Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи

Линза (позиция 6) крепится завальцовкой в держателе линзы (позиция 5). Напротив оптических разъемов размещается кристалл полупроводникового оптического усилителя (позиция 1). В соответствии с проведенными габаритными расчетами, предварительно выставляется расстояние между поверхностью линзы и торцами полупроводникового усилителя

L = a' - (d/2 - ?/2) (3.20)

Принимаем L = 1 мм.

На этапе сборки прибора следует корректировать расстояние между поверхностью линзы и торцами полупроводникового усилителя по максимальному значению сигнала.

Юстировка осуществляется изменением размеров между линзой и излучателем по трем координатам. Юстировка выполняется посредством трех регулировочных винтов (позиция 12). Вращая регулировочные винты, удается регулировать положение линзы.

Угловое смещение оптической оси разъема относительно оптической оси лазерного кристалла корректируется поочередным перемещением одного из винтов. Перемещением всех трех регулировочных винтов на одинаковое расстояние изменяется осевое смещение линзы относительно излучающей поверхности. Контроль осуществляется по оптической мощности, которая контролируется специальными приборами.

Схема электрического смещения усиливающего излучение излучающей диодной структуры располагается на плате ГИС (позиция 2), размещаемой на металлическом основании (позиция 3).

Юстировка выполняется отдельно по принимаемому излучению и по излучению, направляемому в продолжение оптической линии связи. При этом одна из крышек временно удаляется, а после юстировки оставшегося разъема возвращается на место. Жесткое крепление крышек винтами (позиция 13), позволяет неоднократно осуществлять данную операцию. Устойчивое положение линзы с оправой обеспечивается пружинами, создающими натяжение между оправой и корпусом. После окончания юстировки это пространство фиксируется клеем.

Проводниками (позиция 15) обеспечивается электрический контакт точек входа и выхода схемы с клеммами электрического разъема (позиция 8).

Электрический разъем выполнен в виде изолированных проводников (ножек), по которым поступает напряжение питания на приборы и схемы ретранслятора, а также нулевой потенциал земли. Заземление корпуса осуществляется через специальный проводник, припаянный к металлическому корпусу.

3.3.2 Проектирование электрической схемы

Для обеспечения тока накачки используется схема источника тока, управляемый напряжением. Схема представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема включения полупроводникового оптического усилителя.

Величина необходимого тока задается напряжением, поступающим на базу p-n-p транзистора VТ1.

Рассчитаем номиналы резисторов для обеспечения необходимого тока накачки лазерного диода.

Ток через лазерный диод определяется в виде

(3.21)

где U_П - напряжение, подаваемое на схему;

R - суммарное сопротивление схемы.

Перепишем уравнение в виде

U_п=(I_л•r_эк)+I_л•(R1+r_л) (3.22)

где I_л - ток, протекающий через диодную структуру;

r_эк. - напряжение эмиттер - коллектор, которое незначительно;

R1 - сопротивление резистора;

r_л - сопротивление диодной структуры.

Взяв необходимый ток накачки лазера, обеспечивающий усиление оптического сигнала, получим значение сопротивления нагрузки:

R1 = 15В/100 мА - 30 Ом = 120 Ом

В соответствии с проведенными расчетами выберем геометрические размеры пленочного сопротивления R1.

Взяв типичное удельное поверхностное сопротивление пленки 50 Ом, получим требуемые относительные размеры: длина х ширина равны 24 х 10.

3.3.3 Расчет надежности устройства

Параметры надежности устройства оптического усилителя сигналов определяются параметрами составляющих его элементов. Устройство содержит:

1. Инжекционный излучающий полупроводниковый диод - 1 шт.

2. Транзистор - 1 шт.

3. Пленочный резистор - 1 шт.

4. Плата ГИС - 1 шт.

5. Электрические разъемы - 4 шт.

6. Оптические разъемы - 2 шт.

Параметры надежности определяются набором случайных факторов. Вероятность работы до отказа в течение времени t находится по формуле:

(3.33)

где P(t) - вероятность безотказной работы;

л - интенсивность отказов;

t - время.

Итоговая интенсивность отказов системы будет равна сумме составляющих интенсивности отказов устройства компонентов, ввиду того, что показатели степеней при перемножении функций складываются

(3.34)

где л_i - интенсивность отказов - интенсивность отказов элемента под номером i.

N_i - количество элементов вида i.

Интенсивность отказов связана со средним временем наработки

(3.35)

Учитывая типовой ресурс инжекционного полупроводникового излучателя

5 10⁵ часов [2], получаем

Принимая типовые значения интенсивностей отказов элементов приемопередатчика, получаем сводную таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Параметры надежности элементов устройства

Наименование	Кол-во	лi 104	лi х Ni
Полупроводниковый излучатель	1	0,05	0,05
Транзистор	1	0,01	0,01
Пленочный резистор	1	0,01	0,01
ГИС	1	0,1	0,1
Разъем электрический	4	0,06	0,24
Разъем оптический	2	0,06	0,12

Определим интенсивность отказов всего блока:

л = 0,53 10 - ⁴ .

Находим среднее время наработки на отказ:

часов.

Итак, среднее время наработки на отказ около 20 тысяч часов.

Вероятность безотказной работы устройства в течение 1000 часов составит:

.

Надежность устройства и вероятность безотказной работы соответствуют типовым параметрам элементов ВОЛС широкого назначения.

4 Технологический раздел

4.1 Технология изготовления оптических разъемов

Выбор способа соединения зависит от типа соединяемых волокон или кабелей. Соединения оптических волокон влияют на потери и дисперсию сигналов в линии передачи. Источники потерь в оптических разъемах можно разделить на две группы.

К первой группе относятся потери, уменьшаемые юстировкой волокон. Ввиду малых размеров юстируемых волокон (диаметр волокна около 10 мкм), и естественных приборных ограничений юстировки, эти потери имеют достаточно существенное влияние на распространение оптического сигнала. Они были учтены в энергетическом расчете. Для уменьшения этого типа потерь необходимо проводить точную юстировку волокон, максимально устраняющую их радиальное смещение, угловое рассогласование и зазор между торцами волокон.

Ко второй группе относятся потери, вызванные различием их параметров, таких, как числовые апертуры, диаметры сердечников, неидеальную концентричностью и эллиптичность. Эти типы потерь уменьшаются путем использования специальных конструкций разъемных соединителей, в которых добавляются специальные оптические элементы. При значительном рассогласовании параметров оптических волокон должен быть предусмотрен специальный волоконно-оптический переход (градан), благодаря которому изменяется плавно сечение волокна.

Если оптические волокна имеют близкие по значению поперечные размеры и профили показателей преломления, то их можно соединить стыковкой торцов. Преимуществом соединения волокон в стык является обеспечение наименьших поперечных смещений и углов наклона между осями волокон, которые обусловливают основные потери в соединении.

При торцовом соединении оптических волокон, их торцы должны быть плоскими, гладкими и перпендикулярными их оптической оси. Поверхности стыкуемых оптических волокон могут иметь шероховатости, сравнимые с длиной волны излучения, микро изгибы и т.д. Это приводит к дополнительным потерям, однако, они устранимы технологическими методами. Для уменьшения потерь этого типа зазор между торцами заполняют иммерсионной жидкостью или клеем. Эти жидкости также могут вызывать потери, поэтому от их применения часто отказываются, добиваясь высокого качества торцов.

Рассмотрим детали технологии соединения оптических кабелей и волокон. Способы изготовления большинства соединений волокон включает стандартные технологические операции.

1. Удаление защитных покрытий с кабеля и волокон, освобождения внутренних волокон.

2. Соединение упрочняющих элементов кабелей.

3. Подготовка торцов волокон; торцы должны быть чистыми, плоскими, перпендикулярными к оси волокон.

4. Монтирование волокна в выбранное соединительное устройство.

5. Соединение волокон, вмонтированных в устройство, посредством специального клея или использованием термической операции.

6. Нанесение защитного покрытия на соединение.

Для обеспечения малых потерь при разъемных соединениях необходимо обеспечить высокую точность изготовления всех деталей соединения, поэтому конструкция разъемного соединителя должна исключать необходимость оптической юстировки.

Распространённый способ механического разъемного соединения оптических волокон основан на использовании коннекторов (оптических разъёмов). В основу построения оптических коннекторов положен принцип физического контакта двух оптических волокон волоконно-оптических кабелей для того, чтобы сделать возможной прямую передачу оптической мощности от сердцевины одного волокна к сердцевине другого волокна.

Для частого и многократного соединения волокон применяется разъемный штекерный соединитель. Способ соединения демонстрируется рисунком 4.1.

Рисунок 4.1 - Разъемное соединение волокон.

1 - оптоволокно, 2 - патрон, 3 и 4 - трубки, 5 - гнездо соединителя, 6 - штыри, 7 - конический канал, 8 - крепежная гайка.

Окончания оптических волокон (позиция 1), заранее вставляют в специально подготовленные металлические трубки (позиции 3 и 4 на рис. 3.1). Эти трубки с волокнами помещают в штыревую часть разъема (позиция 6) и гнездо соединителя (позиция 2). Диаметр отверстия канала штыревой части соединителя является строго выдерживаемым размером, немного превышающим внешний диаметр волокна - 125 мкм. Фиксация оптических волокон в штыревой и гнездовой частях обеспечивается путем сжатия концов стальных трубок, надетых на пластмассовую оболочку.

При выполнении операции соединения наружные сопрягаемые поверхности тесно соприкасаются друг с другом. На наружной поверхности гнездовой части соединителя имеется резьба. После соединения штыревая и гнездовая части фокусируются между собой гайкой с накаткой (позиция 8 на рисунке 4.1).

В наиболее общем виде, способ разъемного соединения волокон посредством штекерного соединителя включает следующие этапы:

1. Снятие покрытия оптоволокна, оставляется лишь сердцевина и отражающая оболочка.

2. Укрепление коннектора, центрирование и фиксация волокна в наконечнике.

3. Шлифование и полировка концов волокна и наконечника.

4. Закрепление корпуса коннектора.

Монтаж осуществляется оптического соединителя типа ST с помощью стандартного комплекта инструментов "НПК ПТ".

Снятие покрытия оптоволокна осуществляется следующим образом.

1. Надеть на конец кабеля, подлежащего оконцеванию, последовательно: хвостовик эластичный и кримпирующую втулку.

2. С конца кабеля удалить ПВХ оболочку стриппером Т-типа на длине 40-45мм.

3. Отрезать упрочняющие нити ножницами для резки кевлара, оставив свободными по 5мм.

4. Удалить буферное покрытие стриппером, оставив 16мм.

5. Удалить с оптического волокна первичное защитное покрытие (эпоксид - акрилат) с помощью стриппера.

6. Протереть волокно салфеткой, смоченной в спирте.

Укрепление коннектора, центрирование и фиксация волокна в наконечнике осуществляется следующим образом.

1. Извлечь из пакета упаковку эпоксидного клея BA-F1.

2. Удалить съемную перегородку.

3. Положить упаковку на ровную поверхность и прокатать по ней роликом миксера 10-20 раз.

4. Вскрыть упаковку с клеем и заполнить им медицинский шприц.

5. Заполнить отверстие коннектора эпоксидным клеем при помощи медицинского шприца, а также нанести клей на поверхности коннектора, попадающие на упрочняющие нити кабеля.

6. Надеть коннектор на разделанный конец кабеля. Заднюю утонченную часть коннектора необходимо ввести внутрь наружной оболочки кабеля.

7. Кримпирующую втулку переместить по кабелю на коннектор до упора. Кримпировать втулку на коннекторе и на кабеле необходимо специальными клещами.

8. Нанести каплю клея на торец коннектора в месте выхода из него волокна. Надеть на коннектор защитную пластиковую трубочку с прорезью.

9. Поместить коннектор в мини-печь и выдержать до отверждения клея в течение 5 мин. при температуре 150 градусов Цельсия (режим дан для клея марки BA-F1, 2Ч 3).

10. Вынуть коннектор из печки, дать остыть до комнатной температуры и снять защитную пластиковую трубочку. Ручкой - скалывателем нанести на волокно риску по границе клеевой капли на торце коннектора. Изгибая волокно произвести скалывание.

Шлифовка торца коннектора осуществляется следующим образом.

1. Коннектор закрепить в полировальном диске. На ровном месте установить стеклянную пластину. Положить на нее 5 мкм алмазную шкурку.

2. Шлифовать торец на данной шкурке, не оказывая давления на коннектор. Особенно аккуратно надо действовать в начале процесса шлифовки. При шлифовании описывать фигуру, похожую на цифру восемь с размерами 40 - 80 мм. Шлифовать до тех пор, пока на шкурке не будет оставаться голубоватый след от клея (при этом с торца коннектора будет удален почти весь клей). Контроль удаления клея и качество шлифования торца волокна осуществлять при помощи микроскопа.

3. Протереть торец коннектора и полировальный диск салфеткой, смоченной в спирте.

4. Поменять шкурку М 5 на M l на стеклянной пластине.

5. Шлифовать на шкурке M l до полного удаления следов клея.

6. Поменять шкурку M l на М 0,3на стеклянной пластине.

7. Шлифовать на шкурке М 0,3. Сделать десять восьмерок.

8. Протереть торец коннектора и полировальный диск салфеткой смоченной в спирте.

9. Проверить качество шлифовки торца оптоволокна под микроскопом.

10. Нанести клей "супер" на наружные места кримпирующей втулки, в местах ее крепления к коннектору и кабелю.

11. Опустить эластичный хвостовик вдоль кабеля к месту установки. Аккуратно сделать 2-3 оборота эластичным хвостовиком вокруг оси кабеля для равномерного распределения клея и установить на место таким образом, чтобы выступающий поясок хвостовика вошел в канавку кабеля модульной конструкции.

Зачистка ОК производится с целью подготовки его для оконцевания вилками типа ST. следует провести следующие операции.

1. Снять наружную оболочку ОК на необходимой длине.

2. Отмерить необходимую длину зачищаемого участка и сделать кольцевой надрез с помощью ножа. Сделать продольный надрез на длине 500 мм.

3. Снять наружную оболочку кабеля. Удалить защитную металлическую сетку при помощи бокорезов.

4. Сделать кольцевой надрез второй оболочки, не прорезая ее насквозь, чтобы не повредить модули с волокнами. Изгибая вторую оболочку в разные стороны, добиться, чтобы кольцевой надрез стал сквозным (т.е. должны быть видны цветные модули кабеля). Осторожно удалить вторую оболочку кабеля.

Примечание. Если осевое усилие при снятии оболочки очень велико, то следует сделать продольный разрез при помощи ножниц.

Соединители типа SPLICE предназначены для механического соединения оптических кабелей. Для их создания необходимо следовать следующей методике.

1. С конца кабеля удалить ПВХ оболочку стриппером Т-типа на длине 25 мм. Отрезать упрочняющие нити ножницами для резки кеврала. Удалить буферное покрытие стриппером No-Nik-250, оставив 25 мм.

2. Удалить c оптического волокна первичное защитное покрытие (эпоксид-акрилат) с помощью стриппера Miller. Протереть волокно салфеткой, смоченной спиртом.

3. Произвести скол при помощи скалывателя и оставить зачищенный конец волокна длиной 16 мм.

4. Взять SPLICE, ослабить гайки цанг с двух сторон.

5. Ввести один зачищенный конец волокна в отверстие цанги и продвигать его в стеклянном капилляре до середины.

6. Затянуть цангу гайкой с той стороны SPLICE, с которой введено волокно. Затяжку проводить до фиксации волокна.

7. Ввести второй зачищенный конец волокна в отверстие цанги с противоположного конца SPLICE и продвигать его в стеклянном капилляре до упора в торец волокна вставленного ранее.

8. Затянуть цангу гайкой с той стороны, с которой введено волокно, до фиксации волокна.

9. Произвести замер затухания в соединителе SPLICE (величина затухания не должна превышать 0,2-0,3 дБ).

Заметим, что технология сборки коннектора осуществляется путём вставки двух наконечников в высокоточную направляющую цилиндрическую втулку. Однако даже при таком соединении волокон возникают вносимые потери, которые необходимо учитывать при измерениях и проектировании волоконно-оптических систем передачи соответствующих систем.

Доступный путь стандартизации оптических разъемов состоит в стандартизации коннекторов по диаметрам наконечника, из которых самым распространённым является диаметр 2,5 мм. Фиксированный диаметр наконечника позволяет осуществлять стыковку коннекторов разных фирм-производителей.

Следует отметить, что еще не накоплен исчерпывающий опыт эксплуатации волоконно-оптических элементов с различными соединениями и недостаточно ясна зависимость долговечности и надежности соединений волоконно-оптических узлов от условий эксплуатации. Так, в условиях резких колебаний температур все элементы соединения должны иметь близкие коэффициенты термического расширения для предотвращения возникновения опасных напряжений.

4.2 Способы создания полупроводниковых оптических усилителей

Полупроводниковые оптические усилители создаются на основе полупроводниковых диодных герероструктур с p-n-переходом, смещаемым в прямом направлении. Питание прибора обеспечивается интегральной электрической схемой.

В зависимости от того, излучает ли СИД свет из поверхности, параллельной плоскости перехода, или из среза области перехода, структура лазерного диода (ЛД) может быть изготовлена двумя способами, демонстрируемыми рисунком 4.2:

а) в виде структуры с излучающей поверхностью,

б) в виде структуры с излучающим срезом.

На рисунке 4.2 показаны эти варианты.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

80

79

Рисунок 4.2 - Поперечный разрез структуры лазерного диода, предназначенного для усиления оптического сигнала

а) - с излучающей поверхностью

б) - с излучающим срезом.

Оба типа могут быть сформированы путем использования либо обычного р-п-перехода, либо гетероструктуры, в которой активная область окружена слоями подложки р- и n-типов.

Диод на основе гетероструктуры обладает лучшими характеристиками. Он обеспечивает управление во всей области эмиссии и позволяет устранить внутреннюю абсорбцию, благодаря прозрачности слоев подложки.

Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, p-GaAlAs - n-GaAs. Отличие обычного p-n-перехода заключается в том, что в обычных p-n-переходах используется один и тот же вид полупроводника, например p-GaAs - n-GaAs.

Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения (ТКР) и постоянная решетки. С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.

Переход р-п-типа создается путем легирования полупроводникового кристалла специальными примесями.

Легирование - введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным. Если в полупроводник ввести в качестве примеси элемент, высвобождающий электроны, то получим донорный полупроводник, у него будет электронный тип проводимости - или полупроводник n-типа. Если же ввести в качестве примеси элемент, захватывающий дополнительный электрон, образуются избыточные дырки (вакансии электронов в кристаллической решетке). Тогда получится акцепторный полупроводник, обладающий дырочной проводимостью (р-тип).

Легирование диодных лазерных структур происходит непосредственно в процессе эпитаксии (послойного наращивания) кристалла.

Эпитаксия - основной способ создания лазерных диодных структур, в том числе и предназначенных для оптического усиления сигнала ВОЛС. Термин «эпитаксиальный» дословно обозначает «расположенный сверху». При эпитаксиальном выращивании кристаллических слоев используется специально подготовленная кристаллическая подложка, на которую послойно наносятся слои полупроводникового материала из жидкой или из газовой парообразной фазы. Соответственно выделяют жидкостную и газовую эпитаксию.

В последнее время интенсивно развивается молекулярно-лучевая эпитаксия, во время которой осаждение слоев осуществляется посредством управляемых молекулярных пучков в глубоком вакууме (порядка 10-¹⁰ атмосфер).

Технологический маршрут изготовления полупроводниковых структур, использующихся в качестве оптических усилителей, включает типовой набор операций, применяемых для создания полупроводниковых изучающих диодов.

Операции создания полупроводниковых оптических усилителей следующие.

1. Химическая обработка поверхности полупроводниковых пластин с целью ее очистки от посторонних химических элементов.

2. Напыление металлической пленки, служащей электрическим контактом.

3. Нанесение фоторезиста.

4. Фотолитография.

5. Снятие экспонированных участков фоторезиста.

6. Травление рисунка контактов.

7. Контроль с помощью микроскопа.

8. Нанесение слоя диэлектрика.

9. Нанесение фоторезиста.

10. Фотолитография по диэлектрику.

11. Снятие экспонированных участков фоторезиста.

12. Ионное травление.

13. Контроль с помощью микроскопа.

14. Выборочный контроль электрофизических параметров приборов на пластине.

15. Разделение пластины на кристаллы.

16. Сборка кристаллов в корпуса.

17. Маркировка приборов.

18. Итоговый контроль параметров приборов.

Рассмотренный маршрут изготовления полупроводниковых структур уточняется применительно к конкретному технологическому оборудованию, которым располагает предприятие изготовитель.

5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Анализ опасных и вредных факторов при эксплуатации ВОЛС

При эксплуатации прибора возникают следующие опасные и вредные факторы по ГОСТ 12.0.003.-74* [8]:

Так как в помещении, где располагается рабочее место оператора находится источник излучения, составной частью которого является лазер может возникнуть повышенный уровень лазерного излучения. Степень воздействия лазерного излучения на оператора зависит от физических и технических лазерных характеристик: длительности и периодичности импульсов, энергии излучения, времени облучения, длины волны, площади облучаемой поверхности. Биологический эффект лазерного облучения зависит как от вида воздействия излучения на ткани организма, так и от биологических и физико-технических особенностей самих тканей и органов. Лазерное излучение с длиной волны видимой области спектра наиболее опасно для сетчатки глаза. Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любого спектра. ПДУ лазерного излучения устанавливаются для двух условий облучения: однократного и хронического

Опасность поражения электрическим током

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и f=50 Гц. Из-за чего возникает опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. Опасность поражения электрическим током возникает при: контакте человека с поврежденным участком кабеля питания, при пробое высокого напряжения на корпус прибора или компьютера. Поражение электрическим током возможно при прикосновении разработчика к двум точкам цепи находящимися под напряжением. Опасность такого прикосновения, оцениваемая значением тока, проходящего через тело разработчика, или напряжением прикосновения, зависит от схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы сети. По степени опасности поражения электрическим током помещение является малоопасным по ПУЭ-98 [9].

Несоответствие параметров рабочего места требованиям эргономики.

При работе с прибором, эргономика пользователя имеет важное значения, т.к. при несоответствии рабочего места требованиям эргономики, возникают проблемы с правильной эксплуатацией прибора, а так же появляется физический дискомфорт пользователя.

Недостаточная освещенность рабочей зоны

Недостаточная освещенность рабочей зоны обусловлена: недостаточной мощностью осветительных приборов; недостаточным количеством осветительных приборов. Недостаточная освещенность приводит к повышенной утомляемости человека, проводящего измерения на установке, что снижает работоспособность.

Биологическое действие лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения. Излучение нашего лазера лежит в ближней инфракрасной области, и интенсивность лазерного излучения маленькая. Лазер относится ко второму классу опасности.

5.1.1 Определение предельно-допустимого уровня лазерного излучения, класса опасности лазера и лазерно-опасных зон

Лазерное излучение лежит в ближней инфракрасной области \0,76 1,4 мкм.\ Лазерное излучение GaAs-лазера моноимпульсное и непрерывное. В таблице. 4.1 приведены исходные данные.

Таблица 5.1- Исходные данные для расчета

Длина волны	Время воздействия t	Диам. лазерного луча d	Угол	Расст. до точки наблюдения	Мощность излучения Р	Угол расходимости луча
Мкм	сек	м	град	М	Вт	град
1,31	0,1-1; 10;1001000	10е-7 (=10е-5 см )	0	0,25	0,004	30

5.2.1 Предельно-допустимые уровни лазерного излучения (ПДУ)

За предельно-допустимые уровни лазерного излучения принимаются энергетические экспозиции для роговицы сетчатки и кожи, не вызывающие биологических эффектов. Лазерное излучение в проектировании ВОЛС ( = 1,31 мкм) относится к ближайшей ИК-области. ПДУ лазерного излучения ближней ИК-области регламентируется для роговицы глаза. Энергетическая экспозиция в конкретном случае определяется СН 5804-91[10]:

Н = Н₁ * К₁ , (5.1)

где Н₁ -- энергетическая экспозиция на роговице глаза в зависимости от длительности воздействия ( t ) и углового размера источника излучения при максимальном размере зрачка;

К₁ -- поправочный коэффициент на длину волны при максимальном диаметре зрачка.

Для определения энергетической экспозиции на роговицу глаза (Н₁) необходимо знать угловой размер источника, который определяется по формуле[10]:

= ( d * cos ) / l, (5.2)

где -- угловой размер источника, рад.

d -- диаметр лазерного пучка, м.

-- угол между нормалью к поверхности источника и направлением излучения, град.

l -- расстояние от источника излучения до точки наблюдения, м.

При < 0,001 рад источник принято считать точечным.

Значение энергетической экспозиции Н₁ на роговицу глаза в зависимости от длительности воздействия t и углового размера источника при максимальном диаметре зрачка 8 мм.

Если человеку нужно что-либо рассмотреть, то он обычно рассматривает с расстояния наилучшего видения, которое равно 250 мм. Поэтому в расчетах принимаем 1 = 0,25 м.

Наибольший поток лазерного излучения будет наблюдаться в том случае, когда направление излучения будет совпадать с нормалью к поверхности излучения, т.е. = 0.

Диаметр лазерного пучка определяется конструкцией лазера. В нашем случае диаметр пучка GaAs равен d = 0,1мкм, или 10е-7 м.

В этом случае угловой размер источника будет :

= (d * cos ) / l = (10e-7 * cos 0) / 0.25 = 4 * 10e-7 рад,

т.е. источник излучения точечный, т.к. < 10 е-3 рад. Используя найденное значение углового размера источника =4*10^-7 рад, для различных интервалов воздействия найдем соответствующие им энергетические экспозиции (Н₁). Зададимся несколькими интервалами воздействия: t = 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 1000 сек. Значения энергетических экспозиций от времени воздействия сведены в таблицу 5.2

Таблица 5.2- Расчет ЛОЗ и мощности излучения

Длительность воздействия T	Н1 при =4*10e-7 рад 1=0,25м	Н=Н1*К1 при К1= 23; =1,31мкм	Е при Р=4*10е-3 Вт	1лоз	ПДУ (табл. 4 [3])
1	2	3	4	5	6
Сек	Дж*см-2	Дж *сек2	Вт*сек	См	Дж*см-2
0,1	2,2е-4	5,06е-3	4*10е-4	1,69	20
1	4е-4	9,2е-3	4*10е-3	3,96	60
10	7,1е-4	16,3е-3	4*10е-2	9,41	200
100	1,3е-3	29,9е-3	4*10е-1	21,97	1000
1000	2,2е-3	50,6е-3	4	53,42	4000

Определим поправочный коэффициент К_{1 ,} который для = 0,825 мкм будет равен 0,8. По формуле Н = Н₁ * К₁ найдем значения Н для вибрационных интервалов воздействия.

Определяем класс опасности генерируемого лазером излучения. Возьмем данные, относящиеся к излучению длины волны 0,825 мкм и отметим их в таблице 5.3.

Таблица 5.3-Класс опасности

Класс лазера	Длина волны,Мкм	Энергия Ее, Дж, генерируемая лазером за время воздействия t.
1	0,4…1,4	Ее < 7.7e-5 HП.Т
2	0,4…1,4	7,7е-5 HП.Т < Ее < 3.2e2 HП
3	0,4…1,4	3.2e2 HП < Ее < 100
4	свыше 0,2	Ее > 100

Для t = 0,1 сек определяем класс лазера:

0,0004 < 7.7e-5 * 20

Лазер относится к 1 классу (излучение не представляет опасности для глаз и кожи).

Для t = 1сек:

0,004 < 7.7e-5 * 60

Неравенство не выполняется; лазер не относится к 1 классу. Проверим условие для второго класса:

7,7е-5 * 60 < 0.004 < 3.2e2 * 60

Неравенство соблюдается, лазер относится ко 2 классу (излучение представляет опасность для глаз при прямом или зеркально-отраженном излучении). Можно сказать, что при времени воздействия 10; 100 и 1000 сек лазер также относится ко 2 классу.

Лазеры II класса - это лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека параллельным пучком, диффузно отраженное излучение безопасно для кожи и для глаз.

Связь наличия опасных и вредных производственных факторов с классом лазера по СН 5804-91 показана в таблице 5.4

	Класс лазера (лазерной установки)
	II
Лазерное излучение: прямое, зеркально отраженное Повышенное напряжение электропитания	+ +

5.1.3 Расчет энергии, генерируемой лазерным излучением

Энергия, генерируемая лазерным излучением, определяется по формуле:

Е=Р*t, (5.3)

где Р -- мощность лазерного излучения, Вт,

t -- время действия лазерного излучения, сек.

Произведем расчет мощности лазерного излучения выбранных интервалов воздействия.

Е_t=0.1 = 0.004 * 0.1 = 0.0004 Вт * сек

Е_t=1 = 0.004 Вт * сек

Е_t=10 = 0.04Вт * сек

Е_t=100 = 0.4Вт * сек

Е_t=1000 = 4 Вт * сек

5.1.4 Расчет длины лазерно-опасных зон.

Лазерно-опасная зона (ЛОЗ) -- зона, в которой уровни лазерного излучения превышают допустимые, т.е. расстояние, при котором Н = Н_ПДУ соответствует длине лазерно опасной зоны, определяется по формуле:

1_ЛОЗ=(1/2)*[((4*E*₀*Г₀)/(*Н))^0,5-d], (5.4)

где ₀ -- коэффициент пропускания оптической системы ( ₀=1 );

Г₀ -- коэффициент пропускания оптической системы (Г₀ =1 );

d -- начальный диаметр лазерного луча, см;

-- угол расходимости луча, рад.

Рассчитываем для нашего случая длину лазерно-опасных зон при прямом лазерном излучении. Расчет проведем для выбранных интервалов воздействия.

= 30 = 0,5263 рад.

1_{ЛОЗ t=0.1} = 1,69 см ;

1_{ЛОЗ t=1} = 3,96 см;

1_{ЛОЗ t=10} = 9,41 см;

1_{ЛОЗ t=100} = 21,97 см;

1_{ЛОЗ t=1000} = 53,42 см.

Сравнивая значения Н и ПДУ, можно сделать вывод, что при расстоянии наблюдения 1 = 0,25 м уровень лазерного излучения ( Н ) не превышает ПДУ ни на одном из выбранных интервалов воздействия:

5,06е-3 < 20;

9,2е-3 < 60;

16,3е-3 < 200;

29,9е-3 < 1000;

50,6е-3 < 4000.

В случае, когда расстояние наблюдения меньше или равно расстоянию лазерно-опасных зон (1,69; 3,96; 9,41; 21,97 и 53,42 см соответственно для разных интервалов воздействия) необходимо принимать меры защиты.

Для = 1,31 мкм подбираем марки стекол светофильтров. Для светофильтров можно использовать марки стекол СЗС-24 (сине-зеленое стекло).

Возникновение чрезвычайной ситуации- пожароопасность[11].

При эксплуатации прибора, могут возникнуть пожары из-за: перегрева элементов, короткого замыкания в электрической схеме или воспламенения вследствие перегрузки. Такая опасность возникает из-за радиодеталей в электрических схемах прибора, а также из-за печатных плат, выполненных из фольгированной стеклотекстолиты на основе эпоксидных смол, которые могут возгораться от сильно перегретых радиодеталей. Категория помещения по степени пожароопасности определяется по удельной пожарной нагрузке по формуле (5.5) [12]:

, (5.5)

где - пожарная нагрузка, МДж

- количество i-го материала в пожарной нагрузке, кг

- низшая теплота сгорания i-го материала в пожарной нагрузке,

МДж/кг

Таблица 5.5 -Виды пожароопасных материалов, имеющихся в помещении

Материал	()	()
ДСП	40	16.6
Шторы	5	15.7
Линолеум	50	33.5

Исходя из таблицы (5.5), пожарная нагрузка составляет по формуле (5.5)

Удельную пожарную нагрузку определим по формуле (5.6)

, (5.6)

где - площадь размещения пожарной нагрузки,

По степени пожароопасности помещение относится к категории В₄, т.к по НПБ 105-03 для В4 удельная пожарная нагрузка укладывается в диапазон от 1 до 180 .

5.2 Разработка мер безопасности при эксплуатации ВОЛС

5.2.1 Обеспечение электробезопасности

Для того, чтобы обеспечить недоступность токопроводящих частей прибора для случайного прикосновения используются общетехнические средства:

Основными мерами защиты от поражения током являются:

устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается выполнением всех открытых токопроводящих деталей в виде полностью закрытых узлов в корпусах с надежной изоляцией R1?0,5 МОм,R2?0,08 МОм по ПУЭ-98.

организация безопасной эксплуатации электроустановок в соответствии с ПТЭ и ПТБ.

5.2.2 Обеспечение безопасности при работе с лазером

При использовании лазера II класса, в целях исключения облучения персонала обеспечивается экранирование пучка излучения. Экраны изготавливаются из материалов с наименьшим коэффициентом отражения на длине волны генерации лазера, являются огнестойкими и не выделять токсичных веществ при воздействии на них лазерного излучения. В дополнении к коллективным средствам защиты по СН 5804-91 применяются средства индивидуальной защиты (СИЗ). В данном случае в противолазерных очках будет использоваться марка стекла СЗС-24.

5.2.3 Меры по обеспечению пожарной безопасности

Согласно требованиям НПБ 105-2003, помещение снабжается первичными средствами пожаротушения и пожарной сигнализацией. Устанавливается в специальных держателях самосрабатывающий огнетушитель типа ОСП - 1, предназначенный для тушения пожаров в небольших помещениях без участия человека. Огнетушитель устанавливается над возможным очагом загорания на высоте от 0,1 до 2,6 м в зависимости от особенностей защищаемого объекта.

5.2.4 Санитарно-гигиеническая характеристика на рабочем месте

Для оператора площадь одного рабочего места составляет 4,5 м², а объем 15 м³, внутренняя отделка интерьера состоит из диффузно-отражающих материалов с коэффициентом отражения для потолка - 0,7; для пола - 0,5. Поверхность пола ровная, без выбоин, нескользкая, удобная для чистки и для влажной уборки, обладает антистатическими свойствами. Цветовое оформление помещения направлено на улучшение санитарно-гигиенических условий труда, повышение его производительности и безопасности. Окраска помещений влияет на нервную систему человека, его настроение и в конечном счете на производительность труда. Основные производственные помещения окрашиваются в соответствии с цветом технических средств- светло-серый цвет. Естественное освещение осуществляется через светопроемы, ориентированные преимущественно на север и северо-восток и обеспечивает коэффициент естественного освещения (КЕО) 1,5%. Искусственное осуществляется системой общего равномерного освещения. Нормы для искусственного освещения составляют: Освещенность - 500 лк.; Показатель дискомфорта (М) - не более 40; Коэффициент пульсации освещенности (К_П) - не более 10% по СНиП 23-05-95.[13] Прямая блесткость от источников освещения ограничивается светильниками, при этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в поле зрения, не превышают 200 кд/м². Ограничивается неравномерность распределения яркости, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями находится в пределах 3:1 - 5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования 10:1.

Для создания равномерной освещенности рабочих мест при рабочем освещении светильники встраиваются непосредственно в потолок помещения и располагаются в равномерно прямоугольном порядке. Работу с указанной системой по энергозатратам можно отнести к категории легкая - 1а. Система кондиционирования обеспечивает для этой категории работ оптимальные нормы микроклимата по СанПин 2.2.4.548-96. Для холодного периода года являются: температура воздуха 22-24єС; относительная влажность воздуха 40-60%; скорость движения воздуха не более 0,1 м/с.

Оптимальными нормами для теплого периода года являются: температура воздуха 23-25єС; относительная влажность воздуха 40-60%; скорость движения воздуха не более 0,1 м/с.[14]

5.2.5 Организация рабочего места оператора

Оператор выполняет работу в одном положении: сидя в соответсвии с требованиями ГОСТ 12.2.032-93[15] и ГОСТ 12.2.033-78. Рабочее место организуется для обеспечения оператору физически рациональной позы.

Комфортабельным рабочим местом должно быть такое, которое можно приспособить не менее чем для двух позиций, при этом положение кресла, прибора и периферийных устройств должны каждый раз соответствовать выполняемой работе и привычкам. Оптимальным положением для работающего будет рабочее место, в котором рабочее пространство рабочего места будет на высоте 750 мм. над полом. Расстояние между высотой рабочей поверхности и креслом оператора составляют 280 мм, а высотой стула составляет 470 мм. Рабочий стол имеет пространство для ног высотой 600 мм, шириной -500 мм, глубиной на уровне колен - 450 мм и на уровне вытянутых ног -650 мм.

Важной частью рабочего места в положении сидя является стул, который обеспечивает пользователю наиболее удобную рабочую позу, соответствующую характеру и условиям труда. Стул используется подъемно-поворотный, регулируемый по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстоянию спинки от переднего края сиденья, при этом регулировка каждого параметра независимая, легко осуществляется и имеет надежную фиксацию. Стул имеет полумягкую, с нескользящим, слабо электризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую чистку от загрязнений поверхность сиденья, спинки и других элементов. Рабочий стул имеет ширину и глубину поверхности сиденья 400 мм; поверхность самого сиденья с закругленным передним краем; регулировка высоты поверхности сиденья осуществляется в пределах 400 - 550 мм и углам наклона вперед до 15 град. и назад до 5 град.; высота опорной поверхности спинки регулируется в диапазоне 300 +/- 20 мм, ширина составляет 380 мм и радиус кривизны горизонтальной плоскости - 400 мм; угол наклона спинки в вертикальной плоскости регулируется в пределах +/- 30 градусов; регулировка расстояния спинки от переднего края сиденья можно регулировать в пределах 260 - 400 мм; стационарные или съемные подлокотники длиной 250 мм и шириной - 50 мм; регулировка подлокотников по высоте над сиденьем можно изменять пределах 230 +/- 30 мм и внутреннего расстояния между подлокотниками в пределах 350 - 500 мм.

Для I категории работ в соответствии с СанПин 2.2.2/2.4 1340-2003[16] при 8-ми часовой рабочей смене суммарное время регламентированных перерывов составляет 50 минут. При 8-ми часовой рабочей смене регламентированные перерывы устанавливаются для I категории работ через 2 часа от начала рабочей смены и через 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый.

При работе, с интервалом в 25 минут выполняется комплекс упражнений для глаз, который служит профилактикой зрительного утомления. Во время регламентированных перерывов, с целью снижения нервной и эмоционального напряжения, устранение влияния гиподинамии и гипокинезии, предотвращения развития познотонического утомления следует выполнять комплексы упражнений. При эксплуатации прибора, соблюдается следующий режим труда и отдыха: работа 20-25 минут, а потом 5-минутный перерыв с упражнениями для плеч, глаз и кистей рук по СанПин 2.2.2/2.4.1340-2003.

5.3 Экологическая оценка ВОЛС и разработка мер по охране природы

Разрабатываемая линия связи при эксплуатации не оказывает вредного воздействия на природу, после окончания срока эксплуатации оборудования,при ее утилизации возникают факторы загрязнения окружающей среды. Поэтому применяются следующие операции: первичная обработка металоотходов - сортировка, разделка и механическая обработка. Для утилизации металлов создаются специальные цеха. Приведем таблицу по извлечению составляющих компонентов каждого блока образующих ВОЛС.

Извлечение составляющих компонентов каждого блока образующих ВОЛС приведено в таблице 5.6.

1.Сортировка электродеталей по доминирующим драгоценным металлам;

2.Дробление и измельчение;

3.Обжиг и плавление, в процессе которых происходит пиролитическое разложение (под воздействием высоких температур) неметаллической основы и получение металлических останков драгоценных металлов;

4.Измельчение и гранулирование металлических останков драгоценных металлов;

5.Магнитная сепарация с целью отделения отдельных магнитных и немагнитных частиц;

6.Рафинирование (очистка первичных металлов от примесей) различных драгоценных металлов;

7.Расплавление раздельных по видам драгоценных металлов в виде гранул в индукционных электрических печах.

Таблица 5.6-Извлечение материалов использующихся в ВОЛС

Технологический процесс извлечения драгоценных металлов из печатных плат [17]

№	элемент	Номер ПСХЕ	Наименование полезного ископаемого,содержащего данный элемент	Детали, узлы,блоки,в которых используется элемент
1	кремний	14	Двуокись кремния	Микросхемы,ЭЛТ мониторов
2	медь	29	Самородки,медные руды	Электрические провода,соединители,печатные платы
3	серебро	47	Самородки,серебристая руда	Материал и покрытие для печатных плат
4	барий	56	Минералы барит и витерит	ЭЛТ мониторов
5	свинец	82	Свнцовый блеск	ЭЛТ мониторов
6	ртуть	80	Самородное состояние,киноварь	ЭЛТ мониторов

Структурная схема переработки серебросодержащихся отходов приведена на рисунке 5.1.

Заключение по разделу

В разделе “Безопасность жизнедеятельности” выполнен анализ опасных и вредных факторов при эксплуатации ВОЛС. Определен предельно-допустимый уровень лазерного излучения, на основе которого определяется класс опасности лазера и размеры лазерно-опасных зон. Разработаны меры безопасности при эксплуатации ВОЛС, приведена организация рабочего места и выбран режим труда и отдыха. Для защиты литосферы предложен вариант извлечения вторичного серебра из печатных плат.

Рисунок 5.1 - Структурная схема переработки серебросодержащих отходов

6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

6.1 Актуальность темы и постановка исследования

6.1.1 Актуальность темы

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю хорошо известны :

- широкая полоса пропускания, позволяющая передавать большие объемы информации;

- возможность получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

- оптический кабель не подвергается электромагнитным воздействиям;

- отсутствие перекрестных помех;

- малый диаметр и масса, его невысокая стоимость;

- высокая скрытность связи.

Значительно увеличить длину линии можно путем введения специальных устройств, называемых ретрансляторами (регенераторами) сигнала. Первые ретрансляторы создавались в традиционной форме: на основе приёмо-передающих модулей, содержащих лазерный диод, фотоприемник, оптическую и электрическую подсистемы.

Ввиду преобразования оптического сигнала в электрический, с последующим усилением, а затем преобразовании его с помощью излучателя обратно в оптический поток, подобные устройства имеют ряд недостатков.

В числе этих недостатков достаточно большую стоимость и габариты. Поэтому продолжаются поиски принципиально новых технических решений, обеспечивающих непосредственное усиление оптического сигнала без промежуточного преобразования его в электрическую форму.

6.1.2 Постановка исследования

Цель проекта - увеличить расстояние, на которое передается оптический сигнал. Для этого предварительно необходимо было изучить возможности усиления оптического сигнала, передаваемого через ВОЛС, с применением полупроводниковых регенераторов.

Полупроводниковые усилители оптического сигнала строятся на принципах усиления мощности поступающего на них излучения за счет механизмов, похожих на те, которые происходят в инжекционных лазерах на основе полупроводниковых гетероструктур.

В этом направлении достигнуты определенные успехи, в том числе и отечественной промышленностью. Например, НПП «Инжект» распространило каталог, в котором предлагается полупроводниковый оптический квантовый усилитель марки «ОА-1300», усиливающий оптический сигнал на длине волны 1.3 мкм. Важно, что данные устройства действуют в этом практически важном диапазоне с нулевой хроматической дисперсией, где не действуют активные волокна.

Новизна проекта состоит в разработке ВОЛС с усилением оптического сигнала в спектральном диапазоне 1.3 мкм, характеризуемым нулевой дисперсией, где использование других видов оптического усиления проблематично. Это позволяет передавать сигналы на дальние расстояния с повышенной скоростью передачи информации, проектировании высокоскоростной волоконно-оптической линии связи с усилением оптического сигнала, увеличивающим ее протяженность до 300 км при сохранении высокой скорости передачи данных - 1,25 Гбит/с по одному оптическому каналу. Практическая значимость проектируемого устройства заключается в возможности её использования для межгородской и межгосударственной связи, в том числе, в качестве магистральной подводной линии (при соответствующем проектировании кабеля).

6.2 Расчет экономических затрат на тему

6.2.1 Расчет затрат на покупные изделия

Затраты на покупные изделия определяются по формуле:

З_ПИ=Q·Ц·К (6.1)

где З- затраты на покупные изделия, руб.;

Q- количество покупных изделий, шт.;

Ц- действующая в планируемом периоде цена на покупные изделия, руб.;

К- коэффициент транспортно-изготовительных расходов, равный 10% от стоимости покупных изделий, руб..

Расчет затрат на покупные изделия представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Расчет затрат на покупные изделия

№ п/п	Наименование		Количество,шт.	Цена руб./ед.	Сумма, руб.
1	Установка		---	50000	50000
2	Компьютер ПК		1	20000	20000
3	Программа для ПК		1	500	500
4	CD-RW диск		1	50	50
Итого:					70550
Транспортные	расходы (10% материалы)	от	затрат на		7055
Итого с учетом	транспортных	расходов			77605

6.2.2 Затраты на заработную плату исполнителей

Заработная плата основных исполнителей включает в себя основную и дополнительную заработные платы всех работников, участвующих в разработке и реализации технологического процесса сборки и юстировки и программы.

6.2.2.1 Расчет основной заработной платы

Основную заработную плату можно рассчитать по формуле:

ЗП=F·t (6.2)

где ЗП- основная заработная плата, руб,;

F- часовая тарифная ставка, руб/ч.;

t- фактически отработанное время, ч.

6.2.2.2 Расчет дополнительной заработной платы

Дополнительная заработная плата определяется в процентах от основной заработной платы. А так же дополнительная заработная плата составляет 12% от основной заработной платы.

6.2.2.3 Отчисления на социальные нужды

Отчисления на социальные нужды принемаются в процентном отношении от суммы основной и дополнительной заработной платы и составляет 26%.

Расчет затрат на заработную плату исполнителям приведен в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Расчет затрат на заработную плату исполнителей с учетом начислений.

№ п/п	Наименование должности исполнителей	Основная заработная плата с начислениями, руб.
1	Руководитель	23000,00
2	студент	---
Итого	основная	заработная	плата:	23000,00
Дополнительная	заработная	плата:		2760,00
Отчисления на	социальные	нужды:		5980,00

6.2.3 Затраты на электроэнергию

Затраты на электроэнергию рассчитывается по формуле:

Е_э=?N_i·T_эi·Ц_э (6.3)

где Е_э- сумма затрат на электроэнергию, руб.;

N_i- мощность оборудования, кВт;

T_эi- время использования оборудования, ч.;

Ц_э= 4.0 руб.- цена одного кВт-час/руб.

Расчет затрат на электроэнергию приведен в таблице 6.3.

При том количество израсходованной электроэнергии (кВт-ч) было определено только для периода, в течение которого выполнялась дипломная работа.

Таблица 6.3 - Расчет затрат на электроэнергию.

№ п/п	Наиме-нование обору-дования	Мощность электрооборудования, кВт	Время исполь-зования обору-дования, ч	Количество электро-энергии, кВт-час	Цена одного кВт-ч,руб	Сумма затрат на электро-энергию, руб
1	Компьютер ПК	0,4	240,0	96	4.0	384,00
4	Установка	2	10	20	4.0	80
Итого:						464,00

6.2.4 Затраты связанные с работой оборудования (амортизация оборудования установки)

Затраты на амортизацию оборудования определяется по формуле: