Disperzia v optických vláknach. Chromatická disperzia. Základné parametre Chromatická disperzia pozostáva zo zložiek

Spolu s koeficientom útlmu optického vlákna je najdôležitejším parametrom disperzia, ktorá určuje jeho kapacitu na prenos informácií.

Rozptyl – Ide o časový rozptyl spektrálnych a vidových zložiek optického signálu, ktorý vedie k predĺženiu trvania impulzu optického žiarenia pri jeho šírení optickým vláknom.

Rozšírenie impulzu je definované ako kvadratický rozdiel v trvaní impulzu na výstupe a vstupe optického vlákna podľa vzorca:

a hodnoty i sa berú na úrovni polovice amplitúdy impulzu (obrázok 2.8).

Obrázok 2.8

Obrázok 2.8 - Rozšírenie impulzu v dôsledku disperzie

Disperzia sa vyskytuje z dvoch dôvodov: nekoherencia zdrojov žiarenia a existencia veľkého počtu režimov. Rozptyl spôsobený prvou príčinou sa nazýva chromatický (frekvencia). , skladá sa z dvoch zložiek - materiálových a vlnovodných (vnútrovidových) disperzií. Materiálová disperzia je spôsobená závislosťou indexu lomu od vlnovej dĺžky, vlnovodová disperzia je spojená so závislosťou koeficientu šírenia od vlnovej dĺžky.

Rozptyl spôsobený druhým dôvodom sa nazýva modálny (intermodálny).

Režimová disperzia je charakteristický len pre multimódové vlákna a je spôsobený rozdielom v čase prechodu módov pozdĺž optického vlákna od jeho vstupu k jeho výstupu. IN OF so stupňovitým profilom indexu lomu rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn s vlnovou dĺžkou je rovnaká a rovná sa: , kde C je rýchlosť svetla. V tomto prípade sa všetky lúče dopadajúce na koniec optického vlákna pod uhlom k osi v rámci apertúrneho uhla šíria v jadre vlákna pozdĺž svojich kľukatých čiar a pri rovnakej rýchlosti šírenia dopadajú na prijímací koniec v rôznych časoch, čo vedie k predĺženiu trvania prijatého impulzu. Keďže minimálny čas šírenia optického lúča nastáva, keď dopadajúci lúč je , a maximálny je keď , môžeme písať:

kde L je dĺžka svetlovodu;

Index lomu jadra vlákna;

C je rýchlosť svetla vo vákuu.

Potom sa hodnota intermódovej disperzie rovná:

Vidová disperzia gradientových optických vlákien rádovo alebo viac nižšie ako u stupňovitých vlákien. Je to spôsobené tým, že v dôsledku poklesu indexu lomu od osi optického vlákna k plášťu sa rýchlosť šírenia lúčov pozdĺž ich trajektórie mení. Takže na trajektóriách blízko osi je menej a na vzdialených trajektóriách je väčší. Lúče šíriace sa po najkratších dráhach (bližšie k osi) majú nižšiu rýchlosť a lúče šíriace sa po dlhších dráhach majú vyššiu rýchlosť. V dôsledku toho sa doba šírenia lúčov vyrovná a predĺženie trvania impulzu sa zníži. Pri parabolickom profile indexu lomu, keď exponent profilu q=2, je vidová disperzia určená výrazom:

Vidová disperzia gradientu OB je niekoľkonásobne menšia ako disperzia kroku OB pri rovnakých hodnotách. A keďže je to obvyklé, rozptyl vidov uvedených OF sa môže líšiť o dva rády.

Pri výpočtoch pri určovaní vidovej disperzie treba mať na pamäti, že do určitej dĺžky vedenia, nazývanej dĺžka vidovej väzby, nedochádza k intermodálnej väzbe, a potom pri procese vzájomnej konverzie vidov nastáva ustálený stav. Preto, keď sa disperzia zvyšuje podľa lineárneho zákona, a potom, keď - podľa kvadratického zákona.

Vyššie uvedené vzorce teda platia len pre dĺžku. Pre dĺžky čiar použite nasledujúce vzorce:

- pre stupňovitý svetlovod

- pre gradientný svetlovod,

kde je dĺžka čiary;

Dĺžka spojenia režimu (ustálený stav), rovná km pre stupňovité vlákno a km pre gradientové vlákno (stanovené empiricky).

Disperzia materiálu závisí od frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) a materiálu OF, ktorým je zvyčajne kremenné sklo. Disperzia je určená elektromagnetickou interakciou vlny s viazanými elektrónmi materiálu média, ktorý má spravidla nelineárny (rezonančný) charakter.

Výskyt disperzie vo svetlovodnom materiáli, a to aj u jednovidových vlákien, je spôsobený tým, že optický zdroj budiaci vlákno (svetelná dióda - LED alebo polovodičový laser PPL) generuje svetelné žiarenie so spojitým vlnovým spektrom určitú šírku (pre LED je to približne nm, pre multimódové PPL - nm , pre jednovidové nm laserové diódy). Rôzne spektrálne zložky svetelného žiarenia sa šíria rôznymi rýchlosťami a do určitého bodu prichádzajú v rôznych časoch, čo vedie k rozšíreniu impulzu na prijímacom konci a za určitých podmienok k skresleniu jeho tvaru. Index lomu sa mení s vlnovou dĺžkou (frekvenciou), pričom úroveň rozptylu závisí od rozsahu vlnových dĺžok svetla zavedeného do vlákna (zvyčajne zdroj vyžaruje viacero vlnových dĺžok), ako aj od centrálnej prevádzkovej vlnovej dĺžky zdroja. V oblasti I je okno priehľadnosti tam, kde sa dlhšie vlnové dĺžky (850 nm) pohybujú rýchlejšie v porovnaní s kratšími vlnovými dĺžkami (845 nm). V oblasti III priehľadného okna sa situácia mení: kratšie (1550 nm) sa pohybujú rýchlejšie v porovnaní s dlhšími (1560 nm). Obrázok 2.9

Obrázok 2.9 – Rýchlosti šírenia vlnovej dĺžky

Dĺžka šípok zodpovedá rýchlosti vlnových dĺžok, pričom dlhšia šípka zodpovedá rýchlejšiemu pohybu.

V určitom bode spektra sa rýchlosti zhodujú. Táto zhoda pre čisté kremenné sklo nastáva pri vlnovej dĺžke nm, ktorá sa nazýva vlnová dĺžka materiálu s nulovou disperziou, pretože . Keď je vlnová dĺžka pod vlnovou dĺžkou nulovej disperzie, parameter má kladnú hodnotu, inak je záporná. Obrázok 2.10

Disperziu materiálu možno určiť pomocou špecifickej disperzie pomocou výrazu:

.

Kvantitatívne špecifická disperzia, , sa určuje experimentálne. S rôznym zložením legujúcich nečistôt v OM má rôzne hodnoty v závislosti od (tabuľka 2.3).

Tabuľka 2.3 – Typické hodnoty rozptylu špecifického materiálu

Vlnovodná (vnútrorežimová) disperzia – Tento termín označuje závislosť oneskorenia svetelného impulzu od vlnovej dĺžky, spojenú so zmenou rýchlosti jeho šírenia vo vlákne v dôsledku vlnovodného charakteru šírenia. Rozšírenie impulzu v dôsledku rozptylu vlnovodu je podobne úmerné šírke spektra zdrojového žiarenia a je definované ako:

,

kde je špecifická disperzia vlnovodu, ktorej hodnoty sú uvedené v tabuľke 2.4:

Tabuľka 2.4

– je spôsobené rozdielovým skupinovým oneskorením medzi lúčmi s hlavnými polarizačnými stavmi. Rozloženie energie signálu v rôznych polarizačných stavoch sa v čase mení pomaly, napríklad v dôsledku zmien teploty okolia, anizotropie indexu lomu spôsobenej mechanickými silami.

V jednovidovom vlákne sa nešíri jeden vid, ako sa bežne verí, ale dve kolmé polarizácie (módy) pôvodného signálu. V ideálnom vlákne by sa tieto módy šírili rovnakou rýchlosťou, ale skutočné vlákna nemajú ideálnu geometriu. Hlavnou príčinou rozptylu polarizačných vidov je nesústrednosť profilu jadra vlákna, ku ktorej dochádza počas výrobného procesu vlákna a kábla. Výsledkom je, že dve kolmé polarizačné zložky majú rôzne rýchlosti šírenia, čo vedie k disperzii (obrázok 2.11)

Obrázok 2.11

Koeficient špecifického rozptylu polarizačného režimu je normalizovaný na 1 km a má rozmer . Hodnota rozptylu polarizačného režimu sa vypočíta pomocou vzorca:

Pre jeho malú hodnotu ho treba brať do úvahy výlučne pri jednovidovom vlákne a pri vysokorýchlostnom prenose signálu (2,5 Gbit/s a viac) s veľmi úzkym spektrálnym pásmom žiarenia 0,1 nm alebo menej. V tomto prípade sa chromatická disperzia stáva porovnateľnou s polarizačnou vidovou disperziou.

Špecifický koeficient PMD typického vlákna je zvyčajne .

V súčasnosti jednovidové vlákno zaujíma dominantné postavenie v komunikačnej technológii z optických vlákien. Je to spôsobené tým, že na rozdiel od multimódového vlákna si jednovidové vlákno zachováva priečnu priestorovú koherenciu svetla a nedochádza k rozptylu medzi režimami. Chromatická disperzia obmedzuje rýchlosť a rozsah prenosu informácií cez jednovidové vlákno pomocou jediného spektrálneho kanála.

Chromatická disperzia je predĺženie trvania svetelného impulzu pri šírení pozdĺž vlákna spojené s rozdielom v skupinových rýchlostiach šírenia spektrálnych zložiek impulzu. Svetelným zdrojom vo vysokorýchlostných FOTS sú zvyčajne polovodičové lasery s pomerne úzkou, ale konečnou šírkou spektra žiarenia.

V jednovidovom vlákne dochádza k chromatickej disperzii v dôsledku interakcie dvoch javov - disperzie materiálu a vlnovodu. Materiálová disperzia vzniká nelineárnou závislosťou indexu lomu kremeňa od vlnovej dĺžky a príslušnej skupinovej rýchlosti, pričom príčinou rozptylu vlnovodu je závislosť od vlnovej dĺžky vzťahu rýchlosti skupiny k priemeru jadra a rozdiel v indexe lomu jadro a plášť. Tretia zložka rozptylu, tzv polarizačná vidová disperzia ( PMD ) disperzia druhého rádu alebo diferenciálneho skupinového oneskorenia je určená polarizačnými charakteristikami vlákna a má podobný účinok ako chromatická disperzia. PMD druhého rádu nastavujú extrémny limit, do ktorého možno kompenzovať chromatickú disperziu.

Šírenie skupinových rýchlostí, t.j. veľkosť rozšírenia v dôsledku chromatickej disperzie τ xp v lineárnej aproximácii je priamo úmerná dĺžke vlákna L a šírke spektra Δλ svetelného impulzu.

τхр=Dλ·L·Δλ ​​​​, (10.3.9)

kde D λ je koeficient chromatickej disperzie. Ide o malú zmenu oneskorenia svetelného impulzu na úseku vlákna jednotkovej dĺžky (1 km) s jednotkovou zmenou vlnovej dĺžky (1 nm) nositeľa tohto impulzu. Jednotkou merania je ps/(nm km). Jeho hodnota je určená ako derivácia spektrálnej závislosti skupinového oneskorenia τ d (λ):

Rýchlosť prenosu informácií optického systému cez jeden komunikačný kanál je maximálna, ak skupinové oneskorenie nezávisí od vlnovej dĺžky, t.j. D X = 0. Vlnová dĺžka λ 0 zodpovedajúca tejto podmienke sa nazýva vlnová dĺžka s nulovým rozptylom. Pri tejto vlnovej dĺžke nadobúda koeficient chromatickej disperzie nulovú hodnotu. Jednotkou merania je nm.

V blízkosti bodu nulovej disperzie je možné závislosť koeficientu chromatickej disperzie od vlnovej dĺžky aproximovať lineárnou závislosťou:

, (10.3.11)

kde S 0 je sklon spektrálnej závislosti koeficientu chromatickej disperzie (nulová disperzia siope) pri vlnovej dĺžke nulovej disperzie, meraná v ps/(nm 2 km).

· metóda merania fázy (technika fázového posunu);

· Interferometrická technika;

· Technika oneskorenia pulzu.

Najbežnejšou metódou na meranie disperzie je fázová metóda a jej variácie, metóda diferenciálnej fázy. Tieto metódy poskytujú najväčšiu presnosť merania a jednoduchosť implementácie [D3].

Esencia fázová metóda spočíva v porovnaní fázy signálu prenášaného cez merané vlákno s fázou referenčného signálu. Získané hodnoty fázového posunu φ(γ) súvisia so skupinovými oneskoreniami podľa vzorca:

τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)

Kde f– frekvencia modulácie signálu. Merania latencie sa musia vykonávať pri viacerých vlnových dĺžkach. Merania môžete implementovať niekoľkými spôsobmi:

· používať niekoľko zdrojov žiarenia s pevnými vlnovými dĺžkami a širokopásmový fotodetektor;

· použiť zdroj s laditeľnou vlnovou dĺžkou (laditeľný laser alebo širokopásmový zdroj s voličom vlnovej dĺžky) a širokopásmový fotodetektor;

· používajte širokopásmové fotodetektorové zdroje s voličom vlnovej dĺžky.

V prípade použitia chromatického disperzného merača s laditeľnou prevádzkovou vlnovou dĺžkou je potrebné nastaviť hranice spektrálneho rozsahu a krok zmeny vlnovej dĺžky. Bloková schéma fázovej metódy merania chromatickej disperzie pomocou širokopásmového zdroja žiarenia a fotodetektora s voličom vlnovej dĺžky je na obrázku 10.19.

Signál z hlavného oscilátora moduluje vyžarovací výkon zdroja. Modulované svetelné žiarenie prenášané cez testované vlákno sa používa ako meraný signál dodávaný do fázomera. Rovnaký signál z referenčného oscilátora, privádzaný do fázového merača cez iný kanál, slúži ako referenčný signál. Fázový merač meria fázový posun medzi referenčným a meraným signálom. Merania sa opakujú pri každej zo zvolených vlnových dĺžok. Zo získaných hodnôt relatívneho fázového posunu sa vypočíta hodnota relatívneho oneskorenia pomocou vzorca (10.3.12) pre všetky vlnové dĺžky, pri ktorých boli merania uskutočnené. Spracovanie výsledkov meraní zahŕňa výber funkčnej závislosti τ(γ), ktorej hodnoty na meraných vlnových dĺžkach sú najbližšie k nameraným hodnotám.

Medzinárodné normy odporúčajú pre každý typ vlákna a spektrálny rozsah meraní voliť funkčné závislosti vo forme určitých polynómov, čo sú výkonové funkcie vlnovej dĺžky γ s neznámymi koeficientmi. V procese matematického spracovania meraní sa vypočítajú hodnoty týchto koeficientov. Široko používané sú napríklad troj- alebo päťčlenné Solmeyerove funkcie. Vývojom fázovej metódy je metóda diferenciálneho fázového posunu, kedy sa merajú relatívne fázové posuny a relatívne oneskorenia τ 1 a τ 2 dva signály na susedných blízko seba vzdialených vlnových dĺžkach λ 1 a λ 10.

Hodnota disperzie pri vlnovej dĺžke λ 1 /2 , ktorá sa rovná polovici súčtu vlnových dĺžok λ 1 a λ 2, je určená lineárnou aproximáciou podľa vzorca:

. (10.3.13)

Interferenčná metóda je alternatívou a je implementovaná podľa štruktúrnej schémy s použitím Mach-Zehnderovho interferometra a znázornenej na obrázku 10.20.

Žiarenie zo širokopásmového zdroja po selektore vlnovej dĺžky vstupuje do Mach-Zehnderovho interferometra. Pri lineárnom pohybe konca vlákna, ktoré je súčasťou referenčného ramena interferometra, sa do referenčného kanála zavedie známy rozdiel optických dĺžok, ktorého hodnota umožňuje vypočítať skupinové oneskorenie svetelného signálu v testované vlákno umiestnené v meracom ramene interferometra. Interferometrická metóda sa používa na meranie charakteristík krátkych dĺžok vlákna s dĺžkou niekoľkých metrov a používa sa hlavne na riadenie procesov pri výrobe vlákien a komponentov prenosového systému.

Pulzná metóda na meranie chromatickej disperzie. Norma ITUT G650 upravuje aj metódu založenú na priamom meraní oneskorenia svetelných impulzov s rôznymi vlnovými dĺžkami pri prechode vláknom danej dĺžky (time offlight). Pri tejto metóde je možné merať čas oneskorenia optických laserových impulzov pri prechode daného úseku vlákna „tam a späť“, t.j. pri odraze od vzdialeného konca vlákna. Presnosť merania CD pri tejto metóde je nižšia ako presnosť merania fázovej metódy z dôvodu nižšej presnosti merania časových oneskorení. Usporiadanie nastavenia na vykonávanie meraní zostáva takmer rovnaké ako pri meraní fázovou metódou. Namiesto fázového merača je pri meraní pulznou metódou potrebné použiť iné zariadenie, ktoré umožňuje merať relatívne časové oneskorenie dvoch impulzov.

Pretože presnosť pulznej metódy je nepriamo úmerná trvaniu použitých impulzov, je potrebné, aby ich trvanie nebolo dlhšie ako 400 ps.

Zariadenie na meranie chromatickej disperzie. Keďže merania chromatickej disperzie sa vykonávajú nielen na inštalovaných linkách pre presnú kompenzáciu, ale aj pri výrobe a vývoji prevodových, OB a OC komponentov, ako aj pre vedecký výskum, sú na trhu prístroje v rôznych kategóriách určené na meranie CD. hodnoty. Ich technické parametre sa líšia vo veľmi širokom rozmedzí. Porovnanie takého množstva prístrojov je však nad rámec tohto článku, preto sa tu obmedzíme len na CD merače určené na sledovanie optických spojov V súčasnosti trh ponúka prístroje od popredných výrobcov meracej techniky. ako Acterna, Anritsu, EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer a bieloruský podnik IIT (Inštitút informačných technológií). Porovnávacie charakteristiky zariadení sú uvedené v tabuľke v prílohe 7. Zariadenia uvedené v tabuľke možno rozdeliť na poľné a stacionárne. Kategória poľa zahŕňala relatívne malé zariadenia, ktoré majú autonómne napájanie spolu s napájaním zo siete. Meranie chromatickej disperzie založené na priamom meraní oneskorenia šírenia krátkych svetelných impulzov rôznych pevných vlnových dĺžok (metóda merania impulzov) je prezentované v prístroji ν-CD1 od švajčiarskej firmy Luciol. Stálosť vlnovej dĺžky zdrojov žiarenia zabezpečujú Braggove mriežky, ktoré plnia úlohu úzkopásmového (0,1 nm) optického filtra žiariča. Počet zdrojov môže byť ľubovoľný. Chyba merania času je 5 ps. Pre dosiahnutie vysokej citlivosti (až 42 dB) zariadenie využíva technológiu počítania fotónov s registráciou signálu na úrovni 100 dBm. Jediným domácim výrobcom meračov chromatickej disperzie je spoločnosť IIT (Inštitút informačných technológií, Bielorusko). Prístroje spoločnosti, ID21 (pre káblové závody a skúšobne) a ID22 (na meranie inštalovaných vedení), využívajú fázovú metódu so 7 zdrojmi žiarenia na meranie fázového rozdielu sínusovo modulovaného signálu na pevných vlnových dĺžkach. Zároveň bolo implementované technické riešenie využívajúce lavínovú fotodiódu ako zmiešavač vysokofrekvenčných signálov, čo umožňuje použiť nízkofrekvenčný optický prijímač na záznam signálu fázového rozdielu referenčného a signálového kanála a výrazne zvýšiť pomer signálu k šumu. Následné digitálne spracovanie signálu pomocou Fourierovej transformácie umožňuje minimalizovať skreslenie signálu v prijímacej časti zariadenia. Zariadenia ID21 a ID22 majú vysoké technické vlastnosti (veľký dynamický rozsah, vysoká rýchlosť merania, napájanie z batérie, nízka hmotnosť) a v porovnaní so zahraničnými analógmi sú priaznivo nízke.

K typickým predstaviteľom poľných prístrojov na meranie CD patria optické reflektometre Anritsu (MW9076D1) a Acterna (MTS5000e), ako aj univerzálne meracie platformy CMA5000 od Nettest a FTB400 s modulom FTB5800 od EXFO. Pre telekomunikačných operátorov sú mimoriadne zaujímavé terénne zariadenia postavené na modulárnom základe, takzvané prenosné modulárne meracie platformy. Princíp konštrukcie takýchto platforiem je založený na použití prenosného priemyselného počítača a vymeniteľných jednotiek, ktoré vykonávajú širokú škálu meraní, ako je reflektometria, merania vložného útlmu a útlmu, spektrálne merania v systémoch WDM, merania PMD a CD atď. . Ideológiu budovania poľných zariadení na modulárnom základe prvýkrát predstavila spoločnosť EXFO v roku 1996 (FTB300); V súčasnosti je stabilná tendencia stavať zariadenia na tomto princípe. Prístroje od Anritsu (MW9076D1), Acterna (MTS5000 s modulom 5083 CD) a Nettest (CMA5000 OTDR/CD) umožňujú hodnotenie chromatickej disperzie pomocou laserového žiarenia pri 4 pevných vlnových dĺžkach: 1310, 1450, 1550 a 1625 nm, pomocou metódy merania. časové intervaly svetelných impulzov prechádzajúcich vláknom. Nepochybnou výhodou týchto zariadení je ich nízka hmotnosť, vysoká rýchlosť merania a dodatočná možnosť merania reflektogramov. Medzi nevýhody patrí o niečo nižšia presnosť merania disperzie, spojená nielen s použitím len 4 pevných zdrojov žiarenia, ale aj s nižšou presnosťou určovania časových oneskorení pulznou metódou v porovnaní s fázovou metódou, najmä v krátkych úsekoch vlákien ( niekoľko km). Princíp merania je založený na metóde merania fázového posunu pri ladení vlnovej dĺžky emitujúceho lasera. Poľný prístroj EXFO tiež používa metódu na meranie fázového posunu signálu pomocou filtrovanej zložky širokopásmového vyžarovania LED ako referenčnej vlnovej dĺžky. Toto riešenie poskytuje proces merania pomocou módneho vlákna bez spätnej väzby zo zdroja žiarenia na spektrálne referovanie výsledkov merania. Výsledkom je možnosť merania dlhých vlákien s jednosmernými prvkami, ako sú izolátory a zosilňovače (až 30 zosilňovačov). Konkrétne bolo hlásené úspešné meranie 500-kilometrového komunikačného spojenia s ôsmimi zosilňovačmi EDFA. Upozorňujeme, že niekoľko spoločností v súčasnosti ponúka prístroje navrhnuté na modulárnom základe, čo umožňuje kombinované merania CD a PMD na jednej platforme v teréne (pozri tabuľku). S touto konfiguráciou je možné realizovať celý rozsah meraní rozptylových parametrov optických spojov v teréne pomocou jedného prenosného zariadenia. Na záver možno konštatovať, že v moderných telekomunikačných systémoch sa meranie a kompenzácia chromatickej disperzie stáva čoraz naliehavejšou úlohou. Veľký výber prístrojov na trhu meracej techniky nám umožňuje úspešne vyriešiť túto zdanlivo neľahkú úlohu. Je potrebné poznamenať, že všetci hlavní výrobcovia meracích zariadení uvedených vyššie sú v Rusku zastúpení buď priamo, alebo prostredníctvom ruských spoločností predávajúcich na základe distribučných zmlúv.

2.1. Príčiny a typy rozptylu

Hlavným dôvodom výskytu disperzie vo vlákne je nekoherencia zdroja žiarenia (laser). Ideálny zdroj vyžaruje všetok výkon pri danej vlnovej dĺžke λ 0, ale v skutočnosti sa žiarenie vyskytuje v spektre λ 0 ± Δλ (obr. 2.1), keďže nie všetky excitované elektróny sa vrátia do rovnakého stavu, z ktorého boli pri čerpaní odstránené.

Obr.2.1. Skutočné laserové žiarenie

Index lomu je frekvenčne závislá veličina, to znamená, že n je funkciou λ: n = f (λ), pozri obr. 2.2.

Obr.2.2. Závislosť indexu lomu od vlnovej dĺžky

V dôsledku toho pri šírení signálu pozostávajúceho zo zmesi vlnových dĺžok λ 0 ± Δλ sa časti signálu pohybujú rôznymi rýchlosťami a dochádza k rozptylu:

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

Tento typ disperzie sa nazýva disperzia materiálu.

Konštanta šírenia priečnej vlny (pozdĺž polomeru vlákna) tiež závisí od vlnovej dĺžky, to znamená, že oblasť režimu a oblasť tej časti plášťa, ktorá je zachytená oblasťou režimu presahujúcou hranice jadra, závisí od vlnová dĺžka. Svetlo sa šíri pozdĺž časti obalu ohraničujúceho jadro vyššou rýchlosťou ako pozdĺž jadra, čo prispieva k zmene rozptylu. Táto disperzia sa nazýva vlnovodná disperzia. Obe tieto disperzie, materiál aj vlnovod, sa súhrnne nazývajú chromatická disperzia. Sčítajú sa aritmeticky. Na obrázku 2.3 sú znázornené závislosti disperzie materiálu a vlnovodu a ich súčet od vlnovej dĺžky. Pre štandardné jednovidové vlákno pri λ = 1300 nm sú tieto disperzie rovnaké a opačné v znamienku a celková disperzia je nulová.

Obr.2.3. Závislosť vlnovej dĺžky materiálu a rozptylu vlnovodu v štandardnom jednovidovom vlákne (nm)

V multimódovom vlákne existuje okrem chromatickej disperzie aj intermódová disperzia. Ak existuje niekoľko režimov, potom sa každý šíri pozdĺž vlákna svojou vlastnou rýchlosťou, ktorá sa môže navzájom výrazne líšiť. Obrázok 2.4 ukazuje grafy fázových rýchlostí niektorých režimov.

Ryža. 2.4. Graf fázových rýchlostí niektorých režimov ako funkcia frekvencie.

Ak sa zmenia parametre vlákna, napríklad sa náhodne zmení priemer jadra, dôjde k ladeniu režimov a režimy si vymieňajú energiu. Intermódová disperzia je rádovo väčšia ako chromatická disperzia, čo bolo dôvodom pre vývoj jednovidových káblov, v ktorých nedochádza k intermódovej disperzii. Tabuľka 2.1 ukazuje približný pomer hodnôt typov disperzie pre rôzne typy vlákien.

Tabuľka 2.1. Vzťah medzi rôznymi typmi rozptylu

Celková disperzia je definovaná ako druhá odmocnina súčtu druhých mocnín chromatickej a vidovej disperzie:

(2.1)

Disperzie materiálu a vlnovodu sa vypočítajú pomocou vzorcov

τ mat = ∆λ∙ М(λ)∙ L (2,2),

τвв = ∆λ∙ В(λ)∙ L (2,3),

kde ∆λ je šírka pásma laserového žiarenia, nm;

М(λ) a В(λ) – špecifický materiál a disperzia vlnovodu, ps/(nm km);

L – dĺžka linky, km.

Hodnoty M(λ) a B(λ) sú uvedené v referenčných knihách.

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

Tabuľka možností 2.1. Približné hodnoty disperzie pre rôzne typy vlákien

2.2. Polarizačný režim rozptylu (PMD)

Svetlo predstavuje vibrácie priečne k smeru šírenia svetla (obr. 2.5). Ak koniec vektora poľa opisuje priamku, potom sa takáto polarizácia nazýva lineárna, ak je to kruh alebo elipsa, potom sa nazýva kruhová alebo eliptická. Väčšina ľudí, až na zriedkavé výnimky, polarizáciu svetla nepociťuje len málokto (napríklad Lev Tolstoj) jasne rozlišuje medzi polarizovaným a nepolarizovaným svetlom. Bežný integrovaný svetelný detektor (dióda) tiež reaguje len na intenzitu vlny a nie na jej polarizáciu. Niektoré optické zariadenia, ako napríklad určité typy zosilňovačov, však majú zisk závislý od polarizácie.

Ryža. 2.5. Typy lineárnej polarizácie

Polarizácia vektora má navyše veľký význam v procesoch odrazu a lomu, keďže Fresnelove koeficienty, ktoré charakterizujú amplitúdy odrazenej a lomenej vlny, vo všeobecnosti závisia od smeru polarizačného vektora (obr. 2.6). . Obrázok 2.6 ukazuje, ako sa zmes lúčov paralelnej (pomlčky) a kolmej (bodka) polarizácie odráža vzhľadom na rovinu šírenia pri prechode cez horizontálnu rovinu rozhrania. Z obrázku je vidieť, že pod určitým uhlom (Brewsterov uhol) majú všetky odrazené vlny kolmú polarizáciu a lomené vlny majú paralelnú polarizáciu.

Ryža. 2.6. Odraz vĺn rôznej polarizácie.

V klasickom jednovidovom vlákne je jediným režimom HE vlna 11. Ak sa však berie do úvahy polarizácia, tak vlákno obsahuje dva navzájom ortogonálne módy zodpovedajúce horizontálnej a vertikálnej osi x a y. V reálnej situácii vlákno nie je vždy dokonalým kruhom v priereze, ale často je to kvôli určitým vlastnostiam technológie malá elipsa. Okrem toho pri navíjaní kábla a pri jeho ukladaní dochádza k asymetrickým mechanickým napätiam a deformáciám vlákna, čo vedie k dvojlomu. Index lomu sa zmení v dôsledku dodatočného napätia a rýchlosti šírenia ortogonálnych vidov v rôznych oblastiach sa budú navzájom líšiť, čo spôsobí rôzne časové oneskorenia pri šírení ortogonálnych vidov. Impulz ako celok zaznamená v priebehu času štatistické rozšírenie, ktoré sa nazýva disperzia polarizačného vidu (PMD). Pretože PMD v rôznych častiach čiary je rozdielne a dodržiava štatistické zákony, zvyčajne sa používa súčet odmocniny a PMD sa vypočíta pomocou vzorca

Informácie na optickom vlákne sa prenášajú vo forme krátkych optických impulzov. Energia impulzu je rozdelená medzi všetky riadené režimy. Rýchlosti všetkých režimov pozdĺž ich trajektórie v krokových OF sú rovnaké. Čas potrebný na prejdenie 1 km OB sa však bude líšiť. Na výstupe optického vlákna sa impulzy jednotlivých módov prichádzajúce v rôznych časoch sčítavajú a tvoria tak širší optický impulz v porovnaní so vstupom (obr. 2.1).

Ryža. 2.1. Trajektórie meridionálnych lúčov v optických vláknach so stupňovitým profilom indexu lomu.

Fenomén rozšírenia impulzu v multimódovom OF sa nazýva intermódová disperzia, ktorá je charakterizovaná hodnotou D m, meranou v ns/km. Ak je známa hodnota disperzie, potom rozšírenie impulzu Δt v optickom vlákne dĺžky L v prvej aproximácii je určené výrazom:

Horný odhad veľkosti intermódovej disperzie: najmenšia trajektória a najkratší čas šírenia tmin má lúč šíriaci sa pozdĺž osi OF.

Najdlhšiu trajektóriu a najdlhší čas šírenia tmax má lúč šíriaci sa po optickom vlákne, odrážajúci sa od rozhrania medzi jadrom a obalom pod uhlom úplného vnútorného odrazu.

Potom . (2.4)

Rozptyl obmedzuje rýchlosť prenosu informácií cez optické vlákno.

Ryža. 2.2. Závislosť intermódovej disperzie od relatívneho rozdielu v indexoch lomu jadra a plášťa.

Hodnota intermodálnej disperzie [ns/km] je spojená s pojmom širokopásmové vlákno alebo špecifická šírka pásma B[MHz km]

Širokopásmová hodnota pre stupňovité multimódové kremenné vlákna je obmedzená na 20-50 MHz km.

Pre gradientové multimódové vlákna je šírka pásma v rozsahu 200 – 2000 MHz km.

Radikálnym spôsobom zníženia rozptylu je prechod z multimódového prenosu na jednorežimový prenos.

Prvýkrát bol prenos v jednom režime vo vlákne so stupňovitým indexom dosiahnutý znížením polomeru jadra na 5 µm. Takéto vlákna sa nazývajú štandardné jednovidové vlákna.

Dôležitým normalizovaným parametrom pre jednovidové vlákna je priemer w alebo polomer r n m vidového bodu (pola), ktorý charakterizuje straty pri vstupe svetla do vlákna a používa sa na výpočty namiesto polomeru alebo priemeru jadra; jeho hodnota závisí od typu vlákna a prevádzkovej vlnovej dĺžky a leží v rozmedzí 8 až 10 mikrónov (v skutočnosti je o 10-12 % väčšia ako priemer jadra).

V prípade vypnutia s jedným režimom možno rozdelenie intenzity poľa režimu aproximovať pomocou Gaussovej krivky:

Ryža. 2.3. Určenie priemeru módového poľa.

Na obr. 2.4. ukazuje vypočítané rozloženie poľa režimu pre štandardné vlákno pri vlnových dĺžkach bežne používaných na komunikáciu.

Ryža. 2.4. Distribúcia poľa základného režimu v štandardnom vlákne.

Keďže rýchlosť šírenia svetla v optickom vlákne závisí od vlnovej dĺžky žiarenia λ, rôzne spektrálne zložky signálu sa šíria rôznymi rýchlosťami.

Ryža. 2.5. Emisné spektrum zdroja.

Chromatická disperzia pozostáva z dvoch zložiek: materiálu a vlnovodu:

Ako fyzikálna veličina sa meria v ps / (nm km) a znamená rozšírenie impulzu v 1 km dlhom vlákne so šírkou spektra signálu 1 nm (pri zohľadnení prenosovej rýchlosti a spektrálnej šírky žiarenia zdroj).

Materiálová disperzia je spôsobená závislosťou indexu lomu kremeňa n (fázy aj skupiny) alebo rýchlosti šírenia svetla v kremeni od vlnovej dĺžky (obr. 1.10) a je úmerná druhej derivácii indexu lomu vzhľadom na na vlnovú dĺžku:

Ryža. 2.6. Vznik rozptylu materiálu.

Na obr. Obrázok 2.7 ukazuje závislosť disperzie materiálu od vlnovej dĺžky. Je vidieť, že disperzia materiálu má znamienko a pri vlnovej dĺžke nulovej disperzie materiálu λ = λ 0 prechádza mat cez 0.

Disperzia vlnovodu D in nesúvisí s vlastnosťami materiálu, ale závisí od konštrukcie a rozmerov vlnovodu. Jeho vzhľad je spôsobený tým, že vlna v jednovidovom OF sa šíri čiastočne v jadre, čiastočne v plášti a jej index lomu má priemernú hodnotu medzi indexmi lomu jadra a plášťa. Pri zmene vlnovej dĺžky sa mení hĺbka prieniku poľa do kremenného obalu a následne sa mení aj priemerná hodnota indexu lomu.

Ryža. 2.7. Chromatická disperzia v štandardnom jedinom režime
vláknina

Ryža. 2.8. Vznik rozptylu vlnovodu.

Disperzia vlnovodu je negatívna a s rastúcou λ klesá. To umožňuje zmenou veľkosti a konštrukcie OB riadiť závislosť D in a následne závislosť Dxr od λ.

Existuje vlnová dĺžka, pri ktorej sú disperzie materiálu a vlnovodu rovnako veľké a majú opačné znamienka, to znamená, že chromatická disperzia je nulová. Táto vlnová dĺžka sa nazýva vlnová dĺžka s nulovou chromatickou disperziou alebo jednoducho vlnová dĺžka s nulovou disperziou λ 0 D.

Vo väčšine jednorežimových OF je umiestnenie osí najvyššej a najnižšej rýchlosti náhodné a expanzia impulzu prechádzajúceho cez OF sa zvyšuje so zvyšujúcou sa dĺžkou L v pomere k druhej odmocnine dĺžky OF:

kde Dp je disperzia v polarizačnom režime.

Pre väčšinu jednovidových OF leží hodnota rozptylu polarizačného režimu v rozsahu 0,02 – 0,2 ps/km 0,5.

Disperzia optického vlákna je časový rozptyl zložiek optického signálu. Dôvodom disperzie sú rôzne rýchlosti šírenia zložiek optického signálu.

Disperzia sa prejavuje ako predĺženie trvania (rozšírenie) optických impulzov pri šírení v optickom vlákne. Predlžovanie trvania optických impulzov spôsobuje medzisymbolové rušenie – vytvára prechodné rušenie, ktoré zhoršuje pomer signálu k šumu a v dôsledku toho vedie k chybám príjmu. Je zrejmé, že medzisymbolová interferencia sa zvyšuje s rozširovaním optických impulzov. Pre pevnú hodnotu rozšírenia impulzu sa medzisymbolová interferencia zvyšuje so znižujúcou sa periódou opakovania impulzu T. Rozptyl teda obmedzuje rýchlosť prenosu informácií v linke B = 1/T a dĺžka regeneračného úseku (RU).

V optických vláknach možno rozlíšiť niekoľko typov disperzie: vidová disperzia, polarizačná vidová disperzia a chromatická disperzia.

V multimódovom OF prevláda medzimódová disperzia spôsobená prítomnosťou veľkého počtu módov s rôznymi dobami šírenia.

výrazne prevyšuje iné typy disperzie, preto je šírka pásma takýchto optických vlákien určená najmä vidovou disperziou. Zväčšenie šírky pásma multimódových optických vlákien sa dosahuje prostredníctvom profilu gradientu indexu lomu, v ktorom index lomu v jadre plynule klesá od osi optického vlákna k plášťu. Pri takomto gradientovom profile je rýchlosť šírenia lúča v blízkosti osi vlákna nižšia ako v oblasti susediacej s plášťom. Výsledkom je, že so zväčšením dĺžky trajektórie vedených lúčov na segmente vlákna sa zvyšuje rýchlosť ich šírenia pozdĺž trajektórie. Čím dlhšia cesta, tým väčšia rýchlosť. To zaisťuje vyrovnanie času šírenia lúča a tým aj zníženie rozptylu vidov. Optimálny profil z hľadiska minimalizácie rozptylu vidov je parabolický profil.

Šírka pásma multimódových vlákien je charakterizovaná širokopásmovým faktorom DF, MHz. km, ktorého hodnota je uvedená v pasových údajoch OF pri vlnových dĺžkach zodpovedajúcich prvému a druhému okienku priehľadnosti. Šírka pásma pre typické multimódové optické vlákna je 400...2000 MHz. km.

Multimode optické vlákna sa používajú v lokálnych sieťach, dátových centrách a súkromných sieťach na veľké vzdialenosti. Nepoužíva sa so spektrálnymi tesniacimi systémami.

V jednovidových OF sa šíri iba jeden základný režim a nedochádza k rozptylu vidov.

Hlavným faktorom obmedzujúcim dĺžku regeneračných úsekov vysokorýchlostnej vláknovej optiky je chromatická disperzia. Odporúčania Medzinárodnej telekomunikačnej únie ITU-T G.650 poskytujú nasledujúcu definíciu: chromatická disperzia (CD) je rozšírenie svetelného impulzu v optickom vlákne spôsobené rozdielom v skupinových rýchlostiach rôznych vlnových dĺžok, ktoré tvoria spektrum optický informačný signál. Trvanie optického impulzu na výstupe predĺženého optického vlákna je určené relatívnym skupinovým oneskorením najpomalšej spektrálnej zložky vo vzťahu k najrýchlejšej. Vplyv CD je teda úmerný šírke spektra zdroja žiarenia. S rastúcou dĺžkou prenosovej linky a rýchlosťou prenosu informácií sa zvyšuje vplyv chromatickej disperzie.

Nasledujúce zložky prispievajú k CD: materiál a rozptyl vlnovodu. Dôležitou optickou charakteristikou skla používaného pri výrobe vlákna je disperzia indexu lomu, ktorá sa prejavuje ako závislosť rýchlosti šírenia signálu od vlnovej dĺžky - disperzie materiálu. Okrem toho pri výrobe jednovidového vlákna, keď sa kremenné vlákno vyťahuje zo skleneného predlisku, dochádza v rôznej miere k odchýlkam v geometrii vlákna a v radiálnom profile indexu lomu. Samotná geometria vlákna spolu s odchýlkami od ideálneho profilu tiež významne prispieva k závislosti rýchlosti šírenia signálu na vlnovej dĺžke, ide o vlnovodnú disperziu.

Chromatická disperzia je určená spoločným pôsobením materiálu D M ( l) a disperzie vlnovodu DB ( l)

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

Disperzia materiálu je určená disperznými vlastnosťami materiálu - kremeň,

D M= - l ¶ 2n .c¶ l 2

Disperzia vlnovodu D B ( l) je spôsobená skupinovou závislosťou

rýchlosť šírenia vidu v závislosti od vlnovej dĺžky je primárne určená profilom indexu lomu jadra vlákna a vnútorného plášťa.

Pomerne často sa na odhad rozptylu vlnovodu používa nasledujúci vzťah:

Kde V– normalizovaná frekvencia; b je normalizovaná konštanta šírenia, ktorá súvisí s b s nasledujúcim pomerom:

nazývaný normalizovaný parameter rozptylu vlnovodu.

Ryža. 3.13. Spektrum chromatickej disperzie štandardného stupňovitého vlákna

Kvantitatívne sa chromatická disperzia OM hodnotí koeficientom D s rozmerom ps/(nm. km). Chromatická disperzia vlákna v

pikosekundy (ps) na úseku dĺžky L km, rovná sa

s=D× L×D l

Kde Dl- pásmo vlnových dĺžok zdroja optického žiarenia, nm.

Hlavné parametre chromatickej disperzie sú:

1. Vlnová dĺžka s nulovou disperziou l 0, nm. Pri tejto vlnovej dĺžke

materiál a zložky vlnovodu sa navzájom kompenzujú a chromatická disperzia sa stáva nulovou.

2. Koeficient chromatickej disperzie, ps/(nm×km). Tento parameter určuje rozšírenie optického impulzu šíriaceho sa na vzdialenosť 1 km so šírkou spektra zdroja 1 nm.

3. Sklon rozptylovej charakteristiky S 0 je definovaná ako dotyčnica

k disperznej krivke pri vlnovej dĺžke l 0 (pozri obr. 3.13). Podobne môže

určiť sklon S v ktoromkoľvek bode spektra.