Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рисунок 3.2).

Примерный ход запаздывания импульсов и коэффициента дисперсии от длины волны излучения показан на рисунке 3.3. Коэффициент дисперсии () рассчитывается по зависимости удельного запаздывания от длины волны излучения, где L - длина волокна.

Рисунок 3.2 - Материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне

Рисунок 3.3 - Зависимость запаздывания и коэффициента дисперсии в SM волокне т длины волны

Изменение ширины импульсов (в отсутствие потерь или усиления) неизбежно сопровождается изменением их пиковой амплитуды (рисунок 3.4). При этом в первом приближении сохраняется произведение амплитуды импульса на его ширину (площадь импульса не изменяется):

Рисунок 3.4 - Изменение ширины импульсов сопровождается изменением их пиковой мощности и характеризуется штрафом по мощности

Изменение пиковой амплитуды импульсов принято характеризовать величиной штрафа по мощности:

Это же понятие удобно использовать и для характеристики относительной величины уширения импульсов

При этом за пороговое значение штрафа по мощности часто принимают уровень q = 2 дБ, что соответствует увеличению ширины импульса примерно в 1,6 раза.

Хроматическая дисперсия представляет собой сумму материальной и волноводной дисперсий: . Пояснить это можно следующим образом. Как уже говорилось, хроматическая дисперсия возникает из-за того, что скорость распространения волны меняется при изменении длины волны. В однородной среде скорость распространения волны может изменяться только из-за зависимости показателя преломления среды от длины волны, что и приводит к появлению материальной дисперсии. В волокне волна распространяется в двух средах - частично в сердцевине, а частично - в кварцевой оболочке, и для нее показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки (рисунок 3.5).

Этот средний показатель преломления может изменяться по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки зависят от длины волны (примерно одинаково). Эта зависимость приводит к появлению материальной дисперсии. Материальная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. Величину материальной дисперсии можно найти из выражения

где - удельная материальная дисперсия.

Во-вторых, потому, что при изменении длины волны, меняется глубина проникновения поля в кварцевую оболочку и, соответственно, меняется среднее значение показателя преломления (даже если значения показателей преломления сердцевины и кварцевой оболочки не меняются). Это чисто волноводный эффект, и поэтому возникающую из-за него дисперсию называют волноводной. Величину волноводной дисперсии можно найти из выражения

где - удельная волноводная дисперсия.

Рисунок 3.5 - Волноводная дисперсия возникает из-за того, что усредненный по диаметру моды показатель преломления изменяется при изменении длины волны

Волноводная дисперсия зависит от формы профиля показателя преломления. В SM волокнах форма профиля показателя преломления ступенчатая с относительно большим диаметром сердцевины и малым скачком показателя преломления. В DS и NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии смещена по сравнению с SM волокнами в длинноволновую сторону.

Для того чтобы сместить длину волны нулевой дисперсии, необходимо уменьшить либо материальную, либо волноводную составляющую хроматической дисперсии. Сделать это можно, изменяя состав примесей, вводимых в сердцевину. Материальная дисперсия слабо зависит от состава легирующих примесей. В больших пределах меняется волноводная дисперсия (за счет изменения формы профиля показателя преломления) (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 - Профили показателя преломления DS и NZDS волокон: а) треугольник на пьедестале, б) трезубец (или W)

Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.

Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптических оптического сигнала, которые приводят к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространения его по ОВ.

Уширение импульса определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе оптического волокна по формуле:

причем значенияи берутся на уровне половины амплитуды импульсов (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8

Рисунок 2.8 - Уширение импульса за счет дисперсии

Дисперсия возникает по двум причина: некогерентность источников излучения и существования большого количества мод. Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) , она состоит из двух составляющих – материальной и волноводной (внутримодовой) дисперсий. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны, волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны.

Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) .

Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. В ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова и равна: , где С – скорость света. В этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углом к оси в пределах апертурного угла распространяются в сердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при одинаковой скорости распространения достигают приемного конца в разное время, что приводит к увеличению длительности принимаемого импульса. Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при падающем луче , а максимальное при , то можно записать:

где L – длина световода;

Показатель преломления сердцевины ОВ;

С – скорость света в вакууме.

Тогда значение межмодовой дисперсии равно:

Модовая дисперсия градиентных ОВ на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траектории изменяется. Так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных больше. Лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время рапространения лучей выравнивается, и увеличение длительности импульса становится меньше. При параболическом профиле показателя преломления, когда показатель степени профиля q=2, модовая дисперсия определяется выражением:

Модовая дисперсия градиентного ОВ в раз меньше, чем ступенчатого при одинаковых значениях . А так как обычно , то модовая дисперсия указанных ОВ может отличаться на два порядка.

В расчетах при определении модовой дисперсии следует иметь в виду, что до определенной длины линии называемой длиной связи мод, нет межмодовой связи, а затем при происходит процесс взаимного преобразования мод и наступает установившийся режим. Поэтому при дисперсия увеличивается по линейному закону, а затем, при - по квадратичному закону.

Таким образом, вышеприведенные формулы справедливы лишь для длины . При длинах линий следует пользоваться следующими формулами:

- для ступенчатого световода

- для градиентного световода,

где - длина линии;

Длина связи мод (установившегося режима), равная км – для ступенчатого волокна и км – для градиентного (установлено эмпирическим путем).

Материальная дисперсия зависит от частоты (или от длины волны ) и материала ОВ, в качестве которого, как правило, используется кварцевое стекло. Дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный (резонансный) характер.

Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий волокно (светоизлучающий диод – СИД или полупроводниковый лазер ППЛ) формирует световое излучение, имеющее непрерывный волновой спектр определенной ширины (для СИД это примерно нм, для многомодовых ППЛ - нм, для одномодовых лазерных диодов нм). Различные спектральные компоненты светового излучения распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку в разное время, приводя к уширению импульса на приемном конце и, при определенных условиях, к искажению его формы. Показатель преломления изменяется от длины волны (частоты ), при этом уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, введенного в волокно (как правило, источник излучает несколько длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области I окна прозрачности – более длинны волны (850нм) движутся быстрее по сравнению с более короткими длинами волн (845нм). В области III окна прозрачности ситуация меняется: более короткие (1550нм) движутся быстрее по сравнению с более длинными (1560нм). Рисунок 2.9

Рисунок 2.9 – Скорости распространения длин волн

Длина стрелок соответствует скорости длин волн, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению.

В некоторой точке спектра происходит совпадение скоростей. Это совпадение у чистого кварцевого стекла происходит на длине волны нм, называемой длиной волны нулевой дисперсии материала, так как . При длине волны ниже длины волны нулевой дисперсии параметр имеет положительное значение, в обратном случае - отрицательное. Рисунок 2.10

Материальную дисперсию можно определить через удельную дисперсию по выражению:

.

Величина - удельная дисперсия, , определяется экспериментальным путем. При разных составах легирующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от (таблица 2.3).

Таблица 2.3 – Типичные значения удельной материальной дисперсии

Волноводная (внутримодовая) дисперсия – этим термином обозначается зависимость задержки светового импульса от длины волны, связанная с изменением скорости его распространения в волокне из-за волноводного характера распространения. Уширение импульсов, обусловленное волноводной дисперсией, аналогично пропорционально ширине спектра излучения источника и определяется как:

,

где - удельная волноводная дисперсия, значение которой представлены в таблице 2.4:

Таблица 2.4

– обусловлена дифференциальной групповой задержкой между лучами с основными состояниями поляризации. Распределение энергии сигнала по различным состояниям поляризации медленно изменяется со временем, например, вследствие изменения температуры окружающей среды, анизотропия показателя преломления, вызванная механическими усилиями.

В одномодовом волокне распространяется не одна мода, как принято считать, а две перпендикулярные поляризации (моды) исходного сигнала. В идеальном волокне эти моды распространялись бы с одинаковой скоростью, однако реальные волокна имеют не идеальную геометрию. Главной причиной поляризационной модовой дисперсии является неконцентричность профиля сердцевины волокна, возникающая в процессе изготовления волокна и кабеля. В результате две перпендикулярные поляризационные составляющие имеют разные скорости распространения, что и приводит к дисперсии (рисунок 2.11)

Рисунок 2.11

Коэффициент удельной поляризационно-модовой дисперсии нормируется в расчете на 1км и имеет размерность . Величина поляризационно-модовой дисперсии рассчитывается по формуле:

Из-за небольшой величины ее необходимо учитывать исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача высокоскоростного сигнала (2,5Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

Коэффициент удельной ПМД типового волокна, как правило, составляет .

Важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его информационную пропускную способность.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме (рисунок 3).

Рисунок 3 - Влияние дисперсии

Дисперсия -- это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе 0В:

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:

Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией),

Направляющими свойствами оптического волокна (волноводной дисперсией),

Параметрами материала, из которого оно изготовлено (материальной дисперсией).

Рисунок 4 - Виды дисперсии

Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны - некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).

Межмодовая дисперсия

Она преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова для всех мод.Различие путей распространения направляемых мод на фиксированной частоте (длине волны) излучения оптического источника приводит к тому, что время прохождения этих мод по ОВ различно. В результате образуемый ими импульс на выходе ОВ уширяется. Величина уширения импульса равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой мод. Указанное явление носит название межмодовой дисперсии.

Формулу расчета межмодовой дисперсии можно получить, рассматривая геометрическую модель распространения направляемых мод в ОВ. Любая направляемая мода в ступенчатом ОВ может быть представлена световым лучом, который при движении вдоль волокна многократно испытывает полное внутреннее отражение от поверхности раздела «сердцевина-оболочка». Исключением является основная мода НЕ 11 , которая описывается световым лучом, движущимся без отражения вдоль оси волокна.

При длине ОВ, равной L, длина зигзагообразного пути, пройденного лучом света, распространяющимся под углом и z к оси волокна, составляет L/cos и z (рисунок 5).

Рисунок 5 - Пути распространения световых лучей в двухслойном ОВ

Скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны л одинакова в рассматриваемом волокне и равна:

где с - скорость света, км/с.

Обычно в ОВ n 1 ? n 2 , поэтому принимает вид:

где - относительное значение показателей преломления сердцевина-оболочка.

Из формулы видно, что уширение импульсов, обусловленное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ эту разность стремятся сделать как можно меньше.

На практике же из-за наличия неоднородностей (главным образом, микроизгибов) отдельные моды при прохождении по ОВ воздействуют друг на друга и обмениваются энергией.

Межмодовую дисперсию в ступенчатых ОВ можно полностью исключить, если соответствующим образом подобрать структурные параметры ОВ. Так, если сделать размеры сердцевины и? настолько малыми, то по волокну будет распространяться на несущей длине волны только одна мода, т. е. модовая дисперсия будет отсутствовать. Такие волокна называются одномодовыми. Они имеют наибольшую пропускную способность. С их помощью могут быть организованы большие пучки каналов на магистралях связи.

Дисперсия импульсов может быть также существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля преломления по сечению сердцевины ОВ. Так, дисперсия уменьшается при переходе к градиентным ОВ. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, ниже на порядок и более чем у ступенчатых волокон .

В таких градиентных ОВ в противоположность ОВ со ступенчатым профилем распространения, лучи света распространяются уже не зигзагообразно, а по волно- или винтообразным спиральным траекториям.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны. (2-18) Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны (2-19) где введены коэффициенты M(l) и N(l) - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а Dl (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D(l) = M(l) + N(l). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм*км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(l) и N(l), а результирующая дисперсия D(l) обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии l 0 . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться l 0 для данного конкретного волокна. Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 нм для SF и DSF), делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне, чтобы устранить систематическую составляющую ошибки. Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера (Sellmeier, ): t (l) = A + Bl 2 + Cl -2 . Коэффициенты A, B, C являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую t (l), рис. 2.10. Тогда удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле: (2-20) где l 0 = (C/B) 1/4 - длина волны нулевой дисперсии (zero dispersion wavelength), новый параметр S 0 = 8B - наклон нулевой дисперсии (zero dispersion slope, его размерность пс/(нм 2 *км)), а l - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны

где введены коэффициенты M(l) и N(l) - удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а Dl (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D(l) = M(l) + N(l). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм*км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация M(l) и N(l), а результирующая дисперсия D(l) обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии l 0 . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться l 0 для данного конкретного волокна.

Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 нм для SF и DSF), делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне, чтобы устранить систематическую составляющую ошибки.

Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера (Sellmeier, ): t (l) = A + Bl 2 + Cl -2 . Коэффициенты A, B, C являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую t (l). Тогда удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

где l 0 = (C/B) 1/4 - длина волны нулевой дисперсии (zero dispersion wavelength), новый параметр S 0 = 8B - наклон нулевой дисперсии (zero dispersion slope, его размерность пс/(нм 2 *км)), а l - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

а) многомодового градиентного волокна (62,5/125)

б) одномодового ступенчатого волокна (SF)

в) одномодового волокна со смещенной дисперсией (DSF)

Рис. 1.2

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде t (l) = A + Bl + Cl lnl, а соответствующая удельная дисперсия определяется как

со значениями параметров l 0 = e -(1+B/C) и S 0 = C/l 0 , где l - рабочая длина волны, l 0 - длина волны нулевой дисперсии, и S 0 - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением t chr (l) = D(l)·Dl, где Dl - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (Dl ~ 2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии.

Технические характеристики взяты у волокон, производимых фирмой Corning.