.


Приложение 1.

Конструкция оптического волокна

Приложение 2.



Отражение и преломление лучей на границе раздела двух сред.

Приложение 3.

Распространение луча света в волноводе.

Приложение 4.


Волоконно-оптический кабель.





Похожие:

V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconРегиональная научно-практическая конференция школьников и учащейся молодежи омской области секция: математика
Региональная научно-практическая конференция школьников и учащейся молодежи омской области
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconРешение задач с помощью теоремы Менелая теорема Чевы
Региональная открытая научно-практическая конференция школьников Сибирского федерального округа «Эврика»
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconИсследовательская работа по теме: " Замечательные линии треугольника: медиана и биссектриса" Секция: математика Работа учеников 8 класса
Региональная научно-практическая конференция школьников и учащейся молодежи Омской области
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconРегиональная научно-практическая конференция школьников и студентов, посвященная 20-летию

V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconЦивильского района Чувашской республики Школьная научно-практическая конференция школьников Секция: человек, природа, техника
Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (пдк) 10
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconГородская научно-практическая конференция обучающихся 8-11 классов «Шаг в будущее» Секция биология (антропология) Фамильный состав жителей города Междуреченска в динамике лет. Каракулло Мария, 10 класс моу «Гимназия №24»
Городская научно-практическая конференция обучающихся 8-11 классов «Шаг в будущее»
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconIi региональная научно-практическая конференция «педагогические инновации в дошкольном и начальном образовании»

V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconГородская научно-практическая конференция обучающихся 8-11 классов «Шаг в будущее» Секция биология (антропология) Морфо-функциональная асимметрия старшеклассников моу «Гимназия №24» Вязникова Екатерина, 10 класс, моу «Гимназия №24»
Городская научно-практическая конференция обучающихся 8-11 классов «Шаг в будущее»
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconРайонная научно практическая конференция школьников «К вершинам знаний»
Анализ пищевых добавок в наиболее популярных у школьников продуктах питания. (стр 9 – 10)
V региональная научно-практическая конференция школьников «Эврика» Секция Физика iconГородская научно-практическая конференция школьников

Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org