Ang isang mahalagang parameter ng isang optical fiber ay pagpapakalat, na tumutukoy sa throughput ng impormasyon nito.
Ang isang optical fiber ay nagpapadala hindi lamang ng liwanag na enerhiya, ngunit din ng isang kapaki-pakinabang na signal ng impormasyon. Ang mga pulso ng liwanag, ang pagkakasunud-sunod nito ay tumutukoy sa daloy ng impormasyon, lumabo sa panahon ng proseso ng pagpapalaganap. Sa isang sapat na malaking pagpapalawak, ang mga pulso ay nagsisimulang mag-overlap, upang maging imposibleng paghiwalayin ang mga ito sa panahon ng pagtanggap (Larawan 3).
Figure 3 - Epekto ng dispersion
Ang dispersion ay ang dispersion sa oras ng spectral o mode na mga bahagi ng isang optical signal, na humahantong sa pagtaas ng tagal ng optical radiation pulse habang ito ay kumakalat sa pamamagitan ng optical fiber at natutukoy ng pagkakaiba sa mga parisukat ng tagal ng pulso. sa output at input 0V:
Kung mas maliit ang halaga ng pagpapakalat, mas malaki ang daloy ng impormasyon na maaaring maipadala kasama ang hibla. Hindi lamang nililimitahan ng dispersion ang frequency range ng OF, ngunit makabuluhang binabawasan ang signal transmission range, dahil mas mahaba ang linya, mas malaki ang pagtaas ng tagal ng pulso.
Ang pagpapakalat ay karaniwang tinutukoy ng tatlong pangunahing mga kadahilanan:
Ang pagkakaiba sa mga bilis ng pagpapalaganap ng mga guided mode (inter-mode dispersion),
Mga gabay na katangian ng optical fiber (waveguide dispersion),
Mga parameter ng materyal kung saan ito ginawa (pagpapakalat ng materyal).
Figure 4 - Mga uri ng dispersion
Ang mga pangunahing dahilan para sa paglitaw ng pagpapakalat ay, sa isang banda, ang isang malaking bilang ng mga mode sa optical fiber (intermode dispersion), at sa kabilang banda, ang incoherence ng mga mapagkukunan ng radiation na aktwal na gumagana sa wavelength spectrum (chromatic dispersion) .
Nangibabaw ito sa mga multimode na OFF at sanhi ng pagkakaiba sa oras na kinakailangan para sa mga mode na maglakbay sa OFF mula sa input nito hanggang sa output nito. Para sa isang optical fiber na may stepped refractive index profile, ang bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave na may wavelength ay pareho para sa lahat ng mga mode. humahantong sa katotohanan na ang oras ng paglalakbay ng mga mode na ito sa pamamagitan ng optical fiber ay iba. Bilang resulta, lumalawak ang pulso na nabubuo nila sa output ng OF. Ang magnitude ng pagpapalawak ng pulso ay katumbas ng pagkakaiba sa oras ng pagpapalaganap ng pinakamabagal at pinakamabilis na mga mode. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na intermode dispersion.
Ang formula para sa pagkalkula ng intermode dispersion ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa geometric na modelo ng pagpapalaganap ng mga guided mode sa OF. Ang anumang guided mode sa isang stepped optical fiber ay maaaring katawanin ng isang light beam, na, kapag gumagalaw kasama ang fiber, paulit-ulit na nakakaranas ng kabuuang panloob na pagmuni-muni mula sa core-cladding interface. Ang pagbubukod ay ang pangunahing fashion HE 11 , na inilalarawan ng isang light beam na gumagalaw nang walang repleksyon sa kahabaan ng axis ng fiber.
Sa haba ng OB na katumbas ng L , ang haba ng zigzag path na dinadaanan ng isang light beam na nagpapalaganap sa isang anggulo at z sa fiber axis ay L/cos at z (Figure 5).
Figure 5 - Mga landas ng pagpapalaganap ng mga light ray sa isang dalawang-layer na optical fiber
Ang bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave na may wavelength l ay pareho sa hibla na isinasaalang-alang at katumbas ng:
saan kasama si - bilis ng liwanag, km/s.
Kadalasan sa OV n 1 ? n 2, kaya kinukuha ang form:
kung saan ang kamag-anak na halaga ng core-cladding refractive index.
Malinaw mula sa formula na ang pagpapalawak ng pulso dahil sa intermode dispersion ay mas maliit, mas maliit ang pagkakaiba sa mga refractive na indeks ng core at cladding. Isa ito sa mga dahilan kung bakit sa mga tunay na stepwise OF, sinisikap nilang gawing maliit ang pagkakaibang ito hangga't maaari.
Sa pagsasagawa, dahil sa pagkakaroon ng mga inhomogeneities (pangunahin na microbends), ang mga indibidwal na mode, kapag dumadaan sa optical fiber, ay nakakaimpluwensya sa bawat isa at nagpapalitan ng enerhiya.
Ang intermodal dispersion sa stepwise OF ay maaaring ganap na maalis kung ang mga structural parameter ng OF ay napili nang naaangkop. Kaya, kung gagawin natin ang mga sukat ng core at? napakaliit, pagkatapos ay isang mode lamang ang magpapalaganap sa kahabaan ng hibla sa wavelength ng carrier, ibig sabihin, hindi magkakaroon ng mode dispersion. Ang ganitong mga hibla ay tinatawag na single-mode. Sila ang may pinakamataas na throughput. Sa kanilang tulong, maaaring ayusin ang malalaking bundle ng mga channel sa mga highway ng komunikasyon.
Ang pagpapakalat ng pulso ay maaari ding makabuluhang bawasan sa pamamagitan ng naaangkop na pagpili ng refractive profile sa cross section ng OF core. Kaya, bumababa ang dispersion kapag lumilipat sa gradient OBs. Ang intermode dispersion ng gradient optical fibers ay, bilang isang panuntunan, mas mababa sa pamamagitan ng isang order ng magnitude at higit pa kaysa sa stepped fibers.
Sa ganoong gradient optical fibers, kabaligtaran sa optical fibers na may stepwise propagation profile, ang mga light ray ay hindi na nagpapalaganap sa isang zigzag na paraan, ngunit kasama ang wave- o helical spiral trajectories.
Ang mga linya ng komunikasyon ng fiber-optic (FOCL) ay matagal nang sinasakop ang isa sa mga nangungunang posisyon sa merkado ng telekomunikasyon. Ang pagkakaroon ng isang bilang ng mga pakinabang sa iba pang mga paraan ng paghahatid ng impormasyon (twisted pair, coaxial cable, wireless na komunikasyon...), ang mga fiber-optic na linya ay malawakang ginagamit sa mga network ng telekomunikasyon sa iba't ibang antas, gayundin sa industriya, enerhiya, gamot, seguridad system, high-performance computing system at sa marami pang ibang lugar.
Ang impormasyon ay ipinapadala sa fiber-optic na mga linya sa pamamagitan ng optical fiber. Upang mahusay na lapitan ang isyu ng paggamit ng fiber optic na mga link, mahalagang magkaroon ng isang mahusay na pag-unawa sa kung ano ang optical fiber bilang isang daluyan ng paghahatid ng data, kung ano ang mga pangunahing katangian at katangian nito, at kung anong mga uri ng optical fiber ang mayroon. Ito ang mga pangunahing isyu ng teorya ng fiber-optic na komunikasyon kung saan nakatuon ang artikulong ito.
Optical fiber (fiber optic) ay isang waveguide na may pabilog na cross-section na napakaliit na diameter (maihahambing sa kapal ng buhok ng tao), kung saan ipinapadala ang electromagnetic radiation sa optical range. Ang mga wavelength ng optical radiation ay sumasakop sa rehiyon ng electromagnetic spectrum mula 100 nm hanggang 1 mm, gayunpaman, ang mga fiber optic na link ay karaniwang gumagamit ng malapit na infrared (IR) range (760-1600 nm) at mas madalas ang nakikita (380-760 nm) . Ang isang optical fiber ay binubuo ng isang core (core) at isang optical cladding na gawa sa mga materyales na transparent sa optical radiation (Fig. 1).
kanin. 1. Disenyo ng optical fiber
Ang liwanag ay kumakalat sa pamamagitan ng isang optical fiber dahil sa hindi pangkaraniwang bagay kabuuang panloob na pagmuni-muni. Ang refractive index ng core, karaniwang nasa pagitan ng 1.4 at 1.5, ay palaging bahagyang mas malaki kaysa sa refractive index ng optical cladding (isang pagkakaiba ng humigit-kumulang 1%). Samakatuwid, ang mga light wave na nagpapalaganap sa core sa isang anggulo na hindi lalampas sa isang tiyak na kritikal na halaga ay sumasailalim sa kabuuang panloob na pagmuni-muni mula sa optical shell (Larawan 2). Ito ay sumusunod mula sa batas ng repraksyon ni Snell. Sa pamamagitan ng maraming mga pagmuni-muni mula sa shell, ang mga alon na ito ay kumakalat sa kahabaan ng optical fiber.
kanin. 2. Kabuuang panloob na pagmuni-muni sa optical fiber
Sa mga unang metro ng isang optical na linya ng komunikasyon, ang ilan sa mga light wave ay magkakansela sa isa't isa dahil sa hindi pangkaraniwang bagay ng interference. Ang mga magagaan na alon na patuloy na nagpapalaganap sa makabuluhang distansya sa isang optical fiber ay tinatawag na spatial waves. mga mod optical radiation. Ang konsepto ng isang mode ay inilarawan sa matematika gamit ang mga equation ni Maxwell para sa mga electromagnetic wave, ngunit sa kaso ng optical radiation, ang mga mode ay maginhawang nauunawaan bilang mga propagation trajectories ng nalutas na light waves (ipinahiwatig ng mga itim na linya sa Fig. 2). Ang konsepto ng mode ay isa sa mga pangunahing sa teorya ng fiber-optic na komunikasyon.
Ang kakayahan ng isang optical fiber na magpadala ng signal ng impormasyon ay inilarawan gamit ang isang bilang ng mga geometric at optical na mga parameter at katangian, kung saan ang pinakamahalaga ay ang pagpapalambing at pagpapakalat.
Bilang karagdagan sa ratio ng mga diameter ng core at cladding, ang iba pang mga geometric na parameter ng optical fiber ay napakahalaga para sa proseso ng paghahatid ng signal, halimbawa:
Figure 3. Non-roundness at non-concentricity ng core at shell
Ang mga geometric na parameter ay na-standardize para sa iba't ibang uri ng optical fiber. Salamat sa mga pagpapabuti sa teknolohiya ng pagmamanupaktura, ang mga halaga ng non-circularity at non-concentricity ay maaaring mabawasan, upang ang epekto ng hindi tumpak na geometry ng hibla sa mga optical na katangian nito ay hindi gaanong mahalaga.
(NA) ay ang sine ng pinakamataas na anggulo ng saklaw ng isang light beam sa dulo ng hibla kung saan ang kondisyon ng kabuuang panloob na pagmuni-muni ay nasiyahan (Larawan 4). Tinutukoy ng parameter na ito ang bilang ng mga mode na nagpapalaganap sa optical fiber. Gayundin, ang numerical na laki ng siwang ay nakakaapekto sa katumpakan kung saan ang mga optical fiber ay dapat idugtong sa isa't isa at sa iba pang mga bahagi ng linya.
Figure 4. Numerical aperture
Profile ng refractive index ay ang pag-asa ng refractive index ng core sa transverse radius nito. Kung ang refractive index ay nananatiling pareho sa lahat ng mga punto ng cross-section ng core, ang naturang profile ay tinatawag humakbang . Sa iba pang mga profile, ang pinaka-laganap gradient isang profile kung saan unti-unting tumataas ang refractive index mula sa shell hanggang sa axis (Larawan 5). Bilang karagdagan sa dalawang pangunahing mga ito, mayroon ding mas kumplikadong mga profile.
kanin. 5. Mga profile ng refractive index
Attenuation - ito ay isang pagbaba sa kapangyarihan ng optical radiation habang ito ay kumakalat sa kahabaan ng optical fiber (sinusukat sa dB/km). Ang pagpapalambing ay nangyayari dahil sa iba't ibang pisikal na proseso na nagaganap sa materyal na kung saan ginawa ang optical fiber. Ang mga pangunahing mekanismo ng pagkawala sa optical fiber ay ang pagsipsip at pagkalat.
A) Pagsipsip . Bilang resulta ng pakikipag-ugnayan ng optical radiation sa mga particle (atoms, ions...) ng core material, ang bahagi ng optical power ay inilabas sa anyo ng init. Makilala sariling takeover nauugnay sa mga katangian ng materyal mismo, at pagsipsip ng karumihan , na nagmumula dahil sa pakikipag-ugnayan ng light wave na may iba't ibang mga inklusyon na nakapaloob sa pangunahing materyal (OH - hydroxyl group, metal ions...).
b) Nagkalat ang liwanag, iyon ay, paglihis mula sa orihinal na landas ng pagpapalaganap, ay nangyayari sa iba't ibang inhomogeneities ng refractive index, ang mga geometric na sukat nito ay mas maliit o maihahambing sa haba ng daluyong ng radiation. Ang ganitong mga inhomogeneities ay bunga ng parehong pagkakaroon ng mga depekto sa istraktura ng hibla ( Pagkalat ng mie ), at ang mga katangian ng amorphous (non-crystalline) substance kung saan ginawa ang fiber ( Pagkalat ni Rayleigh ). Rayleigh scattering ay isang pangunahing materyal na ari-arian at tinutukoy ang mas mababang limitasyon ng optical fiber attenuation. May iba pang uri ng pagkalat ( Brillouin-Mandelshtam, Raman), na nangyayari sa mga antas ng kapangyarihan ng radiation na lumalampas sa karaniwang ginagamit sa telekomunikasyon.
Ang halaga ng attenuation coefficient ay may kumplikadong pag-asa sa haba ng daluyong ng radiation. Ang isang halimbawa ng tulad ng isang parang multo na pag-asa ay ipinapakita sa Fig. 6. Ang rehiyon ng mga wavelength na may mababang attenuation ay tinatawag window ng transparency optical fiber. Maaaring may ilang ganoong mga bintana, at sa mga wavelength na ito ay karaniwang ipinapadala ang signal ng impormasyon.
kanin. 6. Spectral dependence ng attenuation coefficient
Ang pagkawala ng kapangyarihan sa hibla ay sanhi din ng iba't ibang mga panlabas na kadahilanan. Kaya, ang mga mekanikal na impluwensya (baluktot, kahabaan, transverse load) ay maaaring humantong sa isang paglabag sa kondisyon ng kabuuang panloob na pagmuni-muni sa hangganan ng core-cladding at ang paglabas ng bahagi ng radiation mula sa core. Ang mga kondisyon sa kapaligiran (temperatura, halumigmig, radiation ng background...) ay may partikular na impluwensya sa halaga ng attenuation.
Dahil ang optical radiation receiver ay may tiyak na sensitivity threshold (ang pinakamababang kapangyarihan na dapat taglay ng signal upang tama ang pagtanggap ng data), ang attenuation ay nagsisilbing limiting factor para sa saklaw ng paghahatid ng impormasyon sa pamamagitan ng optical fiber.
Bilang karagdagan sa distansya kung saan ang radiation ay ipinadala kasama ang isang optical fiber, isang mahalagang parameter ay ang bilis ng paghahatid ng impormasyon. Habang kumakalat ang mga optical pulse sa hibla, lumalawak sila sa oras. Sa isang mataas na rate ng pag-uulit ng pulso sa isang tiyak na distansya mula sa pinagmulan ng radiation, maaaring lumitaw ang isang sitwasyon kapag ang mga pulso ay nagsimulang mag-overlap sa oras (iyon ay, ang susunod na pulso ay dumating sa output ng optical fiber bago matapos ang nauna). Ang phenomenon na ito ay tinatawag na intersymbol interference (ISI - InterSymbol Interference, tingnan ang Fig. 7). Ipoproseso ng receiver ang natanggap na signal na may mga error.
kanin. 7. Ang pag-overlap ng pulso ay nagdudulot ng intersymbol interference: a) input signal; b) isang senyas na naglakbay ng ilang distansyaL1 sa ibabaw ng optical fiber; c) isang senyas na naglakbay ng malayoL2>L1.
Pagpapalawak ng pulso, o pagpapakalat , ay tinutukoy ng pag-asa ng bilis ng phase ng pagpapalaganap ng liwanag sa haba ng daluyong ng radiation, pati na rin ang iba pang mga mekanismo (Talahanayan 1).
| Pangalan | Maikling Paglalarawan | Parameter |
| 1. Chromatic dispersion | Ang anumang pinagmulan ay hindi naglalabas ng isang wavelength, ngunit isang spectrum ng bahagyang magkakaibang wavelength na nagpapalaganap sa iba't ibang bilis. |
Chromatic dispersion coefficient, ps/(nm*km). Maaari itong maging positibo (mga spectral na bahagi na may mas mahabang wavelength ay gumagalaw nang mas mabilis) at negatibo (vice versa). Mayroong wavelength na may zero dispersion. |
| a) Materyal na chromatic dispersion | Nauugnay sa mga katangian ng materyal (dependence ng refractive index sa wavelength ng radiation) | |
| b) Waveguide chromatic dispersion | Nauugnay sa pagkakaroon ng istraktura ng waveguide (refractive index profile) | |
| 2. Intermode dispersion | Ang mga mode ay nagpapalaganap sa iba't ibang mga trajectory, kaya may pagkaantala sa oras ng kanilang pagpapalaganap. |
Bandwidth ( bandwidth), MHz*km. Tinutukoy ng halagang ito ang maximum na rate ng pag-uulit ng pulso kung saan hindi nangyayari ang intersymbol interference (ang signal ay ipinapadala nang walang makabuluhang pagbaluktot). Ang kapasidad ng channel (Mbit/s) ay maaaring mag-iba ayon sa numero mula sa bandwidth (MHz*km) depende sa paraan ng pag-encode ng impormasyon. |
| 3. Polarization mode dispersion, PMD | Ang mode ay may dalawang mutually perpendicular na bahagi (polarization mode), na maaaring magpalaganap sa magkakaibang bilis. |
Coefficient PMD, ps/√km. Time delay dahil sa PMD, na-normalize sa 1 km. |
Kaya, ang pagpapakalat sa isang optical fiber ay negatibong nakakaapekto sa parehong saklaw at bilis ng paghahatid ng impormasyon.
Ang mga katangiang isinasaalang-alang ay karaniwan sa lahat ng optical fibers. Gayunpaman, ang inilarawan na mga parameter at katangian ay maaaring magkaiba nang malaki at may iba't ibang epekto sa proseso ng paglilipat ng impormasyon depende sa mga katangian ng produksyon ng optical fiber.
Mahalagang hatiin ang mga optical fiber ayon sa sumusunod na pamantayan.
kanin. 8. Multimode at singlemode fiber
Batay sa mga salik na ito, apat na pangunahing klase ng mga optical fiber na naging laganap sa telekomunikasyon ay maaaring makilala:
Ang bawat isa sa mga klase ay sakop sa isang hiwalay na artikulo sa aming website. Ang bawat isa sa mga klase ay mayroon ding sariling klasipikasyon.
Ang proseso ng pagmamanupaktura ng optical fiber ay lubhang kumplikado at nangangailangan ng mahusay na katumpakan. Ang teknolohikal na proseso ay nagaganap sa dalawang yugto: 1) paglikha ng isang preform, na isang baras mula sa isang napiling materyal na may nabuo na profile ng refractive index, at 2) pagguhit ng hibla sa isang tambutso na tore, na sinamahan ng patong na may proteksiyon na kaluban. Mayroong isang malaking bilang ng mga iba't ibang mga teknolohiya para sa paglikha ng optical fiber preforms, ang pagbuo at pagpapabuti nito ay patuloy.
Ang praktikal na paggamit ng optical fiber bilang isang daluyan para sa pagpapadala ng impormasyon ay imposible nang walang karagdagang pagpapalakas at proteksyon. Fiber optic cable ay isang istraktura na kinabibilangan ng isa o maraming optical fibers, pati na rin ang iba't ibang protective coatings, load-bearing at reinforcing elements, at moisture-proof na materyales. Dahil sa malawak na pagkakaiba-iba ng mga aplikasyon para sa fiber optics, gumagawa ang mga tagagawa ng malawak na uri ng fiber optic cable na iba-iba sa disenyo, laki, materyales na ginamit, at gastos (Figure 9).
Fig.9. Mga Fiber Optic Cable
Kasama ang attenuation coefficient ng optical fiber, ang pinakamahalagang parameter ay dispersion, na tumutukoy sa kapasidad nito para sa pagpapadala ng impormasyon.
Pagkakaiba- Ito ang scattering sa oras ng spectral at mode na mga bahagi ng optical signal, na humahantong sa pagtaas sa tagal ng optical radiation pulse habang ito ay kumakalat sa pamamagitan ng optical fiber.
Ang pagpapalawak ng pulso ay tinukoy bilang ang quadratic na pagkakaiba sa tagal ng pulso sa output at input ng optical fiber ayon sa formula:
at ang mga halaga ng i ay kinuha sa antas ng kalahati ng pulse amplitude (Larawan 2.8).
Larawan 2.8
Figure 2.8 - Pagpapalawak ng pulso dahil sa dispersion
Ang dispersion ay nangyayari sa dalawang dahilan: ang incoherence ng radiation sources at ang pagkakaroon ng malaking bilang ng mga mode. Ang dispersion na dulot ng unang dahilan ay tinatawag na chromatic (frequency) , ito ay binubuo ng dalawang bahagi - materyal at waveguide (intra-mode) dispersion. Ang pagpapakalat ng materyal ay dahil sa pag-asa ng refractive index sa haba ng daluyong, ang pagpapakalat ng waveguide ay nauugnay sa pag-asa ng koepisyent ng pagpapalaganap sa haba ng daluyong.
Ang dispersion na dulot ng pangalawang dahilan ay tinatawag na modal (intermode).
Mode dispersion ay katangian lamang ng mga multimode fibers at dahil sa pagkakaiba sa oras na kinakailangan para sa mga mode na maglakbay sa pamamagitan ng optical fiber mula sa input nito hanggang sa output nito. SA OF na may stepped refractive index profile ang bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave na may wavelength ay pareho at katumbas ng: , kung saan ang C ay ang bilis ng liwanag. Sa kasong ito, ang lahat ng mga sinag na insidente sa dulo ng optical fiber sa isang anggulo sa axis sa loob ng aperture angle ay kumakalat sa fiber core kasama ang kanilang mga zigzag na linya at, sa parehong bilis ng pagpapalaganap, umabot sa receiving end sa iba't ibang oras, na humahantong sa pagtaas sa tagal ng natanggap na pulso. Dahil ang minimum na oras ng pagpapalaganap ng isang optical beam ay nangyayari kapag ang incident beam ay , at ang maximum ay kapag , maaari nating isulat ang:
kung saan ang L ay ang haba ng light guide;
Repraktibo index ng fiber core;
Ang C ay ang bilis ng liwanag sa vacuum.
Pagkatapos ang halaga ng intermode dispersion ay katumbas ng:
Mode dispersion ng gradient optical fibers isang order ng magnitude o mas mababa kaysa sa mga stepped fibers. Ito ay dahil sa ang katunayan na dahil sa isang pagbawas sa refractive index mula sa axis ng optical fiber hanggang sa shell, ang bilis ng pagpapalaganap ng mga sinag kasama ang kanilang tilapon ay nagbabago. Kaya, sa mga tilapon na malapit sa axis ito ay mas mababa, at sa mga tilapon na malayo ito ay mas malaki. Ang mga sinag na kumakalat sa pinakamaikling mga tilapon (mas malapit sa axis) ay may mas mababang bilis, at ang mga sinag na dumadaloy sa mas mahahabang trajectory ay may mas mataas na bilis. Bilang isang resulta, ang oras ng pagpapalaganap ng mga sinag ay na-level out, at ang pagtaas sa tagal ng pulso ay nagiging mas maliit. Sa isang parabolic refractive index profile, kapag ang profile exponent q=2, ang mode dispersion ay tinutukoy ng expression:
Ang mode dispersion ng gradient OB ay ilang beses na mas mababa kaysa sa step OB sa parehong mga halaga. At dahil ito ay karaniwan, ang mode dispersion ng mga ipinahiwatig na OF ay maaaring mag-iba sa pamamagitan ng dalawang order ng magnitude.
Sa mga kalkulasyon kapag tinutukoy ang pagpapakalat ng mode, dapat itong isipin na hanggang sa isang tiyak na haba ng linya, na tinatawag na haba ng mode coupling, walang intermodal coupling, at pagkatapos ay sa isang proseso ng mutual conversion ng mga mode ay nangyayari at nangyayari ang isang matatag na estado. Samakatuwid, kapag ang pagpapakalat ay tumaas ayon sa isang linear na batas, at pagkatapos, kapag - ayon sa isang parisukat na batas.
Kaya, ang mga formula sa itaas ay may bisa lamang para sa haba. Para sa mga haba ng linya, gamitin ang mga sumusunod na formula:
- para sa stepped light guide
- para sa gradient light guide,
saan ang haba ng linya;
Mode coupling length (steady state), katumbas ng km para sa stepped fiber at km para sa gradient fiber (empirically na itinatag).
Pagpapakalat ng materyal depende sa dalas (o haba ng daluyong) at sa materyal ng OF, na karaniwang quartz glass. Ang pagpapakalat ay tinutukoy ng electromagnetic na pakikipag-ugnayan ng alon na may mga nakagapos na mga electron ng medium na materyal, na, bilang panuntunan, ay nonlinear (resonant) sa kalikasan.
Ang paglitaw ng dispersion sa light guide material, kahit na para sa single-mode fibers, ay dahil sa ang katunayan na ang optical source exciting ang fiber (light-emitting diode - LED o semiconductor laser PPL) ay bumubuo ng light radiation na may tuluy-tuloy na wave spectrum ng isang tiyak na lapad (para sa mga LED ito ay humigit-kumulang nm, para sa multimode PPLs - nm , para sa single-mode nm laser diodes). Ang iba't ibang spectral na bahagi ng light radiation ay kumakalat sa iba't ibang bilis at dumarating sa isang tiyak na punto sa iba't ibang oras, na humahantong sa pagpapalawak ng pulso sa dulo ng pagtanggap at, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, sa pagbaluktot ng hugis nito. Ang refractive index ay nag-iiba sa wavelength (frequency), na may antas ng dispersion depende sa hanay ng mga wavelength ng liwanag na ipinakilala sa fiber (kadalasan ang source ay naglalabas ng maramihang wavelength), pati na rin ang central operating wavelength ng source. Sa rehiyon I, ang window ng transparency ay kung saan mas mabilis na gumagalaw ang mas mahahabang wavelength (850nm) kumpara sa mas maiikling wavelength (845nm). Sa rehiyon III ng window ng transparency, nagbabago ang sitwasyon: ang mas maikli (1550 nm) ay gumagalaw nang mas mabilis kumpara sa mas mahahabang (1560 nm). Larawan 2.9
Figure 2.9 – Mga bilis ng pagpapalaganap ng wavelength
Ang haba ng mga arrow ay tumutugma sa bilis ng mga wavelength, na may mas mahabang arrow na tumutugma sa mas mabilis na paggalaw.
Sa ilang mga punto sa spectrum, ang mga bilis ay nag-tutugma. Ang pagkakataong ito para sa purong quartz glass ay nangyayari sa isang wavelength ng nm, na tinatawag na zero-dispersion wavelength ng materyal, dahil . Sa isang wavelength sa ibaba ng zero dispersion wavelength, ang parameter ay may positibong halaga, kung hindi, mayroon itong negatibong halaga. Larawan 2.10
Ang pagpapakalat ng materyal ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng tiyak na pagpapakalat gamit ang expression:
.
Ang dami - tiyak na pagpapakalat, , ay tinutukoy sa eksperimentong paraan. Sa iba't ibang mga komposisyon ng mga impurities ng alloying sa OM, mayroon itong iba't ibang mga halaga depende sa (Talahanayan 2.3).
Talahanayan 2.3 – Mga karaniwang halaga ng tiyak na pagpapakalat ng materyal
Waveguide (intra-mode) dispersion – Ang terminong ito ay tumutukoy sa pag-asa ng pagkaantala ng isang light pulse sa wavelength, na nauugnay sa isang pagbabago sa bilis ng pagpapalaganap nito sa fiber dahil sa likas na katangian ng pagpapalaganap ng waveguide. Ang pagpapalawak ng pulso dahil sa pagpapakalat ng waveguide ay katulad na proporsyonal sa lapad ng spectrum ng pinagmulan ng radiation at tinukoy bilang:
,
kung saan ang tiyak na pagpapakalat ng waveguide, ang mga halaga nito ay ipinakita sa Talahanayan 2.4:
Talahanayan 2.4
– ay dahil sa pagkaantala ng differential group sa pagitan ng mga beam na may mga pangunahing estado ng polarization. Ang distribusyon ng enerhiya ng signal sa iba't ibang estado ng polarization ay nagbabago nang dahan-dahan sa paglipas ng panahon, halimbawa dahil sa mga pagbabago sa temperatura ng kapaligiran, anisotropy ng refractive index na dulot ng mga puwersang mekanikal.
Sa isang single-mode fiber, hindi isang mode ang nagpapalaganap, gaya ng karaniwang pinaniniwalaan, ngunit dalawang perpendicular polarizations (mode) ng orihinal na signal. Sa isang perpektong hibla, ang mga mode na ito ay magpapalaganap sa parehong bilis, ngunit ang mga tunay na hibla ay walang perpektong geometry. Ang pangunahing sanhi ng pagpapakalat ng polarization mode ay ang hindi concentricity ng fiber core profile, na nangyayari sa panahon ng proseso ng pagmamanupaktura ng fiber at cable. Bilang resulta, ang dalawang perpendicular polarization na bahagi ay may magkakaibang bilis ng pagpapalaganap, na humahantong sa pagpapakalat (Larawan 2.11)
Larawan 2.11
Ang koepisyent ng partikular na polarization-mode dispersion ay na-normalize bawat 1 km at may dimensyon . Ang halaga ng pagpapakalat ng polarization-mode ay kinakalkula gamit ang formula:
Dahil sa maliit na halaga nito, dapat itong isaalang-alang ng eksklusibo sa single-mode fiber, at kapag ginamit ang high-speed signal transmission (2.5 Gbit/s pataas) na may napakakitid na spectral band ng radiation na 0.1 nm o mas kaunti. Sa kasong ito, ang chromatic dispersion ay maihahambing sa polarization mode dispersion.
Ang partikular na PMD coefficient ng isang tipikal na hibla ay kadalasan 
.
Mayroong apat na pangunahing phenomena sa optical fiber na naglilimita sa pagganap ng mga WDM system: chromatic dispersion, first- and second-order polarization mode dispersion, at nonlinear optical effects.
Ang isang mahalagang optical na katangian ng salamin na ginamit sa paggawa ng hibla ay ang pagpapakalat ng refractive index, na nagpapakita ng sarili bilang ang pagtitiwala sa bilis ng pagpapalaganap ng signal sa wavelength - pagpapakalat ng materyal. Bilang karagdagan, sa panahon ng paggawa ng single-mode fiber, kapag ang isang quartz filament ay nakuha mula sa isang glass preform, ang mga deviation sa geometry ng fiber at sa radial profile ng refractive index ay nangyayari sa iba't ibang antas. Ang fiber geometry mismo, kasama ang mga paglihis mula sa perpektong profile, ay gumagawa din ng isang makabuluhang kontribusyon sa pag-asa ng bilis ng pagpapalaganap ng signal sa haba ng daluyong ito ay waveguide dispersion.
Ang pinagsamang impluwensya ng materyal at waveguide dispersion ay tinatawag na chromatic dispersion ng fiber, Fig. 3.16.
Fig. 3.16 Pagdepende ng chromatic dispersion sa wavelength
Ang phenomenon ng chromatic dispersion ay humihina habang bumababa ang spectral width ng laser radiation. Kahit na posible na gumamit ng perpektong pinagmumulan ng monochromatic radiation na may zero lasing linewidth, pagkatapos pagkatapos ng modulasyon ng signal ng impormasyon, magaganap ang isang parang multo na pagpapalawak ng signal, at kung mas malaki ang pagpapalawak, mas mataas ang bilis ng modulasyon. Mayroong iba pang mga kadahilanan na humahantong sa parang multo na pagpapalawak ng radiation, kung saan ang huni ng pinagmulan ng radiation ay maaaring makilala.
Kaya, ang orihinal na channel ay kinakatawan hindi ng isang solong wavelength, ngunit sa pamamagitan ng isang grupo ng mga wavelength sa isang makitid na spectral range - isang wave packet. Dahil ang iba't ibang wavelength ay nagpapalaganap sa iba't ibang bilis (o mas tiyak, na may iba't ibang bilis ng grupo), ang isang optical pulse na may mahigpit na hugis-parihaba na hugis sa input ng linya ng komunikasyon ay magiging mas malawak at mas malawak habang ito ay dumadaan sa fiber. Kung ang oras ng pagpapalaganap sa hibla ay mahaba, ang pulso na ito ay maaaring makihalubilo sa mga kalapit na pulso, na ginagawang mahirap na tumpak na buuin ang mga ito. Habang tumataas ang bilis ng paghahatid at haba ng link, tumataas ang impluwensya ng chromatic dispersion.
Ang chromatic dispersion, tulad ng nabanggit na, ay depende sa materyal at mga bahagi ng waveguide. Sa isang tiyak na wavelength λ o chromatic dispersion ay nagiging zero - ang wavelength na ito ay tinatawag na zero dispersion wavelength.
Ang single-mode step-index silica fiber ay nagpapakita ng zero dispersion sa 1310 nm. Ang hibla na ito ay madalas na tinutukoy bilang undispersion-biased fiber.
Ang pagpapakalat ng waveguide ay pangunahing tinutukoy ng repraktibo na index profile ng fiber core at inner cladding. Sa isang hibla na may isang kumplikadong profile ng refractive index, sa pamamagitan ng pagbabago ng ugnayan sa pagitan ng pagpapakalat ng daluyan at ang pagpapakalat ng waveguide, posible hindi lamang na ilipat ang zero-dispersion na wavelength, kundi pati na rin upang piliin ang nais na hugis ng dispersion. katangian, i.e. ang anyo ng dependence ng dispersion sa wavelength.
Ang hugis ng katangian ng dispersion ay susi para sa mga sistema ng WDM, lalo na sa dispersion-shifted fiber (ITU-T Rec. G.653).
Bilang karagdagan sa parameter na λ o, ginagamit ang parameter na S o, na naglalarawan sa slope ng dispersion na katangian sa wavelength λ o, Fig. 3.17. Sa pangkalahatan, ang slope sa ibang wavelength ay iba sa slope sa wavelength λo. Tinutukoy ng kasalukuyang halaga ng slope S o ang linear na bahagi ng dispersion sa paligid ng λ o .
kanin. 3.17 Mga pangunahing parameter ng dependence ng chromatic dispersion sa wavelength: λ o - wavelength ng zero dispersion at S o - slope ng dispersion na katangian sa punto ng zero dispersion
Chromatic dispersion τ chr(karaniwang sinusukat sa ps) ay maaaring kalkulahin gamit ang formula
τ chr = D(λ) Δτ L,
saan D(λ)- chromatic dispersion coefficient (ps/(nm*km)), at L- haba ng linya ng komunikasyon (km). Tandaan na ang formula na ito ay hindi tumpak sa kaso ng mga ultra-narrowband na pinagmumulan ng radiation.
Sa Fig. Ang Figure 3.18 ay nagpapakita ng hiwalay na mga dependence ng waveguide dispersion para sa fiber na may walang pinapanigan (1) at biased (2) dispersion at material dispersion sa wavelength.
kanin. 3.18 Pag-asa ng dispersion sa wavelength (chromatic dispersion ay tinukoy bilang ang kabuuan ng mga materyal at waveguide dispersion.)
Ang chromatic dispersion ng transmission system ay sensitibo sa:
pagtaas ng haba at bilang ng mga seksyon ng linya ng komunikasyon;
pagtaas ng bilis ng paghahatid (dahil ang epektibong lapad ng linya ng henerasyon ng pinagmulan ay tumataas).
Ito ay hindi gaanong apektado ng:
pagbabawas ng agwat ng dalas sa pagitan ng mga channel;
pagtaas ng bilang ng mga channel.
Bumababa ang chromatic dispersion kapag:
pagbabawas ng ganap na halaga ng chromatic dispersion ng fiber;
kabayaran sa pagpapakalat.
Sa mga sistema ng WDM na may karaniwang karaniwang hibla (ITU-T Rec. G.652), dapat bigyan ng espesyal na pansin ang chromatic dispersion dahil malaki ito sa 1550 nm wavelength na rehiyon.
Ang dispersion ng isang optical fiber ay ang time dispersion ng mga bahagi ng isang optical signal. Ang dahilan para sa pagpapakalat ay iba't ibang mga bilis ng pagpapalaganap ng mga bahagi ng optical signal.
Ang pagpapakalat ay nagpapakita ng sarili bilang isang pagtaas sa tagal (pagpapalawak) ng mga optical pulse kapag nagpapalaganap sa optical fiber. Ang pagtaas ng tagal ng optical pulse ay nagiging sanhi ng intersymbol interference - lumilikha ng lumilipas na interference, na nagpapalala sa signal-to-noise ratio at, bilang resulta, ay humahantong sa mga error sa pagtanggap. Malinaw na ang intersymbol interference ay tumataas sa pagpapalawak ng optical pulses. Para sa isang nakapirming halaga ng pagpapalawak ng pulso, tumataas ang intersymbol interference habang bumababa ang panahon ng pag-uulit ng pulso. T. Kaya, nililimitahan ng dispersion ang bilis ng paghahatid ng impormasyon sa linya B=1/T at ang haba ng seksyon ng pagbabagong-buhay (RU).
Sa optical fibers, maraming uri ng dispersion ang maaaring makilala: mode dispersion, polarization mode dispersion at chromatic dispersion.
Sa isang multimode OF, nangingibabaw ang inter-mode dispersion, sanhi ng pagkakaroon ng malaking bilang ng mga mode na may iba't ibang oras ng pagpapalaganap.
makabuluhang lumampas sa iba pang mga uri ng pagpapakalat, samakatuwid ang bandwidth ng naturang mga optical fiber ay pangunahing tinutukoy ng mode dispersion. Ang pagtaas ng bandwidth ng multimode optical fibers ay nakakamit sa pamamagitan ng gradient refractive index profile, kung saan ang refractive index sa core ay maayos na bumababa mula sa optical fiber axis hanggang sa cladding. Sa ganitong gradient profile, ang bilis ng pagpapalaganap ng ray malapit sa fiber axis ay mas mababa kaysa sa rehiyon na katabi ng cladding. Bilang isang resulta, na may pagtaas sa haba ng trajectory ng guided rays sa isang fiber segment, ang kanilang bilis ng pagpapalaganap sa kahabaan ng trajectory ay tumataas. Kung mas mahaba ang landas, mas malaki ang bilis. Tinitiyak nito ang pagkakapantay-pantay ng oras ng pagpapalaganap ng ray at, nang naaayon, isang pagbawas sa pagpapakalat ng mode. Ang pinakamainam na profile mula sa punto ng view ng minimizing mode dispersion ay isang parabolic profile.
Ang bandwidth ng multimode fibers ay nailalarawan sa pamamagitan ng broadband factor DF, MHz. km, ang halaga nito ay ipinahiwatig sa data ng pasaporte ng OF sa mga wavelength na tumutugma sa una at pangalawang transparency window. Ang bandwidth para sa karaniwang multimode optical fibers ay 400...2000 MHz. km.
Ang mga multimode optical fiber ay ginagamit sa mga lokal na network, data center, at malalayong pribadong network. Hindi ginagamit sa mga spectral seal system.
Sa single-mode OFs, isang pangunahing mode lang ang nagpapalaganap at walang mode dispersion.
Ang pangunahing kadahilanan na naglilimita sa haba ng mga seksyon ng pagbabagong-buhay ng high-speed fiber optics ay chromatic dispersion. Ang mga rekomendasyon ng International Telecommunication Union ITU-T G.650 ay nagbibigay ng sumusunod na kahulugan: chromatic dispersion (CD) ay ang pagpapalawak ng isang light pulse sa isang optical fiber na sanhi ng pagkakaiba sa mga bilis ng grupo ng iba't ibang mga wavelength na bumubuo sa spectrum ng ang optical signal ng impormasyon. Ang tagal ng optical pulse sa output ng isang pinahabang optical fiber ay tinutukoy ng kamag-anak na pagkaantala ng grupo ng pinakamabagal na bahagi ng parang multo na nauugnay sa pinakamabilis. Kaya, ang impluwensya ng CD ay proporsyonal sa lapad ng spectrum ng pinagmulan ng radiation. Habang tumataas ang haba ng linya ng paghahatid at ang bilis ng paghahatid ng impormasyon, tumataas ang impluwensya ng chromatic dispersion.
Ang mga sumusunod na bahagi ay nakakatulong sa CD: materyal at waveguide dispersion. Ang isang mahalagang optical na katangian ng salamin na ginamit sa paggawa ng hibla ay ang pagpapakalat ng refractive index, na nagpapakita ng sarili bilang ang pagtitiwala sa bilis ng pagpapalaganap ng signal sa wavelength - pagpapakalat ng materyal. Bilang karagdagan, sa panahon ng paggawa ng single-mode fiber, kapag ang isang quartz filament ay nakuha mula sa isang glass preform, ang mga deviation sa geometry ng fiber at sa radial profile ng refractive index ay nangyayari sa iba't ibang antas. Ang fiber geometry mismo, kasama ang mga paglihis mula sa perpektong profile, ay gumagawa din ng isang makabuluhang kontribusyon sa pag-asa ng bilis ng pagpapalaganap ng signal sa haba ng daluyong ito ay waveguide dispersion.
Ang chromatic dispersion ay tinutukoy ng magkasanib na pagkilos ng materyal D M ( l) at waveguide dispersion D B ( l)
D(l)=D M(l)+D B(l)
Ang pagpapakalat ng materyal ay tinutukoy ng mga katangian ng pagpapakalat ng materyal - kuwarts,
D M= - l ¶ 2n .c¶ l 2
Waveguide dispersion D B ( l) ay dahil sa pag-asa ng grupo
Ang bilis ng pagpapalaganap ng mode kumpara sa haba ng daluyong ay pangunahing tinutukoy ng repraktibo na index profile ng fiber core at panloob na cladding.
Kadalasan, ang sumusunod na kaugnayan ay ginagamit upang tantiyahin ang pagpapakalat ng waveguide:
saan V- normalized na dalas; b ay ang normalized propagation constant, na nauugnay sa b na may sumusunod na ratio:
tinatawag na normalized waveguide dispersion parameter.
kanin. 3.13. Chromatic dispersion spectrum ng standard stepped fiber
Sa dami ng chromatic dispersion ng OM ay tinasa ng coefficient D may dimensyon na ps/(nm. km. Chromatic dispersion ng fiber in).
picoseconds (ps) sa isang seksyon ng haba L km, katumbas ng
s=D× L×D l
saan Dl- wavelength band ng optical radiation source, nm.
Ang mga pangunahing parameter ng chromatic dispersion ay:
1. Zero dispersion wavelength l 0 , nm. Sa wavelength na ito
ang materyal at mga bahagi ng waveguide ay nagbabayad sa isa't isa at ang chromatic dispersion ay nagiging zero.
2. Chromatic dispersion coefficient, ps/(nm×km). Tinutukoy ng parameter na ito ang pagpapalawak ng isang optical pulse na nagpapalaganap sa layo na 1 km na may lapad ng source spectrum na 1 nm.
3. Slope ng dispersion na katangian S 0 ay tinukoy bilang tangent
sa dispersion curve sa wavelength l 0 (tingnan ang Fig. 3.13). Katulad nito maaari
matukoy ang slope S sa anumang punto sa spectrum.
