Disperze v optických vláknech. Chromatická disperze. Základní parametry Chromatická disperze se skládá ze složek

Spolu s koeficientem útlumu optického vlákna je nejdůležitějším parametrem disperze, která určuje jeho kapacitu pro přenos informací.

Rozptyl – Jedná se o časovou ztrátu spektrálních a vidových složek optického signálu, což vede k prodloužení doby trvání pulzu optického záření při jeho šíření optickým vláknem.

Rozšíření pulzu je definováno jako kvadratický rozdíl v trvání pulzu na výstupu a vstupu optického vlákna podle vzorce:

a hodnoty i jsou brány na úrovni poloviny amplitudy pulzu (obrázek 2.8).

Obrázek 2.8

Obrázek 2.8 - Rozšíření pulzu v důsledku disperze

K disperzi dochází ze dvou důvodů: nekoherence zdrojů záření a existence velkého počtu módů. Rozptyl způsobený první příčinou se nazývá chromatický (frekvence). , skládá se ze dvou složek - materiálové a vlnovodné (intramodové) disperze. Materiálová disperze je dána závislostí indexu lomu na vlnové délce, vlnovodová disperze je spojena se závislostí koeficientu šíření na vlnové délce.

Rozptyl způsobený druhým důvodem se nazývá modální (intermodální).

Modusová disperze je charakteristický pouze pro vícevidová vlákna a je způsoben rozdílem v době průchodu módů podél optického vlákna od jeho vstupu k jeho výstupu. V OF se stupňovitým profilem indexu lomu rychlost šíření elektromagnetických vln o vlnové délce je stejná a rovna: , kde C je rychlost světla. V tomto případě se všechny paprsky dopadající na konec optického vlákna pod úhlem k ose v rámci aperturního úhlu šíří v jádru vlákna podél svých klikatých čar a při stejné rychlosti šíření dosáhnou přijímacího konce v různých časech, což vede k prodloužení doby trvání přijatého pulzu. Protože minimální doba šíření optického paprsku nastává, když dopadající paprsek je , a maximální je když , můžeme napsat:

kde L je délka světlovodu;

Index lomu jádra vlákna;

C je rychlost světla ve vakuu.

Potom se hodnota intermodové disperze rovná:

Vidová disperze gradientních optických vlákenřádově nebo více nižší než u stupňovitých vláken. Je to dáno tím, že vlivem poklesu indexu lomu od osy optického vlákna k plášti se mění rychlost šíření paprsků po jejich trajektorii. Takže na trajektoriích blízko osy je to méně a na trajektoriích vzdálených je to větší. Paprsky šířící se po nejkratších trajektoriích (blíže k ose) mají nižší rychlost a paprsky šířící se po delších trajektoriích mají rychlost vyšší. V důsledku toho se doba šíření paprsků vyrovná a prodloužení doby trvání pulzu se zmenší. U parabolického profilu indexu lomu, kdy exponent profilu q=2, je vidová disperze určena výrazem:

Vidová disperze gradientu OB je několikanásobně menší než disperze kroku OB při stejných hodnotách. A protože je obvyklé, vidový rozptyl uvedených OF se může lišit o dva řády.

Při výpočtech při určování vidové disperze je třeba mít na paměti, že do určité délky čáry, nazývané délka vidové vazby, nedochází k intermodální vazbě a poté dochází k procesu vzájemné konverze vidů a dochází k ustálenému stavu. Proto, když se disperze zvyšuje podle lineárního zákona, a pak, když - podle kvadratického zákona.

Výše uvedené vzorce tedy platí pouze pro délku. Pro délky čar použijte následující vzorce:

- pro stupňovitý světlovod

- pro gradientní světlovod,

kde je délka čáry;

Délka vazby módu (ustálený stav), rovna km pro stupňovité vlákno a km pro gradientové vlákno (stanoveno empiricky).

Disperze materiálu závisí na frekvenci (nebo vlnové délce) a materiálu OF, kterým je obvykle křemenné sklo. Disperze je určena elektromagnetickou interakcí vlny s vázanými elektrony materiálu média, který je zpravidla nelineární (rezonanční).

Výskyt disperze ve světlovodném materiálu i u jednovidových vláken je způsoben tím, že optický zdroj buzení vlákna (světelná dioda - LED nebo polovodičový laser PPL) generuje světelné záření se spojitým vlnovým spektrem určitou šířku (u LED je to přibližně nm, u multimodových PPL - nm , u jednovidových nm laserových diod). Různé spektrální složky světelného záření se šíří různou rychlostí a dostávají se do určitého bodu v různou dobu, což vede k rozšíření pulsu na přijímacím konci a za určitých podmínek ke zkreslení jeho tvaru. Index lomu se mění s vlnovou délkou (frekvencí), přičemž úroveň disperze závisí na rozsahu vlnových délek světla zavedeného do vlákna (většinou zdroj vyzařuje více vlnových délek) a také na centrální pracovní vlnové délce zdroje. V oblasti I je průhledné okno tam, kde se delší vlnové délky (850 nm) pohybují rychleji ve srovnání s kratšími vlnovými délkami (845 nm). V oblasti III průhledného okna se situace mění: kratší (1550 nm) se pohybují rychleji než delší (1560 nm). Obrázek 2.9

Obrázek 2.9 – Rychlosti šíření vlnové délky

Délka šipek odpovídá rychlosti vlnových délek, delší šipka odpovídá rychlejšímu pohybu.

V určitém bodě spektra se rychlosti shodují. Tato shoda se u čistého křemenného skla vyskytuje při vlnové délce nm, nazývané vlnová délka materiálu s nulovou disperzí, protože . Když je vlnová délka pod vlnovou délkou s nulovou disperzí, má parametr kladnou hodnotu, jinak má zápornou hodnotu. Obrázek 2.10

Disperzi materiálu lze určit pomocí specifické disperze pomocí výrazu:

.

Kvantitativní měrná disperze, , je určena experimentálně. S různým složením legujících nečistot v OM má různé hodnoty v závislosti na (tabulka 2.3).

Tabulka 2.3 – Typické hodnoty specifické disperze materiálu

Vlnovodná (vnitrorežimová) disperze – Tento termín označuje závislost zpoždění světelného impulsu na vlnové délce, spojenou se změnou rychlosti jeho šíření ve vláknu v důsledku vlnovodného charakteru šíření. Rozšíření pulzu v důsledku rozptylu vlnovodu je podobně úměrné šířce spektra zdroje záření a je definováno jako:

,

kde je specifická disperze vlnovodu, jejíž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.4:

Tabulka 2.4

– je způsobeno rozdílovým skupinovým zpožděním mezi paprsky s hlavními polarizačními stavy. Rozložení energie signálu v různých polarizačních stavech se v čase mění pomalu, například vlivem změn okolní teploty, anizotropie indexu lomu způsobené mechanickými silami.

V jednovidovém vláknu se nešíří jeden vid, jak se běžně věří, ale dvě kolmé polarizace (módy) původního signálu. V ideálním vláknu by se tyto módy šířily stejnou rychlostí, ale skutečná vlákna nemají ideální geometrii. Hlavní příčinou polarizační vidové disperze je nesoustřednost profilu jádra vlákna, ke které dochází během výrobního procesu vlákna a kabelu. V důsledku toho mají dvě kolmé polarizační složky různé rychlosti šíření, což vede k disperzi (obrázek 2.11)

Obrázek 2.11

Koeficient specifické polarizační disperze je normalizován na 1 km a má rozměr . Hodnota rozptylu polarizačního režimu se vypočítá pomocí vzorce:

Vzhledem k jeho malé hodnotě je nutné s ním počítat výhradně u jednovidového vlákna a při použití vysokorychlostního přenosu signálu (2,5 Gbit/s a vyšší) s velmi úzkým spektrálním pásmem záření 0,1 nm a méně. V tomto případě se chromatická disperze stává srovnatelnou s polarizační vidovou disperzí.

Specifický koeficient PMD typického vlákna je obvykle .

V současné době jednovidové vlákno zaujímá dominantní postavení v komunikační technologii z optických vláken. To je způsobeno skutečností, že na rozdíl od multimódového vlákna si jednovidové vlákno zachovává příčnou prostorovou koherenci světla a nedochází k žádné mezividové disperzi. Chromatická disperze omezuje rychlost a rozsah přenosu informací přes jednovidové vlákno pomocí jediného spektrálního kanálu.

Chromatická disperze je prodloužení doby trvání světelného pulsu při šíření podél vlákna, spojené s rozdílem skupinových rychlostí šíření spektrálních složek pulsu. Zdrojem světla ve vysokorychlostních FOTS jsou obvykle polovodičové lasery s poměrně úzkou, ale konečnou šířkou spektra záření.

V jednovidovém vláknu dochází ke chromatické disperzi v důsledku interakce dvou jevů – materiálové a vlnovodné disperze. Materiálová disperze vzniká nelineární závislostí indexu lomu křemene na vlnové délce a odpovídající skupinové rychlosti, přičemž příčinou rozptylu vlnovodu je závislost na vlnové délce vztahu skupinové rychlosti k průměru jádra a rozdílu indexu lomu křemene. jádro a plášť. Třetí složka rozptylu, tzv polarizační vidová disperze ( PMD ) druhý řád, nebo diferenciální skupinová disperze zpoždění, je určena polarizačními charakteristikami vlákna a má podobný účinek jako chromatická disperze. PMD druhého řádu nastavují krajní mez, do které lze kompenzovat chromatickou disperzi.

Šíření skupinových rychlostí, tzn. velikost rozšíření v důsledku chromatické disperze τ xp v lineární aproximaci je přímo úměrná délce vlákna L a šířce spektra Δλ světelného pulzu.

τхр=Dλ·L·Δλ ​​​​, (10.3.9)

kde D λ je koeficient chromatické disperze. Jedná se o malou změnu zpoždění světelného impulsu na úseku vlákna o jednotkové délce (1 km) s jednotkovou změnou vlnové délky (1 nm) nositele tohoto impulsu. Jednotkou měření je ps/(nm km). Jeho hodnota je určena jako derivace spektrální závislosti skupinového zpoždění τ d (λ):

Rychlost přenosu informací optického systému přes jeden komunikační kanál je maximální, pokud skupinové zpoždění nezávisí na vlnové délce, tzn. D X = 0. Vlnová délka λ 0 odpovídající této podmínce se nazývá vlnová délka s nulovou disperzí. Při této vlnové délce nabývá koeficient chromatické disperze nulové hodnoty. Jednotkou měření je nm.

V blízkosti bodu nulové disperze lze závislost koeficientu chromatické disperze na vlnové délce aproximovat lineární závislostí:

, (10.3.11)

kde S 0 je strmost spektrální závislosti koeficientu chromatické disperze (syope s nulovou disperzí) při vlnové délce nulové disperze, měřeno v ps/(nm 2 km).

· metoda měření fáze (technika fázového posunu);

· Interferometrická technika;

· Technika zpoždění pulzu.

Nejběžnější metodou pro měření disperze je fázová metoda a její variace, diferenciální fázová metoda. Tyto metody poskytují největší přesnost měření a snadnou implementaci [D3].

Podstata fázová metoda spočívá v porovnání fáze signálu přenášeného přes měřené vlákno s fází referenčního signálu. Získané hodnoty fázového posunu φ(γ) se vztahují ke skupinovým zpožděním podle vzorce:

τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)

Kde F– frekvence modulace signálu. Měření latence musí být provedeno na více vlnových délkách. Měření můžete implementovat několika způsoby:

· používat několik zdrojů záření s pevnou vlnovou délkou a širokopásmový fotodetektor;

· použít zdroj s laditelnou vlnovou délkou (laditelný laser nebo širokopásmový zdroj s voličem vlnové délky) a širokopásmový fotodetektor;

· používejte širokopásmové zdroje fotodetektoru s voličem vlnové délky.

V případě použití chromatického disperzního měřiče s laditelnou pracovní vlnovou délkou je nutné nastavit hranice spektrálního rozsahu a krok změny vlnové délky. Blokové schéma fázové metody měření chromatické disperze pomocí širokopásmového zdroje záření a fotodetektoru s voličem vlnové délky je na obrázku 10.19.

Signál z hlavního oscilátoru moduluje vyzařovací výkon zdroje. Modulované světelné záření procházející testovaným vláknem se používá jako měřený signál dodávaný do měřiče fáze. Stejný signál z referenčního oscilátoru, přiváděný do měřiče fáze přes jiný kanál, slouží jako referenční signál. Fázový měřič měří fázový posun mezi referenčním a měřeným signálem. Měření se opakují při každé ze zvolených vlnových délek. Ze získaných hodnot relativního fázového posunu se pomocí vzorce (10.3.12) vypočte hodnota relativního zpoždění pro všechny vlnové délky, na kterých byla měření provedena. Zpracování výsledků měření spočívá ve výběru funkční závislosti τ(γ), jejíž hodnoty se na měřených vlnových délkách nejvíce blíží naměřeným hodnotám.

Mezinárodní normy doporučují pro každý typ vlákna a spektrální rozsah měření volit funkční závislosti ve formě určitých polynomů, což jsou mocninné funkce vlnové délky γ s neznámými koeficienty. V procesu matematického zpracování měření se počítají hodnoty těchto koeficientů. Hojně se používají například tří- nebo pětičlenné Solmeyerovy funkce. Vývojem fázové metody je metoda diferenciálního fázového posunu, kdy se měří relativní fázové posuny a relativní zpoždění τ. 1 a τ 2 dva signály na sousedních vlnových délkách λ1 a λ10.

Hodnota disperze na vlnové délce λ 1 /2 , která se rovná polovině součtu vlnových délek λ 1 a λ 2, je určena lineární aproximací podle vzorce:

. (10.3.13)

Interferenční metoda je alternativou a je implementována podle strukturálního schématu s použitím Mach-Zehnderova interferometru a znázorněného na obrázku 10.20.

Záření ze širokopásmového zdroje po selektoru vlnové délky vstupuje do Mach-Zehnderova interferometru. Při lineárním pohybu konce vlákna, které je součástí referenčního ramene interferometru, je do referenčního kanálu zaveden známý rozdíl optických délek, jehož hodnota umožňuje vypočítat skupinové zpoždění světelného signálu v testované vlákno umístěné v měřicím rameni interferometru. Interferometrická metoda se používá k měření charakteristik krátkých délek vláken o délce několika metrů a používá se hlavně pro řízení procesu při výrobě vláken a součástí přenosových systémů.

Pulzní metoda pro měření chromatické disperze. Norma ITUT G650 dále upravuje metodu založenou na přímém měření zpoždění světelných pulsů o různých vlnových délkách při průchodu vláknem dané délky (time offlight). Při této metodě je možné měřit dobu zpoždění optických laserových pulsů při průchodu daným úsekem vlákna „tam a zpět“, tzn. při odrazu od vzdáleného konce vlákna. Přesnost měření CD u této metody je nižší než přesnost měření fázovou metodou z důvodu nižší přesnosti měření časových zpoždění. Uspořádání nastavení pro provádění měření zůstává téměř stejné jako při měření fázovou metodou. Místo fázového měřiče je při měření pulzní metodou nutné použít jiné zařízení, které umožňuje měřit relativní časové zpoždění dvou pulzů.

Protože přesnost pulzní metody je nepřímo úměrná době trvání použitých pulzů, je nutné, aby jejich doba trvání nebyla větší než 400 ps.

Zařízení pro měření chromatické disperze. Vzhledem k tomu, že měření chromatické disperze se provádí nejen na instalovaných linkách pro přesnou kompenzaci, ale také při výrobě a vývoji převodových, OB a OC komponentů a také pro vědecký výzkum, jsou na trhu přístroje v různých kategoriích určené k měření CD hodnoty. Jejich technické parametry se liší ve velmi širokém rozmezí. Porovnání tak velkého množství přístrojů je však nad rámec tohoto článku, proto se zde omezíme pouze na CD měřiče určené pro sledování optických spojů V současné době jsou na trhu nabízeny přístroje předních výrobců měřicí techniky. jako Acterna, Anritsu, EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer a běloruský podnik IIT (Institut informačních technologií). Srovnávací charakteristiky zařízení jsou uvedeny v tabulce v příloze 7. Zařízení uvedená v tabulce lze rozdělit na polní a stacionární. Kategorie pole zahrnovala relativně malá zařízení, která mají autonomní napájení spolu s napájením ze sítě. Měření chromatické disperze založené na přímém měření zpoždění šíření krátkých světelných pulzů různých pevných vlnových délek (metoda měření pulzů) je prezentováno v zařízení ν-CD1 od švýcarské firmy Luciol. Stálost vlnové délky zdrojů záření zajišťují Braggovy mřížky, které plní roli úzkopásmového (0,1 nm) optického filtru zářiče. Počet zdrojů může být libovolný. Chyba měření času je 5 ps. Pro dosažení vysoké citlivosti (až 42 dB) využívá zařízení technologii počítání fotonů s registrací signálu na úrovni 100 dBm. Jediným tuzemským výrobcem měřidel chromatické disperze je společnost IIT (Institut informačních technologií, Bělorusko). Přístroje společnosti ID21 (pro kabelovny a zkušebny) a ID22 (pro měření instalovaných vedení) využívají fázovou metodu se 7 zdroji záření pro měření fázového rozdílu sinusově modulovaného signálu na pevných vlnových délkách. Současně bylo realizováno technické řešení využívající lavinové fotodiody jako směšovače vysokofrekvenčních signálů, které umožňuje použít nízkofrekvenční optický přijímač pro záznam signálu fázového rozdílu referenčního a signálového kanálu a výrazně zvýšit odstup signálu od šumu. Následné digitální zpracování signálu pomocí Fourierovy transformace umožňuje minimalizovat zkreslení signálu v přijímací části zařízení. Zařízení ID21 a ID22 mají vysoké technické vlastnosti (velký dynamický rozsah, vysoká rychlost měření, baterie, nízká hmotnost) a ve srovnání se zahraničními analogy jsou cenově příznivě nízké.

Mezi typické zástupce polních přístrojů pro měření CD patří optické reflektometry Anritsu (MW9076D1) a Acterna (MTS5000e), dále univerzální měřicí platformy CMA5000 od Nettest a FTB400 s modulem FTB5800 od EXFO. Obzvláště zajímavé pro telekomunikační operátory jsou polní zařízení postavená na modulární bázi, tzv. přenosné modulární měřicí platformy. Princip konstrukce takových platforem je založen na použití přenosného průmyslového počítače a vyměnitelných jednotek, které provádějí širokou škálu měření, jako je reflektometrie, měření vložného útlumu a zpětného útlumu, spektrální měření v systémech WDM, měření PMD a CD atd. . Ideologii budování polních zařízení na modulární bázi poprvé představila společnost EXFO v roce 1996 (FTB300); V současné době existuje stálá tendence stavět zařízení na tomto principu. Přístroje od Anritsu (MW9076D1), Acterna (MTS5000 s modulem 5083 CD) a Nettest (CMA5000 OTDR/CD) umožňují stanovení chromatické disperze pomocí laserového záření na 4 pevných vlnových délkách: 1310, 1450, 1550 a 1625 nm, pomocí metody měření časové intervaly světelných pulzů procházejících vláknem. Nepochybnou výhodou těchto přístrojů je jejich nízká hmotnost, vysoká rychlost měření a doplňková možnost měření reflektogramů. Mezi nevýhody patří o něco nižší přesnost měření disperze, spojená nejen s použitím pouze 4 pevných zdrojů záření, ale také s nižší přesností určování časových zpoždění pulzní metodou oproti metodě fázové, zejména v krátkých úsecích vláken ( několik km). Princip měření je založen na metodě měření fázového posunu při ladění vlnové délky emitujícího laseru. Polní přístroj EXFO také používá metodu pro měření fázového posunu signálu pomocí filtrované složky širokopásmového vyzařování LED jako referenční vlnové délky. Toto řešení poskytuje proces měření pomocí módního vlákna bez zpětné vazby ze zdroje záření pro spektrální odkazování na výsledky měření. Výsledkem je možnost měření dlouhých vláken s jednosměrnými prvky, jako jsou izolátory a zesilovače (až 30 zesilovačů). Zejména bylo hlášeno úspěšné měření 500kilometrového komunikačního spojení s osmi zesilovači EDFA. Všimněte si, že několik společností v současné době nabízí přístroje navržené na modulární bázi, což umožňuje kombinovaná měření CD a PMD na jedné platformě v terénu (viz tabulka). S touto konfigurací je možné provádět celý rozsah měření rozptylových parametrů optických spojů v terénu pomocí jednoho přenosného zařízení. Závěrem lze konstatovat, že v moderních telekomunikačních systémech se měření a kompenzace chromatické disperze stává stále naléhavějším úkolem. Velký výběr přístrojů na trhu měřicí techniky nám umožňuje úspěšně řešit tento zdánlivě nelehký úkol. Je třeba poznamenat, že všichni hlavní výrobci měřicích zařízení uvedení výše jsou v Rusku zastoupeni buď přímo, nebo prostřednictvím ruských společností prodávajících na základě distribučních dohod.

2.1.Příčiny a druhy disperze

Hlavním důvodem vzniku disperze ve vláknu je nekoherence zdroje záření (laseru). Ideální zdroj vyzařuje veškerý výkon na dané vlnové délce λ 0 , ale ve skutečnosti se záření vyskytuje ve spektru λ 0 ± Δλ (obr. 2.1), protože ne všechny excitované elektrony se vrátí do stejného stavu, ze kterého byly při čerpání odstraněny.

Obr.2.1. Skutečné laserové záření

Index lomu je frekvenčně závislá veličina, tj. n je funkcí λ: n = f (λ), viz obr. 2.2.

Obr.2.2. Závislost indexu lomu na vlnové délce

V důsledku toho, když se šíří signál sestávající ze směsi vlnových délek λ 0 ± Δλ, části signálu se pohybují různými rychlostmi a dochází k disperzi:

λ ± Δλ → n ± Δn → c /(n ± Δn) → v ± Δv → Δτ.

Tento typ disperze se nazývá disperze materiálu.

Konstanta šíření příčné vlny (podél poloměru vlákna) závisí také na vlnové délce, to znamená, že oblast módu a plocha té části pláště, která je zachycena oblastí módu přesahující hranice jádra, závisí na vlnová délka. Světlo se šíří podél části obalu ohraničující jádro vyšší rychlostí než podél jádra, což přispívá ke změně rozptylu. Tato disperze se nazývá vlnovodná disperze. Obě tyto disperze, materiál i vlnovod, se souhrnně nazývají chromatická disperze. Sčítají se aritmeticky. Obrázek 2.3 ukazuje závislosti materiálu a disperze vlnovodu a jejich součet na vlnové délce. Pro standardní jednovidové vlákno při λ = 1300 nm jsou tyto disperze stejné a opačného znaménka a celková disperze je nulová.

Obr.2.3. Závislost na vlnové délce materiálu a rozptylu vlnovodu ve standardním jednovidovém vláknu (nm)

V multimodovém vláknu existuje kromě chromatické disperze také intermode disperze. Pokud existuje více režimů, pak se každý šíří po vláknu svou vlastní rychlostí, která se od sebe může výrazně lišit. Obrázek 2.4 ukazuje grafy fázových rychlostí některých režimů.

Rýže. 2.4. Graf fázových rychlostí některých režimů jako funkce frekvence.

Pokud se změní parametry vlákna, například se náhodně změní průměr jádra, dojde k ladění režimu a režimy si vymění energii. Intermodová disperze je řádově větší než chromatická disperze, což byl důvod pro vývoj jednovidových kabelů, ve kterých není intermodová disperze. Tabulka 2.1 ukazuje přibližný poměr hodnot typů disperze pro různé typy vláken.

Tabulka 2.1. Vztah mezi různými typy rozptylu

Celková disperze je definována jako druhá odmocnina součtu druhých mocnin chromatické a vidové disperze:

(2.1)

Materiálové a vlnovodné disperze se vypočítají pomocí vzorců

τ mat = ∆λ∙ М(λ)∙ L (2,2),

τвв = ∆λ∙ В(λ)∙ L (2,3),

kde ∆λ je šířka pásma laserového záření, nm;

М(λ) a В(λ) – specifické disperze materiálu a vlnovodu, ps/(nm km);

L – délka tratě, km.

Hodnoty M(λ) a B(λ) jsou uvedeny v referenčních knihách.

τ Σ = [τ mm 2 + (τ mat + τ vv) 2 ] 1/2

Tabulka možností 2.1. Přibližné hodnoty disperze pro různé typy vláken

2.2. Polarizační vidová disperze (PMD)

Světlo představuje vibrace příčné ke směru šíření světla (obr. 2.5). Pokud konec vektoru pole popisuje přímku, pak se taková polarizace nazývá lineární, pokud je to kruh nebo elipsa, pak se nazývá kruhová nebo eliptická. Většina lidí, až na vzácné výjimky, polarizaci světla necítí, jen málokdo (např. Lev Tolstoj) jasně rozlišuje mezi polarizovaným a nepolarizovaným světlem. Konvenční integrovaný světelný detektor (dioda) také reaguje pouze na intenzitu vlny, nikoli na její polarizaci. Některá optická zařízení, jako jsou určité typy zesilovačů, však mají zisk závislý na polarizaci.

Rýže. 2.5. Typy lineární polarizace

Polarizace vektoru má navíc velký význam v procesech odrazu a lomu, jelikož Fresnelovy koeficienty, které charakterizují amplitudy odražené a lomené vlny, obecně závisí na směru polarizačního vektoru (obr. 2.6). . Obrázek 2.6 ukazuje, jak se směs paprsků paralelní (čárkovaná) a kolmá (tečka) polarizace odráží vzhledem k rovině šíření při průchodu horizontální rovinou rozhraní. Z obrázku je vidět, že pod určitým úhlem (Brewsterův úhel) mají všechny odražené vlny kolmou polarizaci a lomené vlny mají polarizaci paralelní.

Rýže. 2.6. Odraz vln různé polarizace.

V klasickém jednovidovém vláknu je jediným režimem HE vlna 11. Pokud se však vezme v úvahu polarizace, pak vlákno obsahuje dva vzájemně ortogonální módy odpovídající horizontální a vertikální ose x a y. V reálné situaci není vlákno vždy v příčném řezu dokonalým kruhem, ale často je to kvůli určitým vlastnostem technologie malá elipsa. Navíc při navíjení kabelu a při jeho pokládání dochází k asymetrickým mechanickým namáháním a deformacím vlákna, což vede k dvojlomu. Index lomu se bude měnit v důsledku dodatečného napětí a rychlosti šíření ortogonálních vidů v různých oblastech se budou navzájem lišit, což způsobí různá časová zpoždění v šíření ortogonálních vidů. Puls jako celek zaznamená v průběhu času statistické rozšíření, které se nazývá polarizační vidová disperze (PMD). Vzhledem k tomu, že PMD v různých úsecích čáry je různé a dodržuje statistické zákony, obvykle se používá součet odmocnina a PMD se vypočítá pomocí vzorce

Informace na optickém vláknu jsou přenášeny ve formě krátkých optických impulsů. Energie pulzu je rozdělena mezi všechny řízené režimy. Rychlosti všech vidů podél jejich trajektorie v krocích OF jsou stejné. Doba, za kterou urazí 1 km OB, se však bude lišit. Na výstupu optického vlákna se sčítají pulsy jednotlivých módů přicházející v různých časech a tvoří tak širší optický puls oproti vstupu (obr. 2.1).

Rýže. 2.1. Trajektorie meridionálních paprsků v optických vláknech se stupňovitým profilem indexu lomu.

Jev rozšiřování pulsů v multimódovém OF se nazývá intermode disperze, která je charakterizována hodnotou D m, měřenou v ns/km. Pokud je známa hodnota disperze, pak je rozšíření pulzu Δt v optickém vláknu délky L v první aproximaci určeno výrazem:

Horní odhad velikosti intermodové disperze: nejmenší trajektorii a nejkratší dobu šíření t min má paprsek šířící se podél osy OF.

Nejdelší dráhu a nejdelší dobu šíření tmax má paprsek šířící se podél optického vlákna, odrážející se od rozhraní mezi jádrem a obalem pod úhlem úplného vnitřního odrazu.

Pak . (2.4)

Rozptyl omezuje rychlost přenosu informací přes optické vlákno.

Rýže. 2.2. Závislost intermodové disperze na relativním rozdílu indexů lomu jádra a pláště.

Hodnota intermodální disperze [ns/km] je spojena s koncepcí širokopásmového vlákna nebo specifické šířky pásma B[MHz km]

Širokopásmová hodnota pro stupňovitá multimode křemenná vlákna je omezena na 20-50 MHz km.

Pro gradientní multimode vlákna je šířka pásma v rozsahu 200 – 2000 MHz km.

Radikální způsob, jak snížit rozptyl, je přejít z vícerežimového přenosu na jednorežimový přenos.

Poprvé bylo dosaženo jednovidového přenosu ve vláknu se stupňovitým indexem snížením poloměru jádra na 5 µm. Taková vlákna se nazývají standardní jednovidová vlákna.

Důležitým standardizovaným parametrem pro jednovidová vlákna je průměr w nebo poloměr r n m vidového bodu (pole), který charakterizuje ztráty při přivedení světla do vlákna a používá se pro výpočty místo poloměru nebo průměru jádra; jeho hodnota závisí na typu vlákna a provozní vlnové délce a leží v rozmezí 8 až 10 mikronů (ve skutečnosti je o 10-12 % větší než průměr jádra).

Pro jednorežimové OFF lze rozložení intenzity pole režimu aproximovat pomocí Gaussovy křivky:

Rýže. 2.3. Určení průměru modového pole.

Na Obr. 2.4. ukazuje vypočítané rozložení pole režimu pro standardní vlákno na vlnových délkách běžně používaných pro komunikaci.

Rýže. 2.4. Distribuce pole základního režimu ve standardním vláknu.

Protože rychlost šíření světla v optickém vláknu závisí na vlnové délce záření λ, šíří se různé spektrální složky signálu různou rychlostí.

Rýže. 2.5. Emisní spektrum zdroje.

Chromatická disperze se skládá ze dvou složek: materiálu a vlnovodu:

Jako fyzikální veličina se měří v ps / (nm km) a znamená rozšíření pulsu v 1 km dlouhém vláknu o šířce spektra signálu 1 nm (s přihlédnutím k přenosové rychlosti a spektrální šířce záření). zdroj).

Materiálová disperze je dána závislostí indexu lomu křemene n (fáze i skupiny) nebo rychlosti šíření světla v křemeni na vlnové délce (obr. 1.10) a je úměrná druhé derivaci indexu lomu vzhledem na vlnovou délku:

Rýže. 2.6. Vznik rozptylu materiálu.

Na Obr. Obrázek 2.7 ukazuje závislost disperze materiálu na vlnové délce. Je vidět, že disperze materiálu má znaménko a při vlnové délce nulové disperze materiálu λ = λ 0 prochází mat 0.

Disperze vlnovodu D in nesouvisí s vlastnostmi materiálu, ale závisí na konstrukci a rozměrech vlnovodu. Jeho vzhled je dán tím, že vlna v jednovidovém OF se šíří částečně v jádru, částečně v plášti a její index lomu má průměrnou hodnotu mezi indexy lomu jádra a pláště. Se změnou vlnové délky se mění hloubka průniku pole do křemenného obalu a následně se mění i průměrná hodnota indexu lomu.

Rýže. 2.7. Chromatická disperze ve standardním jednoduchém režimu
vlákno

Rýže. 2.8. Vznik vlnovodné disperze.

Disperze vlnovodu je negativní a klesá s rostoucí λ. To umožňuje změnou velikosti a konstrukce OB řídit závislost D in a následně i závislost Dxr na λ.

Existuje vlnová délka, při které jsou disperze materiálu a vlnovodu stejné velikosti a mají opačná znaménka, to znamená, že chromatická disperze je nulová. Tato vlnová délka se nazývá vlnová délka s nulovou chromatickou disperzí nebo jednoduše vlnová délka s nulovou disperzí λ 0 D.

Ve většině jednovidových OF je umístění os nejvyšší a nejnižší rychlosti náhodné a expanze pulsu procházejícího OF se zvyšuje s rostoucí délkou L úměrně druhé odmocnině délky OF:

kde Dp je disperze v polarizačním módu.

U většiny jednovidových OF leží hodnota rozptylu polarizačního módu v rozmezí 0,02 – 0,2 ps/km 0,5.

Disperze optického vlákna je časový rozptyl složek optického signálu. Důvodem disperze jsou různé rychlosti šíření složek optického signálu.

Disperze se projevuje jako prodloužení doby trvání (rozšíření) optických pulzů při šíření v optickém vláknu. Prodlužování trvání optických pulsů způsobuje mezisymbolové rušení – vytváří přechodné rušení, které zhoršuje odstup signálu od šumu a v důsledku vede k chybám příjmu. Je zřejmé, že intersymbolová interference se zvyšuje s rozšiřováním optických pulzů. Pro pevnou hodnotu rozšíření pulzu se intersymbolová interference zvyšuje s klesající periodou opakování pulzu. T. Rozptyl tedy omezuje rychlost přenosu informací v lince B = 1/T a délka regeneračního úseku (RU).

V optických vláknech lze rozlišit několik typů disperze: vidovou disperzi, polarizační vidovou disperzi a chromatickou disperzi.

V multimódovém OF převládá mezirežimová disperze způsobená přítomností velkého počtu vidů s různou dobou šíření.

výrazně převyšuje ostatní typy disperze, proto je šířka pásma takových optických vláken určena především vidovou disperzí. Zvětšení šířky pásma vícevidových optických vláken je dosaženo prostřednictvím profilu gradientu indexu lomu, ve kterém index lomu v jádře plynule klesá od osy optického vlákna k plášti. S takovým gradientním profilem je rychlost šíření paprsku v blízkosti osy vlákna menší než v oblasti sousedící s pláštěm. V důsledku toho se s rostoucí délkou trajektorie vedených paprsků na segmentu vlákna zvyšuje jejich rychlost šíření podél trajektorie. Čím delší dráha, tím větší rychlost. Tím je zajištěno vyrovnání doby šíření paprsku a tím i snížení vidové disperze. Optimálním profilem z hlediska minimalizace vidové disperze je parabolický profil.

Šířka pásma vícevidových vláken je charakterizována faktorem šířky pásma DF, MHz. km, jehož hodnota je uvedena v pasových datech OF na vlnových délkách odpovídajících prvnímu a druhému průhlednému oknu. Šířka pásma pro typická multimódová optická vlákna je 400...2000 MHz. km.

Multimode optická vlákna se používají v místních sítích, datových centrech a dálkových privátních sítích. Nepoužívá se u systémů spektrálního těsnění.

V jednovidových OF se šíří pouze jeden základní vid a neexistuje žádná vidová disperze.

Hlavním faktorem omezujícím délku regeneračních úseků vysokorychlostní vláknové optiky je chromatická disperze. Doporučení Mezinárodní telekomunikační unie ITU-T G.650 poskytují následující definici: chromatická disperze (CD) je rozšíření světelného pulzu v optickém vláknu způsobené rozdílem skupinových rychlostí různých vlnových délek, které tvoří spektrum optický informační signál. Doba trvání optického impulsu na výstupu prodlouženého optického vlákna je určena relativním skupinovým zpožděním nejpomalejší spektrální složky vzhledem k nejrychlejší. Vliv CD je tedy úměrný šířce spektra zdroje záření. Se zvyšující se délkou přenosové linky a rychlostí přenosu informace se zvyšuje vliv chromatické disperze.

K CD přispívají následující složky: materiál a rozptyl vlnovodu. Důležitou optickou charakteristikou skla používaného při výrobě vlákna je disperze indexu lomu, která se projevuje jako závislost rychlosti šíření signálu na vlnové délce - disperzi materiálu. Navíc při výrobě jednovidového vlákna, když se křemenné vlákno vytahuje ze skleněného předlisku, dochází v různé míře k odchylkám v geometrii vlákna a v radiálním profilu indexu lomu. Samotná geometrie vlákna spolu s odchylkami od ideálního profilu také významně přispívá k závislosti rychlosti šíření signálu na vlnové délce, jedná se o vlnovodnou disperzi.

Chromatická disperze je určena společným působením materiálu D M ( l) a vlnovodné disperze DB ( l)

D(l)=D M(l)+D B(l)

Disperze materiálu je určena disperzními vlastnostmi materiálu - křemen,

D M= - l ¶ 2n .C¶ l 2

Disperze vlnovodu D B ( l) je způsobena skupinovou závislostí

rychlost šíření v závislosti na vlnové délce je primárně určena profilem indexu lomu jádra vlákna a vnitřního pláště.

Poměrně často se pro odhad rozptylu vlnovodu používá následující vztah:

Kde PROTI– normalizovaná frekvence; b je normalizovaná konstanta šíření, která souvisí s b s následujícím poměrem:

nazývaný normalizovaný parametr rozptylu vlnovodu.

Rýže. 3.13. Spektrum chromatické disperze standardního stupňovitého vlákna

Kvantitativně se chromatická disperze OM posuzuje koeficientem D s rozměrem ps/(nm. km).

pikosekundy (ps) na úseku délky L km, rovný

s=D× L×D l

Kde Dl- pásmo vlnových délek zdroje optického záření, nm.

Hlavní parametry chromatické disperze jsou:

1. Vlnová délka s nulovou disperzí l 0, nm. Na této vlnové délce

materiál a složky vlnovodu se vzájemně kompenzují a chromatická disperze se stává nulovou.

2. Koeficient chromatické disperze, ps/(nm×km). Tento parametr určuje rozšíření optického pulzu šířícího se na vzdálenost 1 km se šířkou spektra zdroje 1 nm.

3. Sklon rozptylové charakteristiky S 0 je definována jako tečna

k disperzní křivce na vlnové délce l 0 (viz obr. 3.13). Podobně může

být určen sklon S v libovolném bodě spektra.