| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
Оптический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается за счёт дисперсии различного рода.
Под дисперсией σ в оптике понимают зависимость фазовой скорости световых волн от частоты υф=υф(ω). Это же относится и к показателю преломления n=n(ω). Величина и характер дисперсии определяется как:
В этом смысле дисперсия носит название хроматической дисперсии, подчёркивая факт разложения света на его спектральные составляющие. Дисперсия называется нормальной, если n увеличивается с увеличением частоты ω и аномальной, если n уменьшается с увеличением ω. Зависимость фазовой скорости от ω для нормальной и аномальной дисперсий – обратная.
При прохождении импульсных сигналов по световоду дисперсия приводит, как было сказано выше, к уширению импульса (рисунок 2.5).
а – входные импульсы; б – выходные импульсы
Рисунок 2.5 – Уширение импульса из-за дисперсии в волоконном световоде
Она определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе световода длиной l, получаемой на половине высоты импульса, и измеряется в пикосекундах [пс].
Предел пропускной способности (скорости передачи информации, информационной полосы пропускания) волоконного световода определяется тем, насколько близко могут располагаться кодирующие информацию соседние импульсы без взаимного перекрытия и, следовательно, без возникновения межсимвольных помех. Большие значения дисперсии приводят к ошибкам декодирования вследствие перекрытия импульсов цифрового оптического сигнала.
Уширение импульса определяет полосу частот передаваемого сигнала Δf (скорость передачи информации) следующим образом:
Например, значения дисперсии τ=2–5пс соответствуют полосе частот Δf=500–200МГц.
Дисперсия также ограничивает длину регенерационного участка, так как уширение импульса пропорционально длине линии. В конечном итоге может возникнуть ситуация, когда соседние импульсы перекрывают друг друга.
В световоде различают четыре вида дисперсии (рисунок 2.6):
Рисунок 2.6 – Структура видов дисперсии в ОВ
Полная дисперсия τ определяется из формулы:
Модовая (межмодовая) дисперсия – – это дисперсия, существующая только в многомодовом световоде и вызванная различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих выхода в разное время, что приводит к уширению импульса на выходе.
Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду со ступенчастым профилем показателя преломления может быть представлено упрощённо в виде двух лучей, как показано на рисунке 2.7
Следовательно, отрезок световода конечной длины l каждая мода будет проходить за различное время. С точки зрения передачи информации по волоконной линии, этот процесс порождает её искажения – каждая мода этого спектра проходит отрезок световода за различное время и на его выходе между ними возникают неустранимые фазовые сдвиги.
Рисунок 2.7 – Явление временного запаздывания лучей разных мод в ВС
Максимально возможное время запаздывания наклонного луча при θ1=θkp относительно осевого
где l – длина линии связи;
с – скорость света;
n1 – показатель преломления сердцевины;
n2 – показатель преломления оболочки;
Δ – относительный показатель преломления.
В градиентном параболическом световоде с учётом связи мод модовая дисперсия:
Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и, тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно, увеличивается широкополосность ОВ.
Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Одномодовое ОВ может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое ОВ, так как в нём отсутствует модовая дисперсия.
В простейшем случае оптический ВС имеет ступенчатый ППП (рисунок 2.8, а, справа).
а – в ступенчатом многомодовом ВС; б – в градиентном многомодовом ВС; в – в ступенчатом одномодовом ВС
Рисунок 2.8 – Характер распространения света в ВС с различным профилем показателя преломления и дисперсия
Различное фазовое запаздывание (или дисперсия мод) является одной из причин расплывания импульса при его распространении по ВС (рисунок 2.8, а, слева). Влияние дисперсии мод резко выражено для многомодового ВС и тем резче, чем больше диаметр сердцевины.
Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя путями:
Рассмотрим, как при использовании градиентного волокна уменьшается модовая дисперсия.
В градиентном ВС показатель преломления плавно увеличивается от края сердцевины к середине (в зону максимума n1, рисунок 2.8,б, справа). Условия распространения при этом для осевого и апертурных лучей становятся разными. Апертурные лучи имеют большую геометрическую длину. Однако скорость апертурных лучей на периферии сердцевины больше, чем скорость осевого луча. За счёт выравнивания времени прохождения различных лучей в ВС происходит резкое снижение дисперсии моды (рисунок 2.8,б).
Наиболее приемлемы характеристики световодов для которых профиль показателя преломления описывается функцией, аппроксимирующей кривую изменения показателя преломления формулой:
где n1=(n1-n)/n1 - относительный показатель преломления;
r - текущий радиус;
a - радиус сердцевины;
g - показатель степени, определяющий изменение n(r).
Световоды с g=2 называются параболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболической функцией. У таких сетоводов скорости всех мод становятся одинаковыми.
Для одномодового оптоволокна модовая дисперсия отсутствует (рисунок 2.8, в), поэтому в основном используется простой ступенчатый профиль изменения показателя преломления (рисунок 2.8, в, справа). Другие типы одномодового ВС имеют более сложный профиль показателя преломления ввиду использования многослойных оболочек.
Напомним, что материальная дисперсия – это дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления от длины волны:
Волны различной длины движутся с различными скоростями по ВС, даже в одной и той же моде. Как известно, показатель преломления равен:
где c– скорость света в вакууме;
υ– скорость света в веществе.
Поскольку волны различной длины движутся с разной скоростью, то величина скорости υ в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Материальная дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный характер. Уровень материальной дисперсии зависит от двух факторов:
Рассмотрим каждый фактор подробнее.
1. Как правило, источник не может излучать одну длину волны; он излучает спектр волн. Диапазон длин волн Δλ называется спектральной шириной источника. Светоизлучающий диод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной Δλ≈35нм, а лазерный диод (ЛД) – меньшей: от 2 до 3нм – многомодовый и от 0,01 до 0,02нм – одномодовый.
2. В области 850нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более синими) длинами волн (рисунок 2.9). Длина стрелок соответствует скорости волн, следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению. Волны длиной 850нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 845нм.
Рисунок 2.9 – Скорости распространения света разной длины волны
В выражение для материальной дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:
где Δλ – ширина спектра источника излучения;
l – длина световода;
λ – длина волны излучения;
c – скорость света в вакууме;
n1 – показатель преломления сердцевины;
– удельная материальная дисперсия (определяется экспериментальным путём).
Удельная материальная дисперсия измеряется в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра источника: [nc/(км•нм)] .
Зависимость удельной материальной дисперсии от длины волны приведена на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 – Зависимость удельной материальной дисперсии объёмного кварцевого стекла от длины волны
Интересно отметить, что в объёмном кварцевом стекле в диапазоне длин волн 1000 – 1600нм М(λ) почти линейно уменьшается от плюс 70 до минус 40пс/(км•нм), принимая нулевое значение на длине волны примерно 1300нм, а точнее 1270нм.
Длина волны, при которой удельная материальная дисперсия М(λ) обращается в ноль, называется длиной волны нулевой дисперсии λ0Д для объёмной среды.
В области длин волн менее λ0Д материальная дисперсия положительная – более красные волны опережают более синие и прибывают раньше. В области длин волн больше λ0Д материальная дисперсия отрицательная – более красные волны отстают и прибывают позднее.
Из описанного ясно, что для уменьшения дисперсии нужно, с одной стороны, при выборе источника переходить от оптических источников типа СИД к ЛД, а. c другой стороны, необходимо переходить от источников с длинами волн порядка 850нм к источникам с длинами волн порядка 1300нм для использования эффекта нулевой дисперсии.
Волноводная дисперсия – это дисперсия реальных световодов, отличающаяся от дисперсии объёмной среды по причине наличия волноводной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. Когда растёт длина волны, то большая часть поля заходит в оболочку и меняет показатель преломления среды. Изменяя эффективный показатель преломления среды можно менять дисперсию.
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью эффективного показателя преломления от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра
где Δλ – ширина спектра источника излучения;
l – длина световода;
n1 – показатель преломления сердцевины;
Δ – относительный показатель преломления;
c – скорость света в вакууме;
λ – длина волны излучения;
– удельная волноводная дисперсия.
Типичная зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого одномодового волокна от длины волныприведена на рисунке 2.11.
Рисунок 2.11 – Зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого волокна от длины волны
Как видно из рисунка 2.11, удельная волноводная дисперсия N(λ) всегда больше нуля, т. е. положительная.
Вклад волноводной дисперсии зависит от:
В многомодовых ОВ волноводная дисперсия относительно мала по величине.
Материальная и волноводная дисперсии, складываясь определённым образом (квадрат суммы, формула 2.9), формируют хроматическую дисперсию.
Хроматическая дисперсия имеет место при распространении волны как в ОМ, так и в ММ волокне, однако наиболее чётко она проявляется в ОМ волокне из-за отсутствия модовой дисперсии.
Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как
Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля (N(λ)>0), то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным (M(λ)>0), так и отрицательным (M(λ)<0). И здесь важным является то, что при определённой длине волны (примерно 1310±10нм для ступенчатого ОМ волокна) результирующая дисперсия D(λ) обращается в ноль, обеспечивая всего лишь один канал передачи без дисперсии на этой длине волны.
Длина волны, при которой результирующая дисперсия D(λ) в волокне обращается в ноль, называется длиной волны нулевой дисперсии λ0D для волокна.
Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которого может варьироваться λ0D для данного конкретного волокна.
Действие волноводной составляющей дисперсии сдвигает длину волны нулевой дисперсии до величины λ0D=1310нм.
В настоящее время используются стандартных ОМ волокнах, опреляющей является хроматическая дисперсия, которая обуславливается различиями в показателях преломления и, следовательно, в скоростях распространения излучения с различными длинами волн. Величина этой дисперсии зависит от типа источника излучения и измеряется в [пс/(км•нм)]. Хроматическая дисперсия выбрана Международным Союзом Электросвязи (МСЭ - Т) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию существуют три типа одномодовых оптических волокна.
Стандартное одномодовое волокно. Это наиболее характерный тип волокна. Хроматическая дисперсия включает также волноводную дисперсию. Используется в мире с 1988 года в магистральных и зоновых волоконно-оптических системах. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на одну длину волны 1310нм (минимум хроматической дисперсии). Оно может использоваться и в диапазоне 1525–1565нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне.
Одномодовое волокно со смещённой нулевой дисперсией. Волокно называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путём выбора специальной формы профиля показателя преломления смещён в диапазон длин волн 1550нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн. Это волокно использовалось при строительстве магистральных линий связи в Японии, Италии, США и других странах с 1985 года.
Одномодовое волокно со смещённой в область длин волн 1550нм ненулевой дисперсией, . Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи на нескольких длинах волн в третьем окне прозрачности (1550нм).
Дисперсионный параметр D такого волокна не равен нулю, но мал (|D| ≤ (0,1– 0,4 пс/(км⋅нм)) и слабо меняется вблизи нуля в указанном диапазоне волн, формируя почти плоскую дисперсионную характеристику. Волокно разработано для волоконно-оптических систем с плотным мультиплексированием по длинам волн
Профиль показателя преломления такого волокна имеет характерную форму трезубца, величина центрального зубца которого существенно больше боковых зубцов (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Профиль показателя преломления одномодового волокна со смещённой в область длин волн 1550нм ненулевой дисперсией
Поляризационная модовая дисперсия τпол возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды.
В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды – две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. Главная причина появления поляризационной моды 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.
В идеальном волокне, в котором отсутствует овальность, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью (рисунок 2.13, а).
Однако, на практике, волокна имеют неидеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод (рисунок 2.13, б).
а – волокно с идеальной геометрией; б – волокно с неидеальной геометрией
Рисунок 2.13 – Появление поляризационной модовой дисперсии
τпол растёт с ростом расстояния по закону:
где l – длина волокна, [км];
Т – коэффициент удельной поляризационной дисперсии.
Коэффициент Т нормируется в расчёте на 1км и имеет размерность [nс/√км].
Из-за своей небольшой величины поляризационная модовая дисперсия τпол может появляться исключительно в одномодовом волокне, причём тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения (1нм и меньше). В этом случае поляризационная модовая дисперсия становится сравнимой с хроматической модовой дисперсией.
В общем случае полная дисперсия в оптическом волокне должна определяться в соответствии с выражением 2.9:
1. В ОМ ОВ модовая дисперсия отсутствует, так как по такому волокну распространяется только одна мода НЕ11 или, как отмечалось ранее, две моды в двух разных состояниях поляризации. В обычных условиях работы ОМ ОВ поляризационная дисперсия достаточно мала и поэтому при расчёте полной дисперсии ею можно пренебречь. Другими словами, расширение импульсов в ОМ ОВ определяется хроматической дисперсией в пределах низшей моды. Тогда полная дисперсия в ОМ ОВ может быть представлена в общем виде выражением:
Волноводная дисперсия τвол мала, и ею можно пренебречь:
Таким образом в ОМ ОВ материальная дисперсия является основным видом дисперсии.
2. В ММ ОВ, так же мала по величине волноводная дисперсия τвол, поэтому ею пренебрегают при определении полной дисперсии. Исходя из этого, полная дисперсия ММ ОВ может быть представлена в общем виде выражением:
В ММ ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления τмод доминирует над τмат (τмод>τмат) и модовая дисперсия является основным видом дисперсии:
3.В градиентном ММ ОВ – наоборот τмат доминирует над τмод (τмат>τмод). Это объясняется тем, что в градиентном многомодовом ММ ОВ τмод уменьшается за счёт выравнивания времени распространения различных мод и поэтому материальная дисперсия является основным видом дисперсии:
Сравнивая дисперсионные характеристики различных волокон, можно отметить, что наилучшими показателями обладают ОМ ОВ, а наиболее сильно дисперсия проявляется в ММ ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.
В световодах с градиентным профилем показателя преломления и одномодовых световодах уширение импульса вызывается главным образом материальной дисперсией, обусловленной зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны.
Во многих случаях модовая дисперсия не играет никакой роли при конструировании волоконных систем: быстродействие слишком мало или расстояния незначительны.
Полоса пропускания – это мера способности волокна передавать определённый объём информации в единицу времени.
Чем шире полоса пропускания, тем выше скорость передачи волокна. Например, одно волокно с градиентным профилем показателя преломления может легко передавать 500млн. бит информации в секунду (500Мбит/с).
Поскольку модовая дисперсия не зависит от длины волны излучения в многомодовых изделиях, многие производители волокна и оптического кабеля не используют в спецификации дисперсию. Вместо неё они указывают произведение информационной ширины полосы пропускания Δf на длину волокна l, выраженное в мегагерцах на километр (рисунок 2.14).
Рисунок 2.14– Зависимость длины линии передачи от ширины полосы пропускания для ОВ с параметром B=400МГц·км
Полоса пропускания B=400МГц·км означает возможность передачи сигнала в полосе 400МГц на расстояние 1км. Это также означает, что произведение максимальной частоты сигнала на длину линии передачи может быть меньше или равно 400МГц·км. Другими словами, при одной и той же дисперсии можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как показано на рисунке 2.14.
В зависимости от ППП и длины волны излучения сигнала многомодовые волокна имеют различную полосу пропускания сигнала:
Рабочая полоса частот (полоса пропускания) в ВОК лимитируется дисперсией ОВ. Полоса пропускания ММ ОВ имеет верхнюю границу 500–800МГц⋅км.
На рисунке 2.15 показан характер изменения дисперсии τ и полосы пропускания Δf ОВ в зависимости от длины линии l.
Рисунок 2.15 – Дисперсия τ и полоса пропускания Δf ОВ от длины линии
Снижение из-за дисперсии величины Δf до допустимого значения лимитирует дальность передачи по ВОК. Таким образом, полоса частот Δf и дальность передачи l взаимосвязаны.
В ОМ ОВ спецификация дисперсии необходима. Для заданного ОМ ОВ дисперсия в основном определяется спектральной шириной источника: чем шире полоса излучения источника, тем больше дисперсия.
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |