Dispersia în fibre optice. Dispersia cromatică. Parametri de bază Dispersia cromatică este formată din componente
Alături de coeficientul de atenuare al fibrei optice, cel mai important parametru este dispersia, care determină capacitatea acesteia de a transmite informații.
Varianta - Aceasta este împrăștierea în timp a componentelor spectrale și de mod ale semnalului optic, ceea ce duce la o creștere a duratei impulsului de radiație optică pe măsură ce acesta se propagă prin fibra optică.
Lărgirea impulsului este definită ca diferența pătratică a duratei impulsului la ieșirea și intrarea fibrei optice, conform formulei:
iar valorile lui i sunt luate la nivelul jumătate din amplitudinea pulsului (Figura 2.8).
Figura 2.8
Figura 2.8 - Lărgirea pulsului datorită dispersiei
Dispersia apare din două motive: incoerența surselor de radiații și existența unui număr mare de moduri. Dispersia cauzată de prima cauză se numește cromatică (frecvență) , este alcătuit din două componente - dispersii de material și ghid de undă (intra-mod). Dispersia materialului se datorează dependenței indicelui de refracție de lungimea de undă, dispersia ghidului de undă este asociată cu dependența coeficientului de propagare de lungimea de undă.
Dispersia cauzată de al doilea motiv se numește modal (intermod).
Dispersia modului este caracteristică numai fibrelor multimodale și se datorează diferenței de timp de călătorie a modurilor de-a lungul fibrei optice de la intrare la ieșire. ÎN OF cu un profil de indice de refracție în trepte viteza de propagare a undelor electromagnetice cu lungimea de undă este aceeași și egală cu: , unde C este viteza luminii. În acest caz, toate razele incidente la capătul fibrei optice la un unghi față de axa din unghiul de deschidere se propagă în miezul fibrei de-a lungul liniilor lor în zig-zag și, cu aceeași viteză de propagare, ajung la capătul receptor în momente diferite, ceea ce duce la o creştere a duratei pulsului primit. Deoarece timpul minim de propagare al unui fascicul optic are loc atunci când fasciculul incident este , iar maximul este atunci când , putem scrie:
unde L este lungimea ghidajului de lumină;
Indicele de refracție al miezului fibrei;
C este viteza luminii în vid.
Atunci valoarea dispersiei intermodale este egală cu:
Modul de dispersie a fibrelor optice gradient un ordin de mărime sau mai mic decât cel al fibrelor în trepte. Acest lucru se datorează faptului că, din cauza scăderii indicelui de refracție de la axa fibrei optice la înveliș, viteza de propagare a razelor de-a lungul traiectoriei lor se modifică. Deci, pe traiectorii apropiate de axă este mai mică, iar pe traiectorii îndepărtate este mai mare. Razele care se propagă de-a lungul celor mai scurte traiectorii (mai aproape de axă) au o viteză mai mică, iar razele care se propagă pe traiectorii mai lungi au o viteză mai mare. Ca urmare, timpul de propagare a razelor este uniformizat, iar creșterea duratei pulsului devine mai mică. Cu un profil de indice de refracție parabolic, când exponentul profilului q=2, dispersia modului este determinată de expresia:
Dispersia de mod a gradientului OB este de câteva ori mai mică decât cea a pasului OB la aceleași valori. Și, deoarece este obișnuit, dispersia de mod a OF-urilor indicate poate diferi cu două ordine de mărime.
În calculele atunci când se determină dispersia modului, trebuie avut în vedere că până la o anumită lungime a liniei, numită lungimea de cuplare a modului, nu există o cuplare intermodală, iar apoi la un proces de conversie reciprocă a modurilor are loc și are loc o stare de echilibru. Prin urmare, atunci când dispersia crește conform unei legi liniare și apoi, când - conform unei legi pătratice.
Astfel, formulele de mai sus sunt valabile doar pentru lungime. Pentru lungimi de linii, utilizați următoarele formule:
- pentru ghidaj luminos treptat
- pentru ghidaj de lumină în gradient,
unde este lungimea liniei;
Lungimea de cuplare a modului (în stare staționară), egală cu km pentru fibra în trepte și km pentru fibra cu gradient (stabilită empiric).
Dispersia materialului depinde de frecvență (sau lungime de undă) și de materialul OF, care este de obicei sticlă de cuarț. Dispersia este determinată de interacțiunea electromagnetică a undei cu electronii legați ai materialului mediu, care, de regulă, este de natură neliniară (rezonantă).
Apariția dispersiei în materialul de ghidare a luminii, chiar și pentru fibrele monomode, se datorează faptului că sursa optică care excită fibra (diodă emițătoare de lumină - LED sau laser semiconductor PPL) generează radiații luminoase având un spectru de undă continuu de o anumită lățime (pentru LED-uri aceasta este de aproximativ nm, pentru PPL-uri multimode - nm , pentru diode laser cu un singur mod). Diferitele componente spectrale ale radiației luminoase se propagă la viteze diferite și ajung la un anumit punct în momente diferite, ceea ce duce la lărgirea pulsului la capătul de recepție și, în anumite condiții, la distorsiunea formei acestuia. Indicele de refracție variază în funcție de lungimea de undă (frecvența), cu nivelul de dispersie depinzând de gama de lungimi de undă ale luminii introduse în fibră (de obicei sursa emite lungimi de undă multiple), precum și de lungimea de undă centrală de funcționare a sursei. În regiunea I, fereastra de transparență este acolo unde lungimile de undă mai lungi (850 nm) se mișcă mai repede în comparație cu lungimile de undă mai scurte (845 nm). În regiunea III a ferestrei de transparență, situația se schimbă: cele mai scurte (1550 nm) se mișcă mai repede în comparație cu cele mai lungi (1560 nm). Figura 2.9
Figura 2.9 – Vitezele de propagare a lungimii de undă
Lungimea săgeților corespunde vitezei lungimilor de undă, cu o săgeată mai lungă corespunzând mișcării mai rapide.
La un moment dat din spectru, vitezele coincid. Această coincidență pentru sticla de cuarț pur are loc la o lungime de undă de nm, numită lungime de undă cu dispersie zero a materialului, deoarece . Când lungimea de undă este sub lungimea de undă de dispersie zero, parametrul are o valoare pozitivă, în caz contrar, are o valoare negativă. Figura 2.10
Dispersia materialului poate fi determinată prin dispersie specifică folosind expresia:
.
Dispersia cantitativă specifică, , se determină experimental. Pentru diferite compoziții de impurități de aliere din OM, are valori diferite în funcție de (Tabelul 2.3).
Tabel 2.3 – Valori tipice ale dispersiei materialelor specifice
Dispersia ghidului de undă (intra-mod) – Acest termen denotă dependența întârzierii unui impuls de lumină de lungimea de undă, asociată cu o modificare a vitezei de propagare a acestuia în fibră datorită naturii ghidului de undă a propagării. Lărgirea pulsului datorată dispersiei ghidului de undă este proporțională în mod similar cu lățimea spectrului de radiații sursei și este definită ca:
,
unde este dispersia specifică a ghidului de undă, ale cărei valori sunt prezentate în tabelul 2.4:
Tabelul 2.4
– se datorează întârzierii grupului diferenţial dintre fasciculele cu stările principale de polarizare. Distribuția energiei semnalului pe diferite stări de polarizare se modifică lent în timp, de exemplu din cauza modificărilor temperaturii ambiante, a anizotropiei indicelui de refracție cauzată de forțele mecanice.
Într-o fibră cu un singur mod, nu se propagă un mod, așa cum se crede în mod obișnuit, ci două polarizări (moduri) perpendiculare ale semnalului original. Într-o fibră ideală, aceste moduri s-ar propaga cu aceeași viteză, dar fibrele reale nu au o geometrie ideală. Cauza principală a dispersării modului de polarizare este neconcentricitatea profilului de miez al fibrei, care are loc în timpul procesului de fabricație a fibrei și cablului. Ca rezultat, două componente de polarizare perpendiculară au viteze de propagare diferite, ceea ce duce la dispersie (Figura 2.11)
Figura 2.11
Coeficientul de dispersie în modul de polarizare specifică este normalizat la 1 km și are dimensiunea . Valoarea dispersiei în modul de polarizare este calculată folosind formula:
Datorită valorii sale mici, trebuie luată în considerare exclusiv în fibra monomodală, iar atunci când se utilizează transmisie de semnal de mare viteză (2,5 Gbit/s și mai mare) cu o bandă spectrală foarte îngustă de radiație de 0,1 nm sau mai puțin. În acest caz, dispersia cromatică devine comparabilă cu dispersia în modul de polarizare.
Coeficientul PMD specific al unei fibre tipice este de obicei 
.
În prezent, fibra monomod ocupă o poziție dominantă în tehnologia de comunicație prin fibră optică. Acest lucru se datorează faptului că, spre deosebire de fibra multimodală, fibra monomode menține coerența spațială transversală a luminii și nu există dispersie intermodală. Dispersia cromatică limitează viteza și intervalul de transmitere a informațiilor prin fibră monomodă folosind un singur canal spectral.
Dispersia cromatică este o lărgire a duratei unui impuls de lumină atunci când se propagă de-a lungul unei fibre, asociată cu diferența în vitezele grupului de propagare a componentelor spectrale ale impulsului. Sursa de lumină în FOTS de mare viteză este de obicei lasere semiconductoare cu o lățime destul de îngustă, dar finită a spectrului de radiații.
În fibra monomodală, dispersia cromatică are loc datorită interacțiunii a două fenomene - dispersia materialului și a ghidului de undă. Dispersia materialului apare din dependența neliniară a indicelui de refracție al cuarțului de lungimea de undă și de viteza grupului corespunzătoare, în timp ce cauza dispersării ghidului de undă este dependența de lungime de undă a relației dintre viteza grupului și diametrul miezului și diferența de indice de refracție a miezul și placarea. A treia componentă a varianței, așa-numita dispersia modului de polarizare ( PMD ) Dispersia de ordinul doi sau întârzierea grupului diferenţial, este determinată de caracteristicile de polarizare ale fibrei şi are un efect similar cu cel al dispersiei cromatice. PMD-urile de ordinul doi stabilesc limita extremă la care dispersia cromatică poate fi compensată.
Răspândirea vitezelor de grup, de ex. mărimea lărgirii datorată dispersiei cromatice τ xp într-o aproximare liniară este direct proporțională cu lungimea fibrei L și cu lățimea spectrului Δλ a impulsului luminos.
τхр=Dλ·L·Δλ , (10.3.9)
unde D λ este coeficientul de dispersie cromatică. Aceasta este o mică modificare a întârzierii unui impuls de lumină pe o secțiune de fibră cu o unitate de lungime (1 km) cu o modificare unitară a lungimii de undă (1 nm) a purtătorului acestui impuls. Unitatea de măsură este ps/(nm km). Valoarea sa este determinată ca derivată a dependenței spectrale a întârzierii grupului τ d (λ):
Viteza de transmitere a informațiilor a unui sistem de fibră optică pe un canal de comunicație este maximă dacă întârzierea grupului nu depinde de lungimea de undă, adică D λ =0. Se numește lungimea de undă λ 0 corespunzătoare acestei condiții lungime de undă cu dispersie zero. La această lungime de undă, coeficientul de dispersie cromatică capătă o valoare zero. Unitatea de măsură este nm.
Aproape de punctul de dispersie zero, dependența coeficientului de dispersie cromatică de lungimea de undă poate fi aproximată printr-o dependență liniară:
, (10.3.11)
unde S 0 este panta dependenței spectrale a coeficientului de dispersie cromatică (siope cu dispersie zero) la lungimea de undă cu dispersie zero, măsurată în ps/(nm 2 km).
· metoda de măsurare a fazei (tehnica deplasării de fază);
· Tehnica interferometrică;
· Tehnica de întârziere a pulsului.
Cea mai comună metodă de măsurare a dispersiei este metoda fază și variația acesteia, metoda fază diferențială. Aceste metode oferă cea mai mare acuratețe de măsurare și ușurință de implementare [D3].
Esență metoda fazelor consta in compararea fazei semnalului transmis prin fibra masurata cu faza semnalului de referinta. Valorile de defazare obținute φ(γ) sunt legate de întârzierile de grup prin formula:
τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)
Unde f– frecvența de modulare a semnalului. Măsurătorile de latență trebuie făcute la mai multe lungimi de undă. Puteți implementa măsurători în mai multe moduri:
· utilizați mai multe surse de radiații cu lungimi de undă fixe și un fotodetector de bandă largă;
· utilizați o sursă cu o lungime de undă reglabilă (un laser reglabil sau o sursă de bandă largă cu un selector de lungime de undă) și un fotodetector de bandă largă;
· utilizați surse fotodetectoare în bandă largă cu un selector de lungime de undă.
În cazul utilizării unui contor de dispersie cromatică cu o lungime de undă de operare reglabilă, este necesar să se stabilească limitele intervalului spectral și pasul de modificare a lungimii de undă. Schema bloc a metodei de fază pentru măsurarea dispersiei cromatice utilizând o sursă de radiație în bandă largă și un fotodetector cu selector de lungime de undă este prezentată în Figura 10.19.
Semnalul de la oscilatorul principal modulează puterea de radiație a sursei. Radiația luminoasă modulată transmisă prin fibra supusă testului este utilizată ca semnal măsurat furnizat contorului de fază. Același semnal de la oscilatorul de referință, furnizat contorului de fază printr-un alt canal, servește ca semnal de referință. Contorul de fază măsoară defazajul dintre semnalul de referință și semnalul măsurat. Măsurătorile sunt repetate la fiecare dintre lungimile de undă selectate. Din valorile obținute ale defazajului relativ, valoarea întârzierii relative este calculată folosind formula (10.3.12) pentru toate lungimile de undă la care au fost efectuate măsurătorile. Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor presupune selectarea dependenței funcționale τ(γ), ale cărei valori la lungimile de undă măsurate sunt cele mai apropiate de valorile măsurate.
Standardele internaționale recomandă pentru fiecare tip de fibră și interval spectral de măsurători selectarea dependențelor funcționale sub forma anumitor polinoame, care sunt funcții de putere ale lungimii de undă γ cu coeficienți necunoscuți. În procesul de prelucrare matematică a măsurătorilor, se calculează valorile acestor coeficienți. De exemplu, funcțiile Solmeyer cu trei sau cinci termeni sunt utilizate pe scară largă. O dezvoltare a metodei de fază este metoda de defazare diferențială, când se măsoară schimbările relative de fază și întârzierile relative τ 1 și τ 2 două semnale la lungimi de undă adiacente distanțate apropiate λ 1 și λ 10.
Valoarea dispersiei la lungimea de undă λ 1 /2 , egală cu jumătate din suma lungimilor de undă λ 1 și λ 2, este determinată printr-o aproximare liniară conform formulei:
. (10.3.13)
Metoda interferenței este o alternativă și este implementată conform unei scheme structurale folosind un interferometru Mach–Zehnder și prezentată în Figura 10.20.
Radiația de la o sursă de bandă largă după ce un selector de lungime de undă intră în interferometrul Mach-Zehnder. Când capătul fibrei care face parte din brațul de referință al interferometrului este deplasat liniar, în canalul de referință este introdusă o diferență cunoscută de lungimi optice, a cărei valoare face posibilă calcularea întârzierii de grup a semnalului luminos în fibra supusă încercării situată în brațul de măsurare al interferometrului. Metoda interferometrică este utilizată pentru măsurarea caracteristicilor lungimii scurte de fibre lungi de câțiva metri și este utilizată în principal pentru controlul procesului în fabricarea fibrelor și a componentelor sistemului de transmisie.
Metoda pulsului pentru măsurarea dispersiei cromatice. De asemenea, standardul ITUT G650 reglementează o metodă bazată pe măsurarea directă a întârzierii impulsurilor luminoase cu lungimi de undă diferite la trecerea printr-o fibră de o lungime dată (time offlight). În această metodă, este posibil să se măsoare timpul de întârziere al impulsurilor laser optice atunci când trece o anumită secțiune de fibră „înainte și înapoi”, adică atunci când este reflectată de la capătul îndepărtat al fibrei. Precizia de măsurare a CD în această metodă este mai mică decât acuratețea de măsurare a metodei de fază din cauza preciziei mai scăzute a întârzierilor de măsurare. Dispunerea configurației pentru efectuarea măsurătorilor rămâne aproape aceeași ca atunci când se măsoară prin metoda fază. În locul unui contor de fază, atunci când măsurați folosind metoda pulsului, este necesar să utilizați un alt dispozitiv care vă permite să măsurați întârzierea relativă a două impulsuri.
Deoarece acuratețea metodei impulsurilor este invers proporțională cu durata impulsurilor utilizate, este necesar ca durata acestora să nu fie mai mare de 400 ps.
Echipament pentru măsurarea dispersiei cromatice. Întrucât măsurătorile de dispersie cromatică se efectuează nu numai pe liniile instalate pentru compensare precisă, ci și în producția și dezvoltarea componentelor de transmisie, OB și OC, precum și pentru cercetare științifică, există pe piață aparate din diferite categorii concepute pentru măsurarea CD-ului. valorile. Parametrii lor tehnici variază într-o gamă foarte largă. Cu toate acestea, o comparație a unui număr atât de mare de dispozitive depășește domeniul de aplicare al acestui articol, așa că ne vom limita aici doar la contoare CD concepute pentru monitorizarea legăturilor de fibră optică. În prezent, piața oferă dispozitive de la cei mai importanți producători de echipamente de măsură. precum Acterna, Anritsu, EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer și întreprinderea din Belarus IIT (Institutul de Tehnologii Informaționale). Caracteristicile comparative ale dispozitivelor sunt prezentate în tabelul din Anexa 7. Dispozitivele prezentate în tabel pot fi împărțite în câmp și staționare. Categoria de câmp a inclus dispozitive relativ mici care au sursă de alimentare autonomă împreună cu alimentarea de la rețea. Măsurarea dispersiei cromatice bazată pe măsurarea directă a întârzierii de propagare a impulsurilor scurte de lumină de diferite lungimi de undă fixe (metoda de măsurare a pulsului) este prezentată în dispozitivul ν-CD1 de la compania elvețiană Luciol. Constanța lungimii de undă a surselor de radiație este asigurată de rețele Bragg, care joacă rolul unui filtru optic de bandă îngustă (0,1 nm) al emițătorului. Numărul de surse poate fi arbitrar. Eroarea măsurătorilor de timp este de 5 ps. Pentru a obține o sensibilitate ridicată (până la 42 dB), dispozitivul folosește tehnologia de numărare a fotonilor cu înregistrarea semnalului la un nivel de 100 dBm. Singurul producător intern de contoare de dispersie cromatică este compania IIT (Institutul de Tehnologii Informaționale, Belarus). Dispozitivele companiei, ID21 (pentru fabrici de cabluri și laboratoare de testare) și ID22 (pentru măsurarea liniilor instalate), folosesc o metodă de fază cu 7 surse de radiație pentru a măsura diferența de fază a unui semnal modulat sinusoid la lungimi de undă fixe. În același timp, a fost implementată o soluție tehnică folosind o fotodiodă de avalanșă ca mixer de semnale de înaltă frecvență, ceea ce face posibilă utilizarea unui receptor optic de joasă frecvență pentru a înregistra semnalul diferenței de fază a canalelor de referință și semnal și semnificativ crește raportul semnal-zgomot. Procesarea ulterioară a semnalului digital folosind transformata Fourier permite reducerea la minimum a distorsiunii semnalului în partea de recepție a dispozitivului. Dispozitivele ID21 și ID22 au caracteristici tehnice ridicate (gamă dinamică mare, viteză mare de măsurare, puterea bateriei, greutate redusă) și au un cost favorabil scăzut în comparație cu analogii străini.
Reprezentanții tipici ai instrumentelor de câmp pentru măsurarea CD includ reflectometrele optice Anritsu (MW9076D1) și Acterna (MTS5000e), precum și platformele de măsurare universale CMA5000 de la Nettest și FTB400 cu modulul FTB5800 de la EXFO. Un interes deosebit pentru operatorii de telecomunicații sunt dispozitivele de teren construite pe o bază modulară, așa-numitele platforme portabile modulare de măsurare. Principiul construirii unor astfel de platforme se bazează pe utilizarea unui computer industrial portabil și a unităților înlocuibile care efectuează o gamă largă de măsurători, cum ar fi reflectometrie, măsurători de pierderi de inserție și pierderi de retur, măsurători spectrale în sisteme WDM, măsurători PMD și CD etc. . Ideologia de a construi dispozitive de câmp pe o bază modulară a fost introdusă pentru prima dată de EXFO în 1996 (FTB300); În prezent, există o tendință constantă de a construi dispozitive pe acest principiu. Instrumentele de la Anritsu (MW9076D1), Acterna (MTS5000 cu modul CD 5083) și Nettest (CMA5000 OTDR/CD) permit evaluarea dispersiei cromatice folosind radiația laser la 4 lungimi de undă fixe: 1310, 1450, 15250 și nsurm, 16 intervalele de timp ale impulsurilor de lumină care trec prin fibră. Avantajul incontestabil al acestor dispozitive este greutatea redusă, viteza mare de măsurare și capacitatea suplimentară de a măsura reflectograme. Dezavantajele includ o precizie ceva mai scăzută a măsurării dispersiei, asociată nu numai cu utilizarea a doar 4 surse fixe de radiații, ci și cu o precizie mai mică în determinarea întârzierilor de timp prin metoda pulsului comparativ cu metoda fază, în special în secțiunile scurte de fibre ( câțiva km). Dispozitiv de măsurare modular portabil Sistemul CMA5000 de la Nettest, introdus în toamna anului 2002, poate include și un modul de măsurare a dispersiei cromatice, ale cărui caracteristici sunt prezentate în tabel. Principiul de măsurare se bazează pe metoda de măsurare a defazajului la reglarea lungimii de undă a laserului care emite. Instrumentul de câmp EXFO utilizează, de asemenea, o metodă de măsurare a defazajului unui semnal, folosind o componentă filtrată a emisiei de bandă largă a LED-ului ca lungime de undă de referință. Această soluție oferă un proces de măsurare folosind o fibră la modă, fără feedback de la sursa de radiație pentru referirea spectrală a rezultatelor măsurătorii. Rezultatul este capacitatea de a măsura porțiuni lungi de fibre cu elemente unidirecționale, cum ar fi izolatoare și amplificatoare (până la 30 de amplificatoare). În special, a fost raportată măsurarea cu succes a unei legături de comunicație de 500 de kilometri cu opt amplificatoare EDFA. Rețineți că mai multe companii oferă în prezent instrumente proiectate pe o bază modulară, ceea ce permite măsurători combinate ale CD și PMD pe o singură platformă în domeniu (vezi tabelul). Cu această configurație, este posibil să se efectueze întreaga gamă de măsurători a parametrilor de dispersie ai legăturilor de fibră optică în câmp folosind un singur dispozitiv portabil. În concluzie, se poate concluziona că în sistemele moderne de telecomunicații măsurarea și compensarea dispersiei cromatice devine o sarcină din ce în ce mai urgentă. O selecție largă de instrumente de pe piața echipamentelor de măsurare ne permite să rezolvăm cu succes această sarcină aparent dificilă. Trebuie remarcat faptul că toți producătorii majori de echipamente de măsurare enumerați mai sus sunt reprezentați în Rusia fie direct, fie prin intermediul companiilor rusești care vând în baza acordurilor de distribuție.
2.1. Cauze și tipuri de dispersie
Principalul motiv pentru apariția dispersiei în fibră este incoerența sursei de radiație (laser). O sursă ideală emite toată puterea la o lungime de undă dată λ 0, dar în realitate radiația are loc în spectrul λ 0 ± Δλ (Fig. 2.1), deoarece nu toți electronii excitați revin la aceeași stare din care au fost îndepărtați în timpul pompării.
Fig.2.1. Radiație laser reală
Indicele de refracție este o mărime dependentă de frecvență, adică n este o funcție a lui λ: n = f (λ), vezi Fig. 2.2.
Fig.2.2. Dependența indicelui de refracție de lungimea de undă
În consecință, la propagarea unui semnal constând dintr-un amestec de lungimi de undă λ 0 ± Δλ, părți ale semnalului se deplasează la viteze diferite și are loc dispersia:
λ ± Δλ → n ± Δn → c /(n ± Δn) → v ± Δv → Δτ.
Acest tip de dispersie se numește dispersie materială.
Constanta de propagare a undei transversale (de-a lungul razei fibrei) depinde, de asemenea, de lungimea de undă, adică zona de mod și aria acelei părți a placajului care este capturată de zona modului care se extinde dincolo de limitele miezului depind de lungimea de unda. Lumina se propagă de-a lungul părții învelișului care mărginește miezul cu o viteză mai mare decât de-a lungul miezului, ceea ce contribuie la o schimbare a dispersiei. Această dispersie se numește dispersie ghid de undă. Ambele aceste dispersii, materialul și ghidul de undă, sunt numite în mod colectiv dispersie cromatică. Se adună aritmetic. Figura 2.3 prezintă dependențele dispersiei materialului și ghidului de undă și suma lor față de lungimea de undă. Pentru fibra standard monomod la λ = 1300 nm, aceste dispersii sunt egale și opuse ca semn, iar dispersia totală este zero.
Fig.2.3. Dependența de lungime de undă a materialului și dispersia ghidului de undă în fibra standard monomod (nm)
În fibra multimodală, pe lângă dispersia cromatică, există și dispersia intermodală. Dacă există mai multe moduri, atunci fiecare se propagă de-a lungul fibrei cu propria sa viteză, care poate diferi semnificativ unele de altele. Figura 2.4 prezintă grafice ale vitezelor de fază ale unor moduri.
Orez. 2.4. Graficul vitezelor de fază ale unor moduri în funcție de frecvență.
Dacă parametrii fibrei se modifică, de exemplu, diametrul miezului se schimbă aleatoriu, are loc reglarea modului și modurile schimbă energie. Dispersia intermodală este un ordin de mărime mai mare decât dispersia cromatică, care a fost motivul dezvoltării cablurilor monomodale în care nu există dispersie intermodală. Tabelul 2.1 arată raportul aproximativ al valorilor tipurilor de dispersie pentru diferite tipuri de fibre.
Tabelul 2.1. Relația dintre diferitele tipuri de varianță
Dispersia totală este definită ca rădăcina pătrată a sumei pătratelor dispersiei cromatice și ale modului:
(2.1)
Materialul și dispersiile ghidurilor de undă sunt calculate folosind formulele
τ mat = ∆λ∙ М(λ)∙ L (2.2),
τвв = ∆λ∙ В(λ)∙ L (2.3),
unde ∆λ este lățimea de bandă a radiației laser, nm;
М(λ) și В(λ) – material specific și dispersiile ghidurilor de undă, ps/(nm km);
L – lungimea liniei, km.
Valorile lui M(λ) și B(λ) sunt date în cărțile de referință.
τ Σ = [τ mm 2 +(τ mat + τ vv) 2 ] 1/2
Tabel de optiuni 2.1. Valori aproximative de dispersie pentru diferite tipuri de fibre
2.2. Dispersia modului de polarizare (PMD)
Lumina reprezintă vibrații transversale pe direcția de propagare a luminii (Fig. 2.5). Dacă capătul vectorului de câmp descrie o linie dreaptă, atunci o astfel de polarizare se numește liniară dacă este un cerc sau o elipsă, atunci se numește circulară sau eliptică; Majoritatea oamenilor, cu rare excepții, nu simt polarizarea luminii doar câțiva (cum ar fi Lev Tolstoi) disting clar între lumina polarizată și nepolarizată; Un detector de lumină integrat convențional (diodă) reacționează, de asemenea, doar la intensitatea undei, și nu la polarizarea acesteia. Cu toate acestea, unele dispozitive optice, cum ar fi anumite tipuri de amplificatoare, au câștig dependent de polarizare.
Orez. 2.5. Tipuri de polarizare liniară
În plus, polarizarea vectorului are o mare importanță în procesele de reflexie și refracție, întrucât coeficienții Fresnel, care caracterizează amplitudinile undei reflectate și refractate, depind în general de direcția vectorului de polarizare (Fig. 2.6) . Figura 2.6 arată cum se reflectă un amestec de raze de polarizare paralelă (liniuță) și perpendiculară (punct) în raport cu planul de propagare la trecerea prin planul de interfață orizontal. Din figură se poate observa că la un anumit unghi (unghi Brewster) toate undele reflectate au polarizare perpendiculară, iar cele refractate au polarizare paralelă.
Orez. 2.6. Reflectarea undelor de polarizare diferită.
Într-o fibră clasică cu un singur mod, singurul mod este HE wave 11. Cu toate acestea, dacă se ia în considerare polarizarea, atunci fibra conține două moduri reciproc ortogonale corespunzătoare axelor orizontale și verticale x și y. Într-o situație reală, fibra nu este întotdeauna un cerc perfect în secțiune transversală, dar adesea, datorită anumitor caracteristici ale tehnologiei, este o mică elipsă. În plus, la înfășurarea cablului și la așezarea acestuia, apar tensiuni mecanice asimetrice și deformări ale fibrei, ceea ce duce la birefringență. Indicele de refracție se va modifica din cauza stresului suplimentar, iar vitezele de propagare a modurilor ortogonale în zone diferite vor diferi unele de altele, ceea ce va introduce diferite întârzieri de timp în propagarea modurilor ortogonale. Pulsul în ansamblu va experimenta o extindere statistică în timp, care se numește dispersie în modul de polarizare (PMD). Deoarece PMD în diferite secțiuni ale liniei este diferit și se supune legilor statistice, se utilizează de obicei sumarea medie pătratică, iar PMD se calculează folosind formula
Informațiile despre fibra optică sunt transmise sub formă de impulsuri optice scurte. Energia pulsului este distribuită între toate modurile ghidate. Vitezele tuturor modurilor de-a lungul traiectoriei lor în trepte OF sunt aceleași. Cu toate acestea, timpul necesar pentru a parcurge 1 km de OB va varia. La ieșirea fibrei optice, impulsurile modurilor individuale care sosesc în momente diferite se adună, formând un impuls optic mai larg comparativ cu intrarea (Fig. 2.1).
Orez. 2.1. Traiectorii razelor meridionale într-o fibră optică cu profil de indice de refracție în trepte.
Fenomenul de lărgire a impulsului într-un OF multimod se numește dispersie intermodală, care se caracterizează prin valoarea D m, măsurată în ns/km. Dacă valoarea dispersiei este cunoscută, atunci lărgirea impulsului Δt într-o fibră optică de lungime L în prima aproximare este determinată de expresia:
Estimarea superioară a mărimii dispersiei intermodale: cea mai mică traiectorie și cel mai scurt timp de propagare t min are o rază care se propagă de-a lungul axei OF.
Cea mai lungă traiectorie și cel mai lung timp de propagare tmax are fasciculul care se propagă de-a lungul fibrei optice, reflectând de la interfața dintre miez și înveliș la unghiul de reflexie internă totală.
Apoi . (2,4)
Dispersia limitează viteza de transmitere a informațiilor prin fibra optică.
Orez. 2.2. Dependența dispersiei intermodale de diferența relativă a indicilor de refracție ai miezului și ai placajului.
Valoarea dispersiei intermodale [ns/km] este asociată cu conceptul de bandă largă de fibră sau cu lățimea de bandă specifică B[MHz km]
Valoarea de bandă largă pentru fibrele de cuarț multimod în trepte este limitată la 20-50 MHz km.
Pentru fibrele cu gradient multimod, lățimea de bandă este în intervalul 200 – 2000 MHz km.
O modalitate radicală de a reduce dispersia este trecerea de la transmisia multimodă la transmisia monomod.
Pentru prima dată, transmisia monomod într-o fibră cu indice în trepte a fost realizată prin reducerea razei miezului la 5 µm. Astfel de fibre sunt numite fibre standard monomod.
Un parametru standardizat important pentru fibrele monomode este diametrul w sau raza r nm a spotului (câmpului) de mod, care caracterizează pierderile atunci când lumina este introdusă în fibră și este utilizată pentru calcule în locul razei sau diametrului miezului; valoarea sa depinde de tipul de fibră și de lungimea de undă de funcționare și se află în intervalul 8...10 microni (de fapt, este cu 10-12% mai mare decât diametrul miezului).
Pentru o oprire cu un singur mod, distribuția intensității câmpului de mod poate fi aproximată printr-o curbă Gaussiană:
Orez. 2.3. Determinarea diametrului câmpului de mod.
În fig. 2.4. arată distribuțiile de câmp de mod calculate pentru fibra standard la lungimi de undă utilizate în mod obișnuit pentru comunicații.
Orez. 2.4. Distribuția modului fundamental de câmp într-o fibră standard.
Deoarece viteza de propagare a luminii în fibra optică depinde de lungimea de undă a radiației λ, diferite componente spectrale ale semnalului se propagă la viteze diferite.
Orez. 2.5. Spectrul de emisie al sursei.
Dispersia cromatică constă din două componente: material și ghid de undă:
Ca mărime fizică, se măsoară în ps/(nm km) și înseamnă lărgirea unui impuls într-o fibră lungă de 1 km cu o lățime a spectrului de semnal de 1 nm (ținând cont de viteza de transmisie și lățimea spectrală a radiației). sursă).
Dispersia materialului se datorează dependenței indicelui de refracție al cuarțului n (atât faza, cât și grupul) sau viteza de propagare a luminii în cuarț de lungimea de undă (Fig. 1.10) și este proporțională cu derivata a doua a indicelui de refracție față de la lungimea de unda:
Orez. 2.6. Apariția dispersiei materiale.
În fig. Figura 2.7 arată dependența dispersiei materialului de lungimea de undă. Se poate observa că dispersia materialului are un semn și la o lungime de undă nulă dispersia materialului λ = λ 0 mat trece prin 0.
Dispersia ghidului de undă D in nu este legată de proprietățile materialului, ci depinde de proiectarea și dimensiunile ghidului de undă. Apariția sa se datorează faptului că unda într-un OF monomod se propagă parțial în miez, parțial în placare, iar indicele său de refracție ia valoarea medie între indicii de refracție ai miezului și ai învelișului. Pe măsură ce lungimea de undă se modifică, adâncimea de pătrundere a câmpului în învelișul de cuarț se modifică și, în consecință, valoarea medie a indicelui de refracție se modifică.
Orez. 2.7. Dispersia cromatică în modul unic standard
fibră
Orez. 2.8. Apariția dispersiei ghidurilor de undă.
Dispersia ghidului de undă este negativă și scade odată cu creșterea λ. Acest lucru permite, prin modificarea dimensiunii și designului OB, să controleze dependența lui D in și, în consecință, dependența lui D xr de λ.
Există o lungime de undă la care dispersiile de material și ghidul de undă sunt egale ca mărime și au semne opuse, adică dispersia cromatică este zero. Această lungime de undă este numită lungime de undă cu dispersie cromatică zero sau pur și simplu lungime de undă cu dispersie zero λ 0 D.
În majoritatea OF-urilor cu un singur mod, locația axelor celei mai mari și celei mai mici viteze este aleatorie, iar expansiunea pulsului care trece prin OF crește odată cu creșterea lungimii L proporțional cu rădăcina pătrată a lungimii OF:
unde D p este dispersia în modul de polarizare.
Pentru majoritatea OF-urilor cu un singur mod, valoarea dispersiei modului de polarizare se află în intervalul 0,02 – 0,2 ps/km 0,5.
Dispersia unei fibre optice este dispersia în timp a componentelor unui semnal optic. Motivul dispersiei este diferitele viteze de propagare a componentelor semnalului optic.
Dispersia se manifestă ca o creștere a duratei (lărgirii) impulsurilor optice la propagarea în fibra optică. Creșterea duratei impulsurilor optice provoacă interferențe intersimbol - creează interferențe tranzitorii, care înrăutățește raportul semnal-zgomot și, ca urmare, duce la erori de recepție. Este evident că interferența intersimbol crește odată cu lărgirea impulsurilor optice. Pentru o valoare fixă de extindere a impulsului, interferența intersimbol crește pe măsură ce scade perioada de repetare a impulsului T. Astfel, dispersia limitează viteza de transmitere a informațiilor în linie B=1/Tși lungimea secțiunii de regenerare (RU).
În fibrele optice se pot distinge mai multe tipuri de dispersie: dispersie de mod, dispersie de modul de polarizare și dispersie cromatică.
Într-un OF multimod, predomină dispersia intermodală, cauzată de prezența unui număr mare de moduri cu timpi de propagare diferiți.
depășește semnificativ alte tipuri de dispersie, prin urmare lățimea de bandă a unor astfel de fibre optice este determinată în principal de dispersia modului. Creșterea lățimii de bandă a fibrelor optice multimode se realizează printr-un profil de indice de refracție gradient, în care indicele de refracție din miez scade ușor de la axa fibrei optice la placare. Cu un astfel de profil de gradient, viteza de propagare a razelor în apropierea axei fibrei este mai mică decât în regiunea adiacentă placajului. Ca urmare, odată cu creșterea lungimii traiectoriei razelor ghidate pe un segment de fibră, viteza lor de propagare de-a lungul traiectoriei crește. Cu cât drumul este mai lung, cu atât viteza este mai mare. Acest lucru asigură egalizarea timpului de propagare a razelor și, în consecință, o reducere a dispersiei modului. Profilul optim din punctul de vedere al minimizării dispersiei modului este un profil parabolic.
Lățimea de bandă a fibrelor multimode este caracterizată de factorul de lățime de bandă DF, MHz. km, a cărui valoare este indicată în datele pașaportului OB la lungimi de undă corespunzătoare primei și a doua ferestre de transparență. Lățimea de bandă pentru fibrele optice multimode tipice este de 400...2000 MHz. km.
Fibrele optice multimodale sunt utilizate în rețelele locale, centrele de date și rețelele private pe distanțe lungi. Nu este utilizat cu sisteme de etanșare spectrală.
În OF cu un singur mod, se propagă un singur mod fundamental și nu există dispersie de mod.
Principalul factor care limitează lungimea secțiunilor de regenerare ale fibrei optice de mare viteză este dispersia cromatică. Recomandările Uniunii Internaționale de Telecomunicații ITU-T G.650 oferă următoarea definiție: dispersia cromatică (CD) este lărgirea unui impuls de lumină într-o fibră optică cauzată de diferența în vitezele grupului de lungimi de undă diferite care alcătuiesc spectrul de semnalul informatic optic. Durata impulsului optic la ieșirea unei fibre optice extinse este determinată de întârzierea de grup relativă a celei mai lente componente spectrale în raport cu cea mai rapidă. Astfel, influența CD este proporțională cu lățimea spectrului sursei de radiație. Pe măsură ce lungimea liniei de transmisie și viteza de transmitere a informațiilor crește, influența dispersiei cromatice crește.
Următoarele componente contribuie la CD: materialul și dispersia ghidului de undă. O caracteristică optică importantă a sticlei utilizate la fabricarea fibrei este dispersia indicelui de refracție, care se manifestă ca dependența vitezei de propagare a semnalului de lungimea de undă - dispersia materialului. În plus, în timpul producției de fibre monomode, atunci când un filament de cuarț este extras dintr-o preformă de sticlă, apar abateri ale geometriei fibrei și ale profilului radial al indicelui de refracție în diferite grade. Geometria fibrei în sine, împreună cu abaterile de la profilul ideal, contribuie de asemenea la dependența vitezei de propagare a semnalului de lungimea de undă, aceasta este dispersia ghidului de undă.
Dispersia cromatică este determinată de acțiunea comună a materialului D M ( l) și dispersiile ghidului de undă D B ( l)
D(l)=D M(l)+D B(l)
Dispersia materialului este determinată de proprietățile de dispersie ale materialului - cuarț,
D M= - l ¶ 2n .c¶ l 2
Dispersia ghidului de undă D B ( l) se datorează dependenței de grup
viteza de propagare a modului în funcție de lungimea de undă este determinată în primul rând de profilul indicelui de refracție al miezului fibrei și al învelișului interior.
Destul de des, următoarea relație este utilizată pentru a estima dispersia ghidului de undă:
Unde V– frecventa normalizata; b este constanta de propagare normalizată, care este legată de b cu următorul raport:
numit parametru normalizat al dispersiei ghidului de undă.
Orez. 3.13. Spectrul de dispersie cromatică a fibrei în trepte standard
Cantitativ, dispersia cromatică a OM este evaluată prin coeficient D cu dimensiunea ps/(nm. km) Dispersia cromatică a fibrei în
picosecunde (ps) pe o secțiune de lungime L km, egal cu
s=D× L×D l
Unde Dl- banda de lungime de undă a sursei de radiație optică, nm.
Principalii parametri ai dispersiei cromatice sunt:
1. Lungime de undă cu dispersie zero l 0, nm. La această lungime de undă
materialele și componentele ghidului de undă se compensează reciproc și dispersia cromatică devine zero.
2. Coeficientul de dispersie cromatică, ps/(nm×km). Acest parametru determină lărgirea unui impuls optic care se propagă pe o distanță de 1 km cu o lățime a spectrului sursei de 1 nm.
3. Panta caracteristicii de dispersie S 0 este definit ca tangentă
la curba de dispersie la lungimea de undă l 0 (vezi Fig. 3.13). La fel se poate
panta să fie determinată Sîn orice punct al spectrului.
