2.3 Дисперсия и полоса пропускания

Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом расширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение на приёме.

Дисперсия τ - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала, приводящее к расширению длительности импульса на приёме.

Дисперсия определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе кабеля:

τ(l) = , пс/км. (2.8)

Чем меньше значение дисперсии, тем больше ширина полосы пропускания ОВ, тем больший поток информации можно передать по ОВ.

Максимальная ширина полосы пропускания на 1 километр кабеля обратно пропорциональна дисперсии и приближённо равна:

F = 0, 44/ τ , Гц (2.9)

Дисперсию классифицируют по причинам происхождения следующим образом:

Рисунок 2.11 – Виды дисперсии

Результирующая дисперсия определяется из формулы:

(2.10)

1. Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной траектории распространения у разных мод по ОВ (рисунок 2.3). Эта дисперсия имеет место только в многомодовом волокне, величина её может достигать τ = 20 – 50 нс/км (больше, чем у любого другого вида дисперсии в тысячи раз).

2. Хроматическая (частотная) дисперсия, возникает из-за того, что источник излучения излучает вместо одной моды несколько мод с разными длинами волн. Эта дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место, как в одномодовом ОВ, так и в многомодовом ОВ. Наиболее отчётливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления оптического волокна от длины волны λ.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волныλ. Волноводная дисперсия возникает из-за ограничения света направляющей структурой (волокном). Тогда как почти вся энергия в многомодовом ОВ сконцентрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых ОВ свет распространяется и в сердцевине и в оболочке. Единственная направляемая мода может рассматриваться как распространяющаяся со скоростью, определяемой эффективным показателем преломления, большим чем показатель преломления оболочки, но меньшим показателя сердцевины. С ростом длины волны всё больше энергии распространяется в оболочке с малым показателем преломления. В результате получается расширение импульса, зависящее от структуры волокна, т. е. волноводная дисперсия.

3. Поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) - это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне.

Рисунок 2.12 – Поляризационно-модовая дисперсия

Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. Луч света от источника излучения попадает на вход ОВ. При этом возникает явление двойного лучепреломления. Это означает, что внутри ОВ образуется две волны (моды), которые поляризуется в двух ортогональных (взаимно-перпендикулярных) плоскостях и распространяется в виде двух мод одной волны. Из-за физической асимметрии показателя преломления ОВ эти моды одной волны движутся с разной скоростью.

ПМД также может быть возникать в местах соединения волокон или изгибах. ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен.

Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. В прошлом (лет 15 назад) влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС - сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС.

В многомодовых ступенчатых волокнах определяющей является межмодовая дисперсия, которая обусловлена наличием большого числа распространяющихся мод и различиями времен их распространения по волокну, обычно в многогодовом ОВ τ =20÷50 нс/км.

В градиентных ОВ происходит выравнивание времени распространения различных мод и определяющей является материальная дисперсия, τ =3÷5 нс/км.

В ступенчатых одномодовых ОВ проявляется хроматическая (волноводная и материальная) дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне (Рис.13) при λ = 1,2 ÷ 1,7 мкм. В одномодовых ОВ τ = 5 -17 пс/км.

Возникновение хроматической дисперсии в материале световода обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход ОВ (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 лазерных диодов (ММЛД) – 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) – 0,01-1нм). Различные спектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (к концу волокна) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе.

В области от 800 нм до 1270 нм более длинные волны (более красные) движутся по ОВ быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн (рисунок 2.13). Например, волны длиной 860 нм распространяются быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. Это связано с тем, что коэффициент преломления стекла в диапазоне от 800 нм до 1270 нм уменьшается с ростом длины волны, (этим же самым явлением объясняется возникновение радуги). Такая дисперсия называется положительной.

В области от 1270 нм до 1700 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм, т.е. коэффициент преломления стекла в диапазоне от 1270 нм до 1700 нм увеличивается с ростом длины волны. Это явление называют аномальной (отрицательной) дисперсией. Отрицательная дисперсия выражается в том, что более «медленные» спектральные составляющие импульса ускоряются, а «быстрые», наоборот замедляются. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит на длине волны примерно 1270 нм, на этой длине волны материальная дисперсия равна нулю (См. рисунок 2.13 и таблицу 2.1).

Из рисунка 2.13 видно, что на определённой длине волны материальная и волноводная дисперсия противоположны по знаку и равны по величине, т. е. взаимно компенсируются. На этой длине волны хроматическая дисперсия, являющаяся суммой материальной и волноводной дисперсий, равна нулю. Для ОВ эта длина волны - порядка 1312 нм, её называют длиной волны нулевой дисперсии, Таким образом, для одномодового кварцевого волокна хроматическая дисперсия положительна для длин волн λ<1312 нм и отрицательна для длин волн λ>1312 нм, а в окрестности λ = 1312 нм она нулевая.

Таблица 2.1 – Типичные значения удельной материальной дисперсии одномодового ОВ

, мкм	0,6	0,85	0,9	1,27	1,312	1,33	1,55	1,6	1,8
М (), пс/нм*км	400	85	55	0	-8	-9	-18	-20	-25
В (), пс/нм*км	5	5	6	7	8	8	12	14	16

Материальная и волноводная дисперсии ОВ пропорциональны ширине спектра излучения источника Δλ. Значения этих дисперсий можно определить через удельную дисперсию по формулам:

; (2.11)

(2.12)

где М(λ) – удельная материальнаядисперсия, значения которой представлены в таблице 2.1, В(λ) –удельная волноводнаядисперсия, значения которой представлены в таблице 2.1,Δλ– ширина спектральной линии источника излучения.Измеряется хроматическая дисперсия в единицах: пс/км.

Известно, что для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны 1,55 мкм и дальность связи на этой длине волны ограничивается хроматической дисперсией. Как следует из рисунка 2.13, обычное одномодовое волокно не обеспечивает минимум дисперсии для λ=1,55 мкм, поэтому были разработаны ОВ со смещенной (Dispersion Shifted) дисперсией, которые отличаются конфигурацией профиля показателя преломления (треугольный профиль).

_{Рисунок 2.14 – Зависимость материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны для ОВ со смещённой дисперсией}

На рисунке 2.14 представлены зависимости материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны для ОВ со смещённой дисперсией.

При изменении профиля преломления ОВ волноводная дисперсия увеличивается, и компенсация дисперсии осуществляется на другой длине волны – 1,55 мкм, благодаря чему можно оптимизировать ОВ для работы в третьем окне прозрачности, где затухание ОВ минимально.

В результате исследований волокон со смещенной дисперсией было показано, что наилучшие показатели обеспечивают волокна с треугольным профилем, так как они обладают самофокусирующими свойствами и удерживают распространяющиеся лучи в небольшом объеме, прилегающем к оси ОВ.

Хроматическая дисперсия выбрана международным союзом связистов (INU) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию, существует три типа одномодовых оптических волокон:

1. Стандартное одномодовое волокно (тип G.652). Это наиболее ходовой тип волокна, используется в мире с 1988 года. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на длину волны 1310 нм (минимум хроматической дисперсии), оно может использоваться и в диапазоне длин волн 1525...1565 нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне.

2. Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией (тип G.653). Называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путем выбора специальной формы профиля показателя преломления смещен в диапазон длин волн λ = 1550 нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно G.653 оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн.

3. Одномодовое волокно со смещенной в область длин волн λ = 1550 нм ненулевой дисперсией (тип G.655). Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи информации на нескольких длинах волн в диапазоне около 1550 нм. Волокно G.655 разработано для волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов - DWDM-систем (при работе этих систем нулевая дисперсия может привести к возникновению нелинейных эффектов в ОВ).