Важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его информационную пропускную способность.
По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме (рисунок 3).
Рисунок 3 - Влияние дисперсии
Дисперсия -- это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе 0В:
Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:
Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией),
Направляющими свойствами оптического волокна (волноводной дисперсией),
Параметрами материала, из которого оно изготовлено (материальной дисперсией).
Рисунок 4 - Виды дисперсии
Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны - некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).
Она преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова для всех мод.Различие путей распространения направляемых мод на фиксированной частоте (длине волны) излучения оптического источника приводит к тому, что время прохождения этих мод по ОВ различно. В результате образуемый ими импульс на выходе ОВ уширяется. Величина уширения импульса равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой мод. Указанное явление носит название межмодовой дисперсии.
Формулу расчета межмодовой дисперсии можно получить, рассматривая геометрическую модель распространения направляемых мод в ОВ. Любая направляемая мода в ступенчатом ОВ может быть представлена световым лучом, который при движении вдоль волокна многократно испытывает полное внутреннее отражение от поверхности раздела «сердцевина-оболочка». Исключением является основная мода НЕ 11 , которая описывается световым лучом, движущимся без отражения вдоль оси волокна.
При длине ОВ, равной L, длина зигзагообразного пути, пройденного лучом света, распространяющимся под углом и z к оси волокна, составляет L/cos и z (рисунок 5).
Рисунок 5 - Пути распространения световых лучей в двухслойном ОВ
Скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны л одинакова в рассматриваемом волокне и равна:
где с - скорость света, км/с.
Обычно в ОВ n 1 ? n 2 , поэтому принимает вид:
где - относительное значение показателей преломления сердцевина-оболочка.
Из формулы видно, что уширение импульсов, обусловленное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ эту разность стремятся сделать как можно меньше.
На практике же из-за наличия неоднородностей (главным образом, микроизгибов) отдельные моды при прохождении по ОВ воздействуют друг на друга и обмениваются энергией.
Межмодовую дисперсию в ступенчатых ОВ можно полностью исключить, если соответствующим образом подобрать структурные параметры ОВ. Так, если сделать размеры сердцевины и? настолько малыми, то по волокну будет распространяться на несущей длине волны только одна мода, т. е. модовая дисперсия будет отсутствовать. Такие волокна называются одномодовыми. Они имеют наибольшую пропускную способность. С их помощью могут быть организованы большие пучки каналов на магистралях связи.
Дисперсия импульсов может быть также существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля преломления по сечению сердцевины ОВ. Так, дисперсия уменьшается при переходе к градиентным ОВ. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, ниже на порядок и более чем у ступенчатых волокон .
В таких градиентных ОВ в противоположность ОВ со ступенчатым профилем распространения, лучи света распространяются уже не зигзагообразно, а по волно- или винтообразным спиральным траекториям.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.
Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.
Оптическое волокно (оптоволокно) - это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже - видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция оптического волокна
Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.
Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне
На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.
Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия .
Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:
Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки
Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.
(NA) - это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.
Рис 4. Числовая апертура
Профиль показателя преломления - это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым . Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.
Рис. 5. Профили показателя преломления
Затухание - это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.
а) Поглощение . В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение , связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение , возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH - , ионы металлов…).
б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми ), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние ). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана) , которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.
Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.
Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания
Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).
Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.
Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI - InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.
Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2> L1.
Уширение импульса, или дисперсия , обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).
| Название | Краткое описание | Параметр |
| 1. Хроматическая дисперсия | Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью. |
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км). Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией. |
| а) Материальная хроматическая дисперсия | Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения) | |
| б) Волноводная хроматическая дисперсия | Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления) | |
| 2. Межмодовая дисперсия | Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения. |
Ширина полосы пропускания ( bandwidth), МГц*км . Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации. |
| 3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD | Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями. |
Коэффициент PMD, пс/√км . Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км. |
Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.
Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.
Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.
Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно
На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:
Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.
Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.
Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).
Рис.9. Волоконно-оптические кабели
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 
.
Можно выделить четыре основные явления в оптическом волокне, ограничивающие характеристики систем WDM - это хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия первого и второго порядка и нелинейные оптические эффекты.
Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовления волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны - материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это - волноводная дисперсия.
Совместное влияние материальной и волноводной дисперсий называют хроматической дисперсией волокна, рис. 3.16.
Рис.3.16 Зависимость хроматической дисперсии от длины волны
Явление хроматической дисперсии ослабевает по мере уменьшения спектральной ширины излучения лазера. Даже если бы можно было использовать идеальный источник монохроматического излучения с нулевую шириной линии генерации, то после модуляции информационным сигналом произошло бы спектральное уширение сигнал, и тем больше уширение, чем больше скорость модуляции. Есть и другие факторы, приводящие к спектральному уширению излучения, из которых можно выделить чирпирование источника излучения.
Таким образом, исходный канал представлен не единственной длиной волны, а группой длин волн в узком спектральном диапазоне - волновым пакетом. Так как различные длины волн распространяются с разными скоростями (или точнее, с разными групповыми скоростями), то оптический импульс, имеющий на входе линии связи строго прямоугольную форму, по мере прохождения по волокну будет становиться все шире и шире. При большом времени распространения в волокне этот импульс может смешаться с соседними импульсами, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины линии связи влияние хроматической дисперсии возрастает.
Хроматическая дисперсия, как уже говорилось, зависит от материальной и волноводной составляющих. При некоторой длине волны λ o хроматическая дисперсия обращается в ноль - эту длину волны называют длиной волны нулевой дисперсии.
Одномодовое кварцевое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления обладает нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм. Такое волокно часто называют волокном с несмещенной дисперсией.
Волноводная дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. В волокне со сложным профилем показателя преломления, изменяя соотношение между дисперсией среды и дисперсией волновода, можно не только сместить длину волны нулевой дисперсию, но и подобрать нужную форму дисперсионной характеристики, т.е. форму зависимости дисперсии от длины волны.
Форма дисперсионной характеристики является ключевой для систем WDM, в особенности, по волокну со смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.653).
Кроме параметра λ o используют параметр S o , описывающий наклон дисперсионной характеристики на длине волны λ o , рис. 3.17. В общем случае, наклон на других длинах волн отличается от наклона при длине волны λ o . Текущее значение наклона S o определяет линейную составляющую дисперсии в окрестности λ o .
Рис. 3.17 Основные параметры зависимости хроматической дисперсии от длины волны: λ o - длина волны нулевой дисперсии и S o - наклон дисперсионной характеристики в точке нулевой дисперсии
Хроматическую дисперсию τ chr (обычно измеряется в пс) можно рассчитать по формуле
τ chr = D(λ) · Δτ · L ,
где D(λ) - коэффициент хроматической дисперсии (пс/(нм*км)) , а L - протяженность линии связи (км). Заметим, что данная формула не точна в случае ультра узкополосных источников излучения.
На рис. 3.18 раздельно показаны зависимости волноводной дисперсии для волокна с несмещенной (1) и смещенной (2) дисперсией и материальной дисперсии от длины волны.
Рис. 3.18 Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется как сумма материальной и волноводной дисперсий.)
Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к:
увеличению длины и числа участков линии связи;
увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника).
На нее в меньшей степени влияют:
уменьшение частотного интервала между каналами;
увеличение числа каналов.
Хроматическая дисперсия уменьшается при:
уменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна;
компенсации дисперсии.
В системах WDM с обычным стандартным волокном (Рек. ITU-T G.652) хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так как она велика в области длины волны 1550 нм.
Дисперсией оптического волокна называют рассеивание во времени составляющих оптического сигнала. Причина дисперсии – разные скорости распространения составляющих оптического сигнала.
Дисперсия проявляется как увеличение длительности (уширение) оптических импульсов при распространении в ОВ. Увеличение длительности оптических импульсов вызывает межсимвольную интерференцию - создает переходные помехи, что ухудшает отношение сигнал/помеха и в результате приводит к ошибкам на приеме. Очевидно, что межсимвольная интерференция увеличивается с уширением оптических импульсов. При фиксированном значении уширения импульсов межсимвольная интерференция возрастает с уменьшением периода следования импульсов T. Таким образом, дисперсия ограничивает скорость передачи информации в линии B=1/T и длину регенерационного участка (РУ).
В оптических волокнах можно выделить несколько видов дисперсии: модовую, поляризационную модовую и хроматическую дисперсию.
В многомодовом ОВ преобладает межмодовая дисперсия, вызванная наличием большого числа мод с различным временем распространения.
существенно превышает другие виды дисперсии, поэтому полоса пропускания таких ОВ определяется в основном модовой дисперсией. Увеличения полосы пропускания многомодовых ОВ добиваются за счет градиентного профиля показателя преломления, в котором показатель преломления в сердцевине плавно уменьшается от оси ОВ к оболочке. При таком градиентном профиле скорость распространения лучей вблизи оси волокна меньше, чем в области, прилегающей к оболочке. В результате, с увеличением протяженности траектории направляемых лучей на отрезке волокна возрастает их скорость распространения вдоль траектории. Чем больше длина пути, тем больше скорость. Это обеспечивает выравнивание времени распространения лучей и, соответственно, снижение модовой дисперсии. Оптимальным с точки зрения минимизации модовой дисперсии является параболический профиль.
Полоса пропускания многомодовых волокон характеризуется коэффициентом широкополосности DF , МГц. км, значение которого указывается в паспортных данных ОВ на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Полоса пропускания для типовых многомодовых оптических волокон составляет 400…2000 МГц. км.
Многомодовые оптические находят применение на локальных сетях, в центрах обработки данных, ведомственных сетях нбоьшой протяженности. С системами спктрального уплотнения не используются.
В одномодовых ОВ распространяется только одна основная мода и модовой дисперсии нет.
Основным фактором, ограничивающим протяженность участков регенерации высокоскоростных ВОЛП, является хроматическая дисперсия. В рекомендациях Международного союза электросвязи ITU-T G.650 приводится следующее определение: хроматическая дисперсия (ХД) - это уширение светового импульса в оптическом волокне, вызванное разностью групповых скоростей различных длин волн, составляющих спектр оптического информационного сигнала. Длительность оптического импульса на выходе протяженного оптического волокна определяется относительной групповой задержкой самой медленной спектральной компоненты относительно самой быстрой. Таким образом, влияние ХД пропорционально ширине спектра источника излучения. С увеличением протяженности линии передачи и скорости передачи информации влияние хроматической дисперсии возрастает.
Вклад в ХД вносят следующие составляющие: материальная и волноводная дисперсия. Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовлении волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны – материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это – волноводная дисперсия.
Хроматическая дисперсия определяется совместным действием материальной D M (l ) и волноводной дисперсий D B (l )
D (l )= D M (l )+ D B (l )
Материальная дисперсия определяется дисперсионными свойствами материала – кварца,
D M = - l ¶ 2 n . c ¶l 2
Волноводная дисперсия D B (l ) обусловлена зависимостью групповой
скорости распространения моды от длины волны, в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки.
Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение:
где V – нормированная частота; b – нормированная постоянная распространения, которая связана с b следующим соотношением:
получила название нормированный параметр волноводной дисперсии.
Рис. 3.13. Спектр хроматической дисперсии стандартного ступенчатого волокна
Количественно хроматическую дисперсию ОВ оценивают коэффициентом D с размерностью пс/(нм. км).Хроматическая дисперсия волокна в
пикосекундах (пс) на участке протяженностью L км, равна
s = D × L × Dl
где Dl - полоса длин волн источника оптического излучения, нм.
Основными параметрами хроматической дисперсии являются:
1. Длина волны нулевой дисперсии l 0 , нм. На этой длине волны
материальная и волноводная составляющие компенсируют друг друга и хроматическая дисперсия обращается в нуль.
2. Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм×км). Данный параметр определяет уширение оптического импульса, распространяющегося на расстояние в 1 км при ширине спектра источника 1 нм.
3. Наклон дисперсионной характеристики S 0 определяется как касательная
к дисперсионной кривой на длине волны l 0 (см. рис. 3.13). Аналогично может
быть определен наклон S в любой точке спектра.
