Основные характеристики искажений оптического сигнала

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается за счет естественной дисперсии различного рода (линейные искажения), вызывающей уширение импульсов, а также нелинейных эффектов, основные из которых вызваны нелинейным преломлением и генерацией третьей гармоники (нелинейные искажения).

Дисперсия

Под дисперсией в оптике понимают зависимость фазовой скорости световых волн V_Ф от частоты. Это же относится и к показателю преломления n, n=n(ω). В этом смысле дисперсия в объемной среде единственна и носит в оптике название хроматической дисперсии, подчеркивая факт разложения света на составляющие в хроматический спектр. Дисперсия называется нормальной (или положительной), если n увеличивается с увеличением частоты ω, и аномальной (или отрицательной), если n уменьшается с увеличением ω. Зависимость фазовой скорости от ω (или λ.) для нормальной и аномальной дисперсий - обратная. Понятие "дисперсия" в световоде уже не единственно и приходится различать три ее вида:

• модовая дисперсия - дисперсия, существующая только в многомодовом волокне и вызванная различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих выхода в разное время, что приводит к уширению входного импульса;

• материальная дисперсия - дисперсия собственно материала световода, существующая независимо от типа волокна (ММ или ОМ) и отличающаяся отхроматической дисперсии только тем, что она соответствует волноводной (а не объемной) среде;

• волноводная дисперсия - дисперсия, существующая в так называемой волноводной среде, сформированной по меньшей мере двумя средами (в нашем случае сердцевиной и оболочкой).

Модовая дисперсия

Этот тип дисперсии может быть уменьшен двумя путями:

• уменьшением диаметра сердцевины dc;

• изменением профиля показателя преломления (как было описано выше для компенсации модовой дисперсии), т.е. использованием многомодового волокна с плавно изменяемым показателем преломления. В настоящее время многомодовые волокна такого типа используются достаточно широко (часто их называют градиентными).

Материальная дисперсия

Материальная дисперсии, или дисперсия материала, зависит (для прозрачного материала) от частоты ω (или длины волны λ и материала оптоволокна, 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 и только вдали от резонансов может быть описано с приемлемой точностью, например, уравнением Селлмейера:

n²(ω) = l + Σ R_j ω_j²/( ω_j² - ω²), (2.25)

где ω_j - резонансные частоты, R_j - величина j-ro резонанса, а суммирование по j для объемного кварцевого стекла ведется по первым трем резонансам. Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход (светоизлучающий диод СИД или лазерный диод ЛД), формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектр определенной ширины (например, для СИД это примерно 35-60 нм, для многомодовых ЛД (ММЛД) - 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) -0,01-0,02 нм, в специальных случаях он может сужаться до нескольких пикосекунд). Различные спектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (фазу формирования огибающей импульса) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе и, при определенных условиях, к искажению его формы.

Для описания дисперсии в световоде используется разложение постоянной распространения моды β в ряд Тейлора в окрестности несущей частоты ω₀. Линейный член этого разложения, или параметр β_i, характеризует групповую скорость движения огибающей импульса - V_r = с/n_r (здесь n_r - групповой показатель преломления), а квадратичньй член, или параметр β₂ характеризует собственно дисперсию группошх скоростей ДГС в волокне, имеющую размерность [пс²/км]. Она и определяет уширение импульса. Интересно отметить, что в диапазоне длин волн 500-1600 нм β₂ почти линейно уменьшается от +70 до -40 [пс²/км], см. рис. 3, принимая нулевое значение на длине волны примерно 1270 нм. Эта длина волны λ_од называется длиной волны нулевой дисперсии для объемной среды. Для оптоволокна эта длина волны сдвигается до значения порядка 1312 нм, чем и объясняется использование источников излучения 1310 нм для одномодового оптоволокна. Для одномодового кварцевого волокна ДГС положительна для λ< 1312 нм и отрицательна для λ> 1312 нм, а в окрестности λ=13I2 нм она нулевая.

Рис. 3. Зависимость дисперсии кварцевого стекла от длины волны

Из описанного ясно, что для уменьшения материальной дисперсии нужно, с одной стороны, переходить при выборе источников от оптических источников типа СИД к ЛД, а при выборе волокна от ММ к ОМ волокну. С другой стороны, необходимо переходить от источников с длинами волн порядка 850 нм к длинам волн порядка 1310 нм для использования эффекта нулевой дисперсии.