В настоящее время одномодовое волокно занимает господствующее положение в технике волоконно-оптической связи. Это связано с тем, что в отличии от многомодового волокна, в одномодовом волокне поддерживается поперечная пространственная когерентность света и отсутствует межмодовая дисперсия. Хроматическая дисперсия ограничивает скорость и дальность передачи информации по одномодовому волокну с использованием одного спектрального канала.
Хроматическая дисперсия это уширение длительности светового импульса при распространении по волокну, связанное с различием групповых скоростей распространения спектральных составляющих импульса. Источником света в высокоскоростных ВОСП обычно являются полупроводниковые лазеры с достаточно узкой, но конечной шириной спектра излучения.
В одномодовом волокне хроматическая дисперсия возникает вследствие взаимодействия двух явлений – материальной и волноводной дисперсии. Материальная дисперсия возникает из-за нелинейной зависимости показателя преломления кварца от длины волны и соответствующей групповой скорости, в то время как причина волноводной дисперсии является зависимость от длины волны отношения к групповой скорости к диаметру сердцевины и отличие показателя преломления сердцевины и оболочки. Третья составляющая дисперсии, так называемая поляризационная модовая дисперсия (PMD) второго порядка, или дисперсия дифференциальная групповой задержки, определяется поляризационными характеристиками волокна и оказывает влияние, сходное с влиянием хроматической дисперсии. PMD второго порядка устанавливают крайний предел, до которого может быть компенсирована хроматическая дисперсия.
Разброс групповых скоростей, т.е. величина уширения за счет хроматической дисперсии τ хр в линейном приближении прямо пропорционально длине волокна L и ширине спектра Δλ светового импульса.
τхр=Dλ·L·Δλ , (10.3.9)
где D λ – коэффициент хроматической дисперсии (chromatic dispersion coefficient). Это малое изменение задержки светового импульса на участке волокна единичной длины (1 км) при единичном изменении длины волны (1 нм) несущей этого импульса. Единица измерения – пс/(нм·км). Его величина определяется как производная от спектральной зависимости групповой задержки τ д (λ):
Скорость передачи информации волоконно-оптической системы по одному каналу связи максимальна в случае, если групповая задержка не зависит от длины волны, т.е. D λ =0. Длина волны λ 0 , соответствующая этому условию, называется длиной волны нулевой дисперсии . При этой длине волны коэффициент хроматической дисперсии принимает нулевое значение. Единица измерения - нм.
В близи точки нулевой дисперсии зависимость коэффициента хроматической дисперсии от длины волны можно аппроксимировать линейной зависимостью:
, (10.3.11)
где S 0 – наклон спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии (zero-dispersion siope) на длине волны нулевой дисперсии, измеряемый в пс/(нм 2 ·км).
· фазовый метод измерения (Phase shift technique);
· интерферометрический метод (Interferometric technique);
· импульсный метод измерения (Pulse delay technique).
Наиболее распространенным методом измерения дисперсии является фазовый метод и его разновидность, дифференциальный фазовый метод. Эти методы дают наибольшую точность измерений и удобство реализации[Д3].
Сущность фазового метода состоит в сравнении фазы прошедшего через измеряемый световод сигнала с фазой опорного сигнала. Полученные значения сдвига фаз φ(γ)связаны с групповыми задержками формулой:
τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)
где f – частота модуляции сигнала. Измерения задержки должны быть проведены на нескольких длинах волн. Реализовать измерения можно несколькими способами:
· использовать несколько источников излучения с фиксированными длинами волн и широкополосный фотоприемник;
· использовать источник с перестраиваемой длиной волны (перестраиваемый лазер или широкополосный источник с селектором длин волн) и широкополосный фотоприемник;
· использовать широкополосный источники фотоприемник с селектором длин волн.
В случае использования измерителя хроматической дисперсии с перестраиваемой рабочей длиной волны необходимо установить границы спектрального диапазона и шаг изменения длины волны. Структурная схема фазового метода измерения хроматической дисперсии с использованием широкополосного источника излучения и фотоприемника с селектором длин волн представлена на рисунке 10.19.
Сигнал с задающего генератора модулирует мощность излучения источника. Модулированное световое излучение, прошедшее по тестируемому волокну, используется в качестве измеряемого сигнала, подаваемого на фазометр. Тот же сигнал с опорного генератора, подаваемый на фазометр по другому каналу, служит опорным сигналом. Фазометр измеряет сдвиг фаз между опорным и измеряемым сигналом. Измерения повторяются на каждой из выбранных длин волн. Из полученных значений относительного сдвига фаз по формуле (10.3.12) рассчитывается величина относительной задержки для всех длин волн, на которых проводились измерения. Обработка результатов измерения заключается в подборе функциональной зависимости τ(γ), значения которой на измеряемых длинах волн наиболее близки к измеренным значениям.
Международные стандарты рекомендуют для каждого типа волокна и спектрального диапазона измерений выбирать функциональные зависимости в виде некоторых многочленов, представляющих собой степенные функции длины волны γ с неизвестными коэффициентами. В процессе математической обработки измерений вычисляются значения этих коэффициентов. Широко используются, например, трех- или пятичленные функции Солмейера. Развитием фазового метода является дифференциальный фазовый метод (Differential Phase Shift method), когда измеряются относительные фазовые сдвиги и относительные задержки τ 1 и τ 2 двух сигналов на соседних близкорасположенных длинах волн λ 1 и λ 10.
Значение величины дисперсии на длине волны λ 1/2 , равной полусумме длин волн λ 1 и λ 2 , определяется линейной аппроксимацией по формуле:
. (10.3.13)
Интерференционный метод является альтернативным и реализуется по структурной схеме, использующей интерферометр Маха–Цандера и представленный на рисунке 10.20.
Излучение от широкополосного источника после селектора длин волн попадает в интерферометр Маха–Цандера. При линейном перемещении конца волокна, входящего в состав опорного плеча интерферометра, в опорный канал вносится известная разность оптических длин, значение которой позволяет вычислить групповую задержку светового сигнала в тестируемом волокне, расположенном в измерительном плече интерферометра. Интерферометрический метод применяется при измерении характеристик коротких отрезков волокна длиной несколько метров и в основном используется для контроля производственного процесса при изготовлении волокон и компонентов систем передачи.
Импульсный метод измерения хроматической дисперсии. Стандарт ITUT G650 регламентирует также метод, основанный на прямом измерении задержки световых импульсов с различными длинами волн при прохождении через волокно заданной длины (time offlight). В этом методе можно проводить измерения времени задержки оптических импульсов лазеров при прохождении заданного участка волокна «туда и обратно», т.е. при отражении от удаленного конца волокна. Точность измерения CD в этом методе ниже, чем точность измерения фазовым методом из-за меньшей точности измерения временных задержек. Схема установки для проведения измерений при этом остается почти такой же, как и при измерении фазовым методом. Вместо фазометра при измерении импульсным методом необходимо использовать другое устройство, позволяющее измерять относительную временную задержку двух импульсов.
Поскольку точность импульсного метода обратно пропорционально длительности используемых импульсов, то необходимо, чтобы их длительность была не более 400 пс.
Аппаратура для измерения хроматической дисперсии. Поскольку измерения хроматической дисперсии производятся не только на смонтированных линиях для точной компенсации, но и при производстве и разработке компонентов систем передачи, ОВ и ОК, а также для научных исследований, то на рынке существуют устройства различных категорий, предназначенные для измерения значений CD. Их технические параметры варьируются в очень широком диапазоне. Однако сравнение такого большого количества приборов выходит за рамки настоящей статьи, поэтому мы ограничимся здесь лишь измерителями CD, предназначенными для контроля ВОЛС.В настоящее время на рынке представлены приборы ведущих производителей измерительной техники, таких, как Acterna, Anritsu,EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer и белорусского предприятия ИИТ (Институт информационных технологий). Сравнительные характеристики приборов представлены в таблице приложения 7. Приборы, представленные в таблице, условно можно разделить на полевые и стационарные. К категории полевых были отнесены сравнительно небольшие устройства, имеющие автономное питание наряду с питанием от сети. Измерение хроматической дисперсии на основе прямого измерения задержки распространения коротких световых импульсов разных фиксированных длин волн (импульсный метод измерений) представлено в приборе ν-CD1 швейцарской компании Luciol. Постоянство длины волны источников излучения обеспечивается решетками Брэгга, играющими роль узкополосного (0,1 нм) оптического фильтра излучателя. Количество источников может быть произвольным. Погрешность временных измерений составляет 5 пс. Для достижения высокой чувствительности (до 42 дБ) в приборе применяется техника счета фотонов с регистрацией сигналов на уровне 100 дБм. Единственным отечественным производителем измерителей хроматической дисперсии является компания ИИТ (Институт информационных технологий, Беларусь). В приборах этой компании ИД21 (для кабельных заводов и испытательных лабораторий) и ИД22 (для измерения проложенных линий) применяется фазовый метод с 7 источниками излучения для измерения разности фаз синусоидально модулированного сигнала на фиксированных длинах волн. При этом реализовано техническое решение с использованием лавинного фотодиода в качестве смесителя высокочастотных сигналов, что дает возможность применить низкочастотный оптический приемник для регистрации сигнала разности фаз опорного и сигнального каналов и существенно увеличить отношение сигнал/шум. Последующая цифровая обработка сигнала с помощью преобразования Фурье позволяет минимизировать искажения сигналов в приемной части устройства. Приборы ИД21и ИД22 обладают высокими техническими характеристиками (большой динамический диапазон, высокая скорость измерений, батарейное питание, малый вес) и выгодно отличаются низкой стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.
К типичным представителям полевых приборов для измерения CD следует отнести оптические рефлектометры Anritsu (MW9076D1) иActerna (MTS5000e), а также универсальные измерительные платформы CMA5000 компании Nettest и FTB400 с модулем FTB5800компании EXFO. Особый интерес для операторов связи представляют полевые приборы, построенные на модульной основе, так называемые портативные модульные измерительные платформы. Принцип построения таких платформ основан на использовании портативного индустриального компьютера и сменных блоков, выполняющих широкий спектр измерений, таких, как рефлектометрия, измерение вносимых потерь и потерь на обратное отражение, спектральных измерений в системах WDM, измерение ПМД и CD и т.д. Идеология построения полевых приборов на модульной основе впервые была представлена компанией EXFO в 1996 году (FTB300); в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция построения приборов на этом принципе. Приборы компаний Anritsu (MW9076D1),Acterna (MTS5000 c модулем 5083 CD) и Nettest (CMA5000 OTDR/CD) позволяют произвести оценку хроматической дисперсии с использованием излучения лазеров на 4 фиксированных длинах волн: 1310, 1450, 1550 и1625 нм, при этом используется метод измерения временных интервалов прохождения световых импульсов через волокно. Несомненным достоинством этих приборов является малый вес, высокая скорость измерений и дополнительная возможность измерения рефлектограмм. К недостаткам следует отнести несколько меньшую точность измерения дисперсии, связанную не только с применением всего 4 фиксированных источников излучения, но и с меньшей точностью определения временных задержек импульсным методом по сравнению с фазовым, особенно в участках волокна небольшой длины(несколько км).Портативная модульная измерительная система компании Nettest CMA5000, представленная осенью 2002 года, может включать в себя также и модуль измерения хроматической дисперсии, характеристики которого приведены в таблице. Принцип измерения построен на методе измерения сдвига фаз при перестройке длины волны излучающего лазера. В полевом приборе компании EXFO также применяется метод измерения фазового сдвига сигнала, причем в качестве опорной длины волны используется выделенная фильтром компонента широкополосного излучения светодиода. Такое решение обеспечивает процесс измерения с использование модного волокна, без обратной связи с источником излучения для спектральной привязки результатов измерения. В результате появляется возможность измерения длинных участков волокна с однонаправленными элементами, такими, как изоляторы и усилители (до30 усилителей). В частности, сообщалось об успешном измерении 500километровой линии связи с восемью усилителями EDFA. Заметим, что в настоящее время несколько компаний предлагают приборы, выполненные на модульном принципе, что позволяет проводить комбинированные измерения CD и ПМД на основе одной платформы в полевых условиях (см. таблицу). В такой комплектации можно проводить весь комплекс измерений дисперсионных параметров ВОЛС в полевых условиях на базе одного переносного устройства. В заключение можно сделать вывод, что в современных телекоммуникационных системах измерение и компенсация хроматической дисперсии становятся все более насущной задачей. Большой выбор приборов на рынке измерительной техники позволяет успешно решать эту, казалось бы, не простую задачу. Следует отметить, что все основные производители измерительного оборудования, перечисленные выше, представлены в России либо напрямую, либо через российские компании, осуществляющие продажи в рамках дистрибьюторских соглашений.
Прежде чем рассматривать понятие анализатора хроматической дисперсии, обозначим, какие бывают виды дисперсий в оптическом волокне, что такое хроматическая дисперсия (ХД), из каких составляющих она слагается, какие существуют методы ее измерения.
Виды дисперсий
Различают следующие виды дисперсий в световоде:
модовая или межмодовая;
хроматическая (материальная, волноводная);
поляризационная.
Их сумма образует полную дисперсию в оптоволокне.
Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия оказывает влияние на производительность системы. Явление хроматической дисперсии возникает по причине того, что распространение длин волн в оптическом волокне происходит с немного отличной друг от друга скоростью. Как результат, возникает затянутый, а потому неэффективный импульс. Когда значение ХД слишком большое, происходят перекрестная модуляция и потери сигнала. В то же время небольшие контролируемые значения хроматической дисперсии нужны, чтобы устранять нежелательные нелинейные эффекты, такие как четырехволновое смешение.
Для стекла, которое используется при изготовлении оптического волокна, важная характеристика – дисперсия показателя преломления (материальная дисперсия). Она проявляется в зависимости скорости распространения оптического сигнала от длины волны. Помимо того, в момент производства при вытягивании кварцевой нити из стеклянной заготовки возникают различной степени отклонения как по геометрии волокна, так и в радиальном профиле показателя преломления. Геометрия + отклонения от идеального профиля вносят свой существенный вклад в вышеназванную зависимость скорости распространения оптического сигнала от длины волны – это уже называется волноводной дисперсией.
Хроматическая дисперсия является совместным влиянием материальной и волноводной дисперсий.
ХД наблюдается при распространении светового сигнала как в одно-, так и в многомодовом волокне. Но наиболее четко проявляется она в одномоде по причине отсутствия в нем межмодой дисперсии.
Методы измерения ХД
Стандартом ГОСТ Р МЭК 60793-1-42-2013 определяются следующие методы:
фазового сдвига;
спектральной групповой задержки во временной области;
дифференциального фазового сдвига;
интерферометрии.
Анализатор хроматической дисперсии
Анализаторы ХД можно условно разделить на стационарные и полевые.
В настоящее время измерение хроматической дисперсии становится все более критичным для телекомкомпаний и провайдеров, ищущих способы улучшения своих систем путем модернизации их скорости передачи. Современные анализаторы хроматической дисперсии отличаются высокой производительностью, позволяя проводить все виды измерений ХД, в том числе в полевых условиях.
Например, анализатор хроматической дисперсии FTB-5800 производства компании EXFO для всестороннего тестирования ХД в полевых условиях определяет ее посредством метода фазового сдвига . От источника, расположенного с одной стороны линии связи, в оптическое волокно посылается модулированный световой сигнал. На другую сторону данной линии связи различные длины волн приходят с разными сдвигами фаз. Путем измерения этих сдвигов происходит вычисление соответствующих временных задержек и определение значения ХД.
Другие методы измерения ХД
Различают также такой метод, как измерение времени полета (FOTR-168). Например, на нем основана измерительная система CD-OTDR на базе , что позволяет проводить оценку хроматической дисперсии отдельных волокон. При тестировании используется одно волокно и множество длин волн, что определяет увеличение точности измерения, а также сокращение времени тестирования.
Еще один метод – импульсный , регламентированный стандартом ITUT G650. Импульсный метод характеризуется прямым измерением задержки импульсов света с различными длинами волн при прохождении через оптическое волокно заданной длины.
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны
где введены коэффициенты М(λ) и N (λ) – удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а Δλ , (нм) – уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D (λ) = М(λ) + N (λ) . Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм·км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация М(λ) и В(λ) , а результирующая дис персия D (λ) обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется дли ной волны нулевой дисперсии λ0 . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться λ0 для данного конкретного волокна.
Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной" не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 нм для SF и DSF) делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне.
Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера: τ(λ) = А + Вλ2 + С λ-2 . Коэффициенты А, В, С являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую τ(λ) , рисунок 7. Тогда удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:
Рисунок 7 – Кривые временных задержек и удельных хроматических дисперсий для: а) многомодового градиентного волокна (62,5/125);
б) одномодового ступенчатого волокна (SF);
в) одномодового волокна со смещенной дисперсией (DSF)
Поляризационная модовая дисперсия
Поляризационная модовая дисперсия τ pmd – возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии Тнормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс / ), aτ pmd растет с ростом расстояния по закону . Для учета вклада в результирующую дисперсию следует добавить слагаемое в правую часть (15). Из-за небольшой величины τpmd может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.
В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды – две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью, рисунок 8 а. Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод, рисунок 8 б.
 |
Рисунок 8 – Появление поляризационной модовой дисперсии.
Избыточный уровень τ pmd , проявляясь вместе с чирпированным модулированным сигналом от лазера, а также поляризационной зависимостью потерь, может приводить к временным колебаниям амплитуды аналогового видеосигнала. В результате ухудшается качество изображения, или появляются диагональные полосы на телевизионном экране. При передаче цифрового сигнала высокой полосы (>2,4 Гбит/с) из-за наличия τ pmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.
Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.
Ход работы:
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА SM - 9/125 ФИРМЫ LUCENT TECHNOLOGIES
2.1 Расчет геометрических параметров оптоволокна
Числовую апертуру волокна рассчитаем по формуле (5). Подставив значения n 1 =1,466 , Δ=0,33 % , получим:
Таким образом, на длине волны 1310 нм (в соответствии с соотношением (8)) в волокне может существовать многомодовый режим, но, как уже говорилось выше, неосновные моды быстрее затухают и при помещении волокна в кабель, который при прокладке будет испытывать изгибы, неосновные моды вырождаются и в волокне будет одномодовый режим.
2.2 Определение длины волны отсечки
Как уже говорилось выше, различают волоконную и кабельную длину волны отсечки. Кабельная определяется экспериментально. Рассчитаем волоконную длину волны отсечки из выражения (12).
Учитывая, что кабельная длина волны отсечки смещена относительно волоконной в сторону более коротких длин волн, это еще раз подтверждает, что на длине волны 1310 нм в волокне, помещенном в кабель будет одномодовый режим.
2.3 Определение затухания в оптоволокне
Как уже писалось выше затухание в волокне складывается из собственных и кабельных потерь. Собственные потери определим из графика на рисунке 5.
Тогда кабельные потери можно определить, как
Общее затухание в волокне составит
Как видно из графика (рисунок 5) наименьшего значения этого показателя можно добиться при работе на длине волны 1550 нм.
2.4 Определение дисперсии и полосы пропускания волокна
Для одномодового режима модовая составляющая дисперсии обращается в 0 . Кроме того, как видно из рисунка 7 б, хроматическая дисперсия в окне прозрачности 1310 нм тоже равна 0 . Таким образом, в этом режиме в волокне будет присутствовать только поляризационная модовая дисперсия. Исходя из технических характеристик оптоволокна коэффициент поляризационной модовой дисперсии составляет Т=0,2 пс/√км. Тогда при расчете на L =100 км длины волокна, получим
Гц
С учетом того, что по техническим характеристикам оптоволокна коэффициент поляризационной модовой дисперсии не превышает значения 0,2 пс/√км, величина W =220 ГГц является минимальной полосой пропускания на расстоянии 100 км.
Название, цель работы
Расчет параметров в соответствии с вариантом
Ответы на контрольные вопросы
Контрольные вопросы:
1. Виды одномодовых волокон
2. Факторы, влияющие на распространение света
3. Потери на рассеянии
Хроматическая дисперсия
Слово «хроматическая» указывает на то, что этот вид дисперсии связан с цветом или имеет к нему какое-то отношение. Поняв это, вы могли бы предположить, что хроматическая дисперсия должна означать расплывание или диспергирование цвета. В этом случае вы были бы недалеки от истины. Любой световой импульс, как бы точно ни был настроен лазер, содержит в себе целый спектр волн с различными частотами, которые в случае видимого диапазона мы назвали бы различными цветами. Эти лучи будут распространяться вдоль оптического кабеля с различными скоростями, поскольку испытываемое ими сопротивление вещества, для выражения которого используется показатель преломления R, оказывается различным для волн различной длины. Чем больше длина волны, тем больше значение R. Результатом всего этого является то, что по мере распространения сигнала вдоль кабеля волновой пакет расплывается. При достаточно большом расплывании волнового пакета сигнал становится неразборчивым .
При определенной длине волны эти два фактора -- дисперсия в веществе и дисперсия в световоде -- взаимно погашают друг друга. И этой длиной волны, как вы, конечно же, догадались, является 1310 нм. Перейдите на эту длину волны, и дисперсия сведется к минимуму.
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.
Материальная дисперсия
Материальная дисперсия (D M) вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями.
Известно соотношение, определяющее показатель преломления:
где с -- скорость света в вакууме, a v - скорость исследуемой волны в данном материале. Конечно, интересующим нас материалом является кварцевое стекло (SiO2). Проблема в том, что каждая волна распространяется в данном материале со скоростями, несколько отличающимися друг от друга.
Длина волны нулевой дисперсии для оптических волокон зависит также от диаметра сердечника и вклада шага D показателя преломления в сечении волновода в полную дисперсию.
Следует указать, что волноводная дисперсия сдвигает длину волны нулевой дисперсии на 30-40 нм, так что полная дисперсия оказывается равной нулю около 1310 нм для промышленных волокон.
Материальная дисперсия - главная составляющая дисперсии в системах с одномодовым волокном. Для систем с многомодовым волокном вклад материальной дисперсии в полную дисперсию фактически незначителен. Основной здесь является модовая дисперсия.
В процессе эволюции ВОСП работа на длине волны вблизи нуля дисперсии была очень привлекательной. Однако системы с меньшими скоростями работали в полосе прозрачности 1550 нм, где потери на километр кабеля были минимальны. Было бы замечательно, если бы мы смогли перенести область нулевой дисперсии в полосу прозрачности 1550 нм.
Волноводная дисперсия
Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны г = ш(л). Являясь составной частью хроматической дисперсии (так же, как и материальная дисперсия), волноводная дисперсия зависит от ширины передаваемого спектра частот.
Удельная волноводная дисперсия так же, как и удельная материальная дисперсия, выражается в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра (таблица 1).
Таблица 1 - Удельная волноводная дисперсия
Вблизи длины волны л? 1,35 мкм происходит взаимная компенсация материальной и волноводной дисперсии. Из-за этого волна 1,3 мкм получает широкое применение при передаче по одномодовым волокнам, однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм . Поэтому для достижения минимума дисперсии приходится варьировать профиль показателя преломления и диаметр сердечника. При сложном трехслойном профиле показателя преломления можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.
Поляризованная модовая дисперсия
Поляризационной модовой дисперсии (ПМД) можно дать следующее пояснение. В одномодовом ОВ в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала (две ортогонально поляризованные волны LP 01). В идеальном однородном по геометрии волокне распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ООВ имеют неидеальные геометрические параметры и при внешних воздействиях на них в кабеле, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации, и как следствие к появлению ПМД. Итак ПМД возникает вследствие задержки распространения ортогонально поляризованных световых волн в ООВ с овальным (нециркулярным) профилем сердцевины.
Рисунок 8 - Появление поляризационной модовой дисперсии
Поляризационной модовая дисперсия растет с ростом расстояния по закону:
ф pmd =k pmd (11)
где k pmd -- коэффициент удельной поляризационной дисперсии, который нормируется в расчете на 1 км.
В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь. Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых ОВ с эллиптической (нециркулярной) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (2,5 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной линией излучения 0,1 нм и менее. Проблема поляризационной модовой задержки возникает, например, при обсуждении проектов построения супермагистралей (>100 Гбит/с) городского масштаба.
Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.
Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптических оптического сигнала, которые приводят к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространения его по ОВ.
Уширение импульса определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе оптического волокна по формуле:
причем значенияи берутся на уровне половины амплитуды импульсов (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8
Рисунок 2.8 - Уширение импульса за счет дисперсии
Дисперсия возникает по двум причина: некогерентность источников излучения и существования большого количества мод. Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) , она состоит из двух составляющих – материальной и волноводной (внутримодовой) дисперсий. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны, волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны.
Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) .
Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. В ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова и равна: , где С – скорость света. В этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углом к оси в пределах апертурного угла распространяются в сердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при одинаковой скорости распространения достигают приемного конца в разное время, что приводит к увеличению длительности принимаемого импульса. Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при падающем луче , а максимальное при , то можно записать:
где L – длина световода;
Показатель преломления сердцевины ОВ;
С – скорость света в вакууме.
Тогда значение межмодовой дисперсии равно:
Модовая дисперсия градиентных ОВ на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траектории изменяется. Так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных больше. Лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время рапространения лучей выравнивается, и увеличение длительности импульса становится меньше. При параболическом профиле показателя преломления, когда показатель степени профиля q=2, модовая дисперсия определяется выражением:
Модовая дисперсия градиентного ОВ в раз меньше, чем ступенчатого при одинаковых значениях . А так как обычно , то модовая дисперсия указанных ОВ может отличаться на два порядка.
В расчетах при определении модовой дисперсии следует иметь в виду, что до определенной длины линии называемой длиной связи мод, нет межмодовой связи, а затем при происходит процесс взаимного преобразования мод и наступает установившийся режим. Поэтому при дисперсия увеличивается по линейному закону, а затем, при - по квадратичному закону.
Таким образом, вышеприведенные формулы справедливы лишь для длины . При длинах линий следует пользоваться следующими формулами:
- для ступенчатого световода
- для градиентного световода,
где - длина линии;
Длина связи мод (установившегося режима), равная км – для ступенчатого волокна и км – для градиентного (установлено эмпирическим путем).
Материальная дисперсия зависит от частоты (или от длины волны ) и материала ОВ, в качестве которого, как правило, используется кварцевое стекло. Дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный (резонансный) характер.
Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий волокно (светоизлучающий диод – СИД или полупроводниковый лазер ППЛ) формирует световое излучение, имеющее непрерывный волновой спектр определенной ширины (для СИД это примерно нм, для многомодовых ППЛ - нм, для одномодовых лазерных диодов нм). Различные спектральные компоненты светового излучения распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку в разное время, приводя к уширению импульса на приемном конце и, при определенных условиях, к искажению его формы. Показатель преломления изменяется от длины волны (частоты ), при этом уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, введенного в волокно (как правило, источник излучает несколько длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области I окна прозрачности – более длинны волны (850нм) движутся быстрее по сравнению с более короткими длинами волн (845нм). В области III окна прозрачности ситуация меняется: более короткие (1550нм) движутся быстрее по сравнению с более длинными (1560нм). Рисунок 2.9
Рисунок 2.9 – Скорости распространения длин волн
Длина стрелок соответствует скорости длин волн, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению.
В некоторой точке спектра происходит совпадение скоростей. Это совпадение у чистого кварцевого стекла происходит на длине волны нм, называемой длиной волны нулевой дисперсии материала, так как . При длине волны ниже длины волны нулевой дисперсии параметр имеет положительное значение, в обратном случае - отрицательное. Рисунок 2.10
Материальную дисперсию можно определить через удельную дисперсию по выражению:
.
Величина - удельная дисперсия, , определяется экспериментальным путем. При разных составах легирующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от (таблица 2.3).
Таблица 2.3 – Типичные значения удельной материальной дисперсии
Волноводная (внутримодовая) дисперсия – этим термином обозначается зависимость задержки светового импульса от длины волны, связанная с изменением скорости его распространения в волокне из-за волноводного характера распространения. Уширение импульсов, обусловленное волноводной дисперсией, аналогично пропорционально ширине спектра излучения источника и определяется как:
,
где - удельная волноводная дисперсия, значение которой представлены в таблице 2.4:
Таблица 2.4
– обусловлена дифференциальной групповой задержкой между лучами с основными состояниями поляризации. Распределение энергии сигнала по различным состояниям поляризации медленно изменяется со временем, например, вследствие изменения температуры окружающей среды, анизотропия показателя преломления, вызванная механическими усилиями.
В одномодовом волокне распространяется не одна мода, как принято считать, а две перпендикулярные поляризации (моды) исходного сигнала. В идеальном волокне эти моды распространялись бы с одинаковой скоростью, однако реальные волокна имеют не идеальную геометрию. Главной причиной поляризационной модовой дисперсии является неконцентричность профиля сердцевины волокна, возникающая в процессе изготовления волокна и кабеля. В результате две перпендикулярные поляризационные составляющие имеют разные скорости распространения, что и приводит к дисперсии (рисунок 2.11)
Рисунок 2.11
Коэффициент удельной поляризационно-модовой дисперсии нормируется в расчете на 1км и имеет размерность . Величина поляризационно-модовой дисперсии рассчитывается по формуле:
Из-за небольшой величины ее необходимо учитывать исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача высокоскоростного сигнала (2,5Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.
Коэффициент удельной ПМД типового волокна, как правило, составляет 
.