Valoarea maximă de dispersie va fi atunci când se utilizează fibre. Dispersia semnalelor în fibre optice. Analizor de dispersie cromatică

Când o undă electromagnetică interacționează cu electronii legați ai unui dielectric, răspunsul mediului depinde de frecvența optică.Această proprietate, numită dispersie cromatică, se manifestă ca o dependență de frecvență a indicelui de refracție și Apariția dispersiei cromatice este asociată cu caracteristici frecvențele la care mediul absoarbe radiația electromagnetică datorită oscilațiilor electronilor legați. Departe de frecvențele de rezonanță ale mediului, comportamentul indicelui mediu este bine descris de ecuația Sellmeier

unde este frecvența de rezonanță și mărimea rezonanței. Însumarea în ecuația (1.2.6) se realizează pe toate frecvențele de rezonanță ale substanței, care contribuie la regiunea spectrală de interes pentru noi. În cazul fibrelor optice, parametrii sunt determinați prin potrivirea criteriilor de dispersie măsurate la ecuația (1.2.6) atunci când depind de compoziția miezului. Pentru sticla de cuarț în vrac, acești parametri sunt: ​​µm, unde și c este viteza luminii în vid.

Dispersia într-o fibră optică are o importanță decisivă în propagarea impulsurilor optice scurte, deoarece diferitele componente spectrale ale spectrului de impulsuri se propagă la viteze diferite.Chiar și în cazurile în care efectele neliniare nu sunt importante, lărgirea impulsurilor dispersive poate fi dăunătoare liniilor de comunicație optică. . În modul neliniar, combinația dintre dispersie și neliniaritate poate duce la o imagine diferită calitativ, care este discutată în capitolele următoare. În descrierea matematică, efectele de dispersie în fibră sunt luate în considerare prin extinderea constantei de propagare a modului într-o serie Taylor în apropierea frecvenței purtătoare.

După cum se arată în sect. 2.3, anvelopa pulsului se deplasează cu viteza grupului și parametrul determină lărgirea pulsului. Parametrii sunt legați de indicele de refracție și derivatele acestuia prin relații

unde este indicele de refracție de grup.

Pe fig. 1.4 și 1.5 arată dependențele de lungimea de undă X pentru sticla de cuarț, obținute cu ajutorul ecuațiilor (1.2.6), (1.2.9), (1.2.10). Asta e minunat. care tinde spre zero la aproximativ 1,27 µm și devine negativă pentru lungimi de undă mai mari. Lungimea de undă la care este adesea denumită lungime de undă cu dispersie zero. Cu toate acestea, trebuie remarcat că la , dispersia nu este zero. Descrierea propagării impulsurilor în apropiere necesită includerea unui termen cubic în expansiune (1.2.7). Astfel de efecte de dispersie de ordin superior pot distorsiona impulsurile optice ultrascurte atât în ​​mod liniar, cât și în mod neliniar.

Orez. 1.4. Dependența indicelui de refracție și a indicelui de refracție de grup al sticlei de cuarț de lungimea de undă.

Orez. 1.5. Dependența de lungime de undă Pentru sticlă de cuarț. Parametrul de dispersie este aproape de 1,27 µm. Parametrul este prezentat în funcție de µm.

Cu toate acestea, luarea în considerare a acestora este necesară numai atunci când lungimea de undă a impulsului X se apropie de o valoare în câțiva nanometri.

Curbele prezentate în Fig. 1.4 și 1.5 sunt construite pentru sticlă de cuarț în vrac. Comportamentul de dispersie pentru fibrele de sticlă reale, în general, diferă de cel prezentat în aceste figuri din următoarele două motive. În primul rând, miezul fibrei poate avea o cantitate mică de impurități, cum ar fi ecuația (1.2.6), în acest caz, ar trebui să fie utilizată cu parametrii corespunzători unui anumit număr de niveluri de impurități. În al doilea rând, prezența unei structuri de ghid de undă reduce oarecum indicele de refracție efectiv al modului în comparație cu indicele de refracție din materialul în vrac, iar această scădere depinde de frecvență. Ca rezultat, pentru a obține o dispersie completă într-o fibră optică, la dispersia materialului trebuie adăugată o componentă de ghid de undă. În general, contribuția la ghidul de undă este neglijabilă pe întreaga regiune spectrală, cu excepția regiunii din apropierea lungimii de undă cu dispersie zero, unde dispersia ghidului de undă și dispersia materialului devin comparabile. Efectul principal al contribuției ghidului de undă este o ușoară deplasare către regiunea lungimii de undă lungi; µm pentru ghiduri de lumină tipice. Pe fig. 1.6 arată dispersia totală măsurată într-o fibră optică monomod. Pentru a cuantifica dispersia, se folosește parametrul de dispersie utilizat în mod obișnuit în literatura de fibră optică în loc de Următoarea relație

Orez. 1.6. Dependența de lungime de undă măsurată a parametrului de dispersie D al unei fibre monomod. Lungimea de undă cu dispersie zero este deplasată la o lungime de undă de 1,312 um datorită contribuției dispersiei ghidului de undă la dispersia totală a fibrei.

stabileşte o legătură între

O caracteristică interesantă a dispersiei ghidului de undă este că contribuția sa la (sau depinde de) parametrii fibrei: raza miezului a și diferența dintre indicii de refracție ai miezului și ai placajului.Acest fapt poate fi folosit pentru a schimba lungimea de undă a dispersiei zero la 1,55. µm, unde fibrele au pierderi minime.Asemenea fibre deplasate în dispersie pot fi utilizate în viitor în sistemele de comunicații optice.Este posibil să se creeze fibre cu o curbă de dispersie foarte plată, având o dispersie mică într-un interval spectral larg de μm. Acest lucru se realizează prin utilizarea mai multor straturi de placare. Figura 1.7 prezintă curbele de dispersie măsurate pentru două astfel de fibre cu placare multiplă având placaje cu două sau trei straturi în jurul miezului. Pentru comparație, este prezentată și curba de dispersie pentru fibra cu o singură placare ( linie întreruptă.Fibra cu patru straturi are o dispersie scăzută nm) pe o regiune spectrală largă de la 1,25 la 1,65 µm. Fibrele cu caracteristici de dispersie modificate sunt utile pentru studiul efectelor neliniare atunci când într-un experiment sunt necesare proprietăți speciale de dispersie.

Efectele neliniare în fibrele optice pot fi calitativ complet diferite în funcție de semnul dispersiei

Orez. 1.7. Dependența de lungime de undă a parametrului de dispersie pentru trei tipuri diferite de fibre optice. Etichetele se referă la fibre optice cu un singur, dublu și, respectiv, cu patru învelișuri.

parametrii sau Deoarece

parametrul se numește de obicei dispersia vitezei de grup. La lungimi de undă, parametrul (vezi Fig. 1.5) și fibra se spune că au dispersie normală. În modul normal de dispersie, componentele de înaltă frecvență (deplasate în regiunea albastră) ale spectrului pulsului optic se propagă mai lent decât componentele de joasă frecvență. Situația opusă apare în modul așa-numitei dispersii anormale, adică atunci când După cum se poate observa din Fig. 1.5, fibrele de sticlă au o dispersie anormală în regiunea lungimilor de undă mai mari decât lungimea de undă cu dispersie zero. Modul de dispersie anormală prezintă un interes considerabil pentru studierea efectelor neliniare, deoarece în acest mod pot exista solini în fibrele optice - impulsuri optice pentru care dispersia și efectele neliniare exact se anulează reciproc.

Informațiile despre OF sunt transmise sub formă de impulsuri optice scurte. Energia pulsului este distribuită între toate modurile ghidate. Vitezele tuturor modurilor de-a lungul traiectoriei lor într-un OF treptat sunt aceleași. Cu toate acestea, timpul necesar pentru a parcurge 1 km de SV va varia. La ieșirea OF, impulsurile modurilor individuale care au venit la timp diferit, se adună, formând un impuls optic mai larg, comparativ cu intrarea (fig. 2.1).

Orez. 2.1. Traiectorii razelor meridionale în OF cu profil de indice de refracție în trepte.

Fenomenul de lărgire a impulsului într-o fibră optică multimodală se numește dispersie intermodală, care se caracterizează prin valoarea D m , măsurată în ns/km. Dacă valoarea dispersiei este cunoscută, atunci lărgirea impulsului Δt în OF de lungime L în prima aproximare este determinată de expresia:

Estimarea superioară a valorii dispersiei intermodale: cea mai mică traiectorie și cel mai mic timp de propagare t min are un fascicul care se propagă de-a lungul axei OF.

Cea mai mare traiectorie și cel mai lung timp de propagare t max are un fascicul care se propagă de-a lungul fibrei optice, reflectând de la interfața dintre miez și înveliș la un unghi de reflexie internă totală.

Apoi . (2,4)

Dispersia limitează rata de transfer de informații peste OF.

Orez. 2.2. Dependența dispersiei intermodale de diferența relativă dintre indicii de refracție ai miezului și ai placajului.

Valoarea dispersiei intermodale [ns/km] este legată de conceptul de bandă largă de fibră sau de lățimea de bandă specifică B[MHz km]

Valoarea lățimii de bandă pentru fibrele de silice multimode în trepte este limitată la 20-50 MHz km.

Pentru fibrele multimode cu gradient, lățimea de bandă este în intervalul 200 - 2000 MHz km.

O modalitate radicală de a reduce dispersia este trecerea de la transmisia multimodă la modul unic.

Pentru prima dată, transmisia monomod în fibra index în trepte a fost realizată prin reducerea razei miezului la 5 µm. Astfel de fibre sunt numite fibre standard monomod.

Un parametru normalizat important pentru fibrele monomod este diametrul w sau raza r nm a spotului (câmpului) de mod, care caracterizează pierderea 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 un OF cu un singur mod, distribuția intensității câmpului de mod poate fi aproximată printr-o curbă Gaussiană:

Orez. 2.3. Determinarea diametrului câmpului de mod.

Pe fig. 2.4. Sunt prezentate distribuțiile de câmp modal calculate prin expresie pentru o fibră standard la lungimi de undă care sunt utilizate în mod obișnuit pentru comunicații.

Orez. 2.4. Distribuția câmpului de mod a modului fundamental într-o fibră standard.

Deoarece viteza de propagare a luminii în OF depinde de lungimea de undă a radiației λ, diferite componente spectrale ale semnalului se propagă la viteze diferite.

Orez. 2.5. Spectrul de radiații al sursei.

Dispersia cromatică constă din două componente: material și ghid de undă:

Cum cantitate fizica măsurată în ps / (nm km) și înseamnă lărgirea pulsului într-o fibră lungă de 1 km cu o lățime a spectrului de semnal de 1 nm (ținând cont de rata de transmisie și lățimea spectrului sursei de radiație).

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.

Pe fig. 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 Dv nu este legată de proprietățile materialului, ci depinde de proiectarea și dimensiunile ghidului de undă. Apariția sa se datorează faptului că o undă într-un OF monomod se propagă parțial în miez, parțial în placare, iar indicele de refracție pentru aceasta ia valoarea medie între indicii de refracție ai miezului și ai învelișului. Când lungimea de undă se modifică, adâncimea de penetrare 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 face posibil, prin modificarea dimensiunii și designului OF, să se controleze dependența lui Dv și, în consecință, dependența lui D xp de λ.

Există o astfel de lungime de undă la care dispersiile de material și ghidul de undă sunt egale în valoare absolută și au semne opuse, adică dispersia cromatică este zero. Această lungime de undă se numește lungimea de undă a dispersiei cromatice zero sau pur și simplu lungimea de undă a dispersiei zero λ 0 D .

În majoritatea OF-urilor cu un singur mod, locația axelor celei mai mari și cele mai mici viteze este aleatorie, iar expansiunea pulsului care trece prin OF crește cu lungimea L proporțional cu rădăcina pătrată a lungimii OF:

unde D p este dispersia în modul de polarizare.

Pentru majoritatea fibrelor optice monomod, dispersia modului de polarizare este în intervalul 0,02 – 0,2 ps/km 0,5.

Fibra optică transmite nu doar energie luminoasă, ci și un semnal de informare util. Pulsurile de lumină, a căror secvență determină fluxul de informații, sunt neclare în procesul de propagare. Cu o lărgire suficient de mare, impulsurile încep să se suprapună, astfel încât devine imposibilă separarea lor în timpul recepției.

Dispersia - lărgirea impulsului - are dimensiunea timpului și este definită ca diferența pătratică dintre duratele impulsurilor la ieșirea și intrarea unui cablu de lungime L conform formulei . Dispersia este de obicei normalizată la 1 km și se măsoară în ps/km. Dispersia este, în general, caracterizată de trei factori principali discutați mai jos:

• prin diferența dintre vitezele de propagare a modurilor ghidate (dispersia intermodală tmod)
• proprietăți de ghidare ale structurii de ghidare a luminii (dispersia ghidului de undă tw)
• proprietățile materialului din fibră optică (dispersia materialului tmat)

Cu cât valoarea dispersiei este mai mică, cu atât mai multe informații pot fi transmise prin fibră.

Dispersia intermodală și lățimea de bandă

Dispersia intermodală apare din cauza vitezelor de propagare diferite ale modurilor și are loc numai în fibra multimodală. Pentru fibra multimodă în trepte și fibra multimodă gradată cu un profil de indice de refracție parabolic, aceasta poate fi calculată, respectiv, prin formulele:

unde L este lungimea de cuplare intermodală (aproximativ 5 km pentru o fibră în trepte, aproximativ 10 km pentru o fibră cu gradient).

Modificarea legii de dispersie de la liniară la pătratică se datorează neomogenităților care există într-o fibră reală. Aceste neomogenități duc la interacțiunea dintre moduri și la redistribuirea energiei în cadrul acestora. La L > Lc, apare o stare de echilibru, când toate modurile sunt prezente în radiație într-o anumită proporție constantă. De obicei, lungimea liniilor de comunicație între dispozitivele active atunci când se utilizează fibră multimodală nu depășește 2 km și este mult mai mică decât lungimea comunicării intermodale. Prin urmare, poate fi utilizată legea dispersiei liniare.

Datorită dependenței pătratice de D, valorile dispersiei intermodale pentru o fibră cu gradient sunt mult mai mici decât pentru o fibră în trepte, ceea ce face mai preferabilă utilizarea unei fibre multimodale în gradient în liniile de comunicație.

În practică, în special atunci când se descrie fibra multimodală, termenul de lățime de bandă este mai frecvent utilizat. Când calculați lățimea de bandă W, puteți utiliza formula: W = 0,44 / t

Lățimea de bandă este măsurată în MHz*km. Din definirea lățimii de bandă se poate observa că dispersia impune restricții asupra distanței de transmisie și frecvenței superioare a semnalelor transmise. Sensul fizic al lui W este frecventa maxima modularea semnalului transmis cu o lungime a liniei de 1 km. Dacă dispersia crește liniar cu distanța, atunci lățimea de bandă este invers proporțională cu distanța.

Dispersia cromatică

Dispersia cromatică constă din materiale și componente ale ghidului de undă și are loc în timpul propagării atât în ​​fibre monomode, cât și în fibre multimodale. Cu toate acestea, se manifestă cel mai clar într-o fibră cu un singur mod datorită absenței dispersiei intermodale.

Dispersia materialului se datorează dependenței indicelui de refracție al fibrei de lungimea de undă. Expresia pentru dispersia unei fibre monomod include dependența diferențială a indicelui de refracție de lungimea de undă.

Dispersia ghidului de undă se datorează dependenței coeficientului de propagare a modului de lungime de undă.

unde coeficienții M(l) și N(l) sunt dispersiile specifice de material și, respectiv, ghidul de undă, iar Dl (nm) este lărgirea lungimii de undă datorită incoerenței sursei de radiație. Valoarea rezultată a coeficientului specific de dispersie cromatică este definită ca D(l) = M(l) + N(l). Dispersia specifică are dimensiunea ps/(nm*km). Dacă coeficientul de dispersie a ghidului de undă este întotdeauna mai mare decât zero, atunci coeficientul de dispersie a materialului poate fi fie pozitiv, fie negativ. Și aici este important ca la o anumită lungime de undă (aproximativ 1310 ± 10 nm pentru o fibră monomod în trepte) să existe o compensare reciprocă a M(l) și N(l), iar dispersia rezultată D(l) dispare. Lungimea de undă la care are loc aceasta se numește lungimea de undă cu dispersie zero l. De obicei, este indicată o anumită gamă de lungimi de undă, în care l pot varia pentru această fibră specială. Corning folosește următoarea metodă pentru determinarea dispersiei cromatice specifice. Întârzierile sunt măsurate în timpul propagării impulsurilor scurte de lumină într-o fibră cu o lungime de cel puțin 1 km. După eșantionarea datelor pentru mai multe lungimi de undă din domeniul de interpolare (800-1600 nm pentru MMF, 1200-1600 nm pentru SF și DSF), măsurătorile de întârziere sunt reeșantionate la aceleași lungimi de undă, dar numai pe o fibră de referință scurtă (lungime 2 m). Timpii de întârziere obținuți pe ea se scad din timpii corespunzători obținuți pe fibra lungă pentru a elimina componenta sistematică a erorii.

Dispersia cromatică se calculează prin formula:

Curbe de întârzieri și dispersii cromatice specifice pentru:

a) fibră cu gradient multimod (62,5/125)

b) fibră în trepte cu un singur mod (SF)

c) fibră cu dispersie deplasată (DSF) monomod

Dispersia modului de polarizare

Dispersia modului de polarizare tpmd (dispersia modului de polarizare) apare din cauza vitezei diferite de propagare a două componente ale modului de polarizare reciproc perpendiculare. Coeficientul de dispersie specific T este normalizat la 1 km si are dimensiunea (ps/km1/2), iar tpmd creste cu distanta conform legii tpmd=T·L1/2. Pentru a lua în considerare contribuția la varianța rezultată, adăugați termenul t2pmd în partea dreaptă a (2-13). Datorită valorii mici a tpmd, acesta poate apărea doar în fibră single-mode și atunci când se utilizează o transmisie de semnal în bandă largă (lățime de bandă de 2,4 Gbit/s și mai mare) cu o bandă de emisie spectrală foarte îngustă de 0,1 nm sau mai puțin. În acest caz, dispersia cromatică devine comparabilă cu dispersia în modul de polarizare.

Într-o fibră cu un singur mod, de fapt, nu se poate propaga un mod, ci două moduri fundamentale - două polarizări perpendiculare ale semnalului original. Într-o fibră ideală, în care nu există neomogenități în geometrie, două moduri s-ar propaga cu aceeași viteză, Fig. A. Cu toate acestea, în practică, fibrele nu au o geometrie ideală, ceea ce duce la viteze diferite de propagare a celor două componente ale modului de polarizare, Fig. b.

Un nivel excesiv de tpmd, împreună cu un semnal modulat ciripit de la laser, precum și o dependență de polarizare a pierderilor, pot duce la fluctuații temporale ale amplitudinii semnalului video analogic. Ca urmare, calitatea imaginii se deteriorează sau pe ecranul televizorului apar dungi diagonale. Când transmiteți un semnal digital cu lățime de bandă mare (>2,4 Gbps), prezența tpmd poate crește rata de eroare a biților.

Motivul principal Apariția dispersiei modului de polarizare este non-circularitatea (ovalitatea) profilului miezului unei fibre monomod, care are loc în timpul fabricării sau funcționării fibrei. În fabricarea fibrelor, se poate realiza doar un control strict valori scăzute această setare.

Contabilizarea variației în calculul FOTS

Pentru ca semnalul să fie transmis la o calitate acceptabilă - raportul semnal-zgomot nu a fost mai mic decât o anumită valoare - este necesar ca lățimea de bandă a fibrei la lungimea de undă de transmisie să depășească frecvența de modulație. Mai jos sunt exemple de calculare a lungimii admisibile a segmentului folosind Tabelul.

Exemplul 2.1. Standard Ethernet pentru fibră multimodală.

Interfața optică 10Base-FL presupune codificare Manchester cu o frecvență de modulație de 20 MHz. Când utilizați LED-uri cu D l \u003d 35 nm (850 nm), lățimea de bandă specifică pentru o fibră 50/125 este de 125 MHz * km și cu o lungime a segmentului optic de 4 km va fi de 31 MHz, care este mai mare de 20 MHz. . Adică, din punct de vedere al dispersiei, o lungime de 4 km este acceptabilă pentru performanța emițătorului optic specificat și pentru acest tip de fibră. Cu toate acestea, în ceea ce privește atenuarea, care la această lungime de undă este de 3 dB/km, este posibil ca intervalul dinamic al transceiverelor standard să nu fie suficient pentru această distanță. Standardul Ethernet 10Base-FL specifică o distanță de 2 km, ținând cont de cerințe mai puțin stricte atât pentru caracteristicile sistemului de cablu (de exemplu, fibră 62.5 / 125, prezența mai multor îmbinări uscate), cât și pentru transceiverele optice - Ethernet transceiver-uri optice (de exemplu, D l = 50 nm).

Exemplul 2.2. Standard FDDI pentru fibră multimodală.

Interfața optică FDDI PMD presupune codificare 4B5B cu o frecvență de modulație de 125 MHz. Când se utilizează LED-uri cu D l = 35 nm (1310 nm), lățimea de bandă specifică pentru o fibră 62,5/125 este de 450 MHz * km, iar cu o lungime a segmentului optic de 2 km va fi de 225 MHz, adică mai mult de 125 MHz. , adică din punct de vedere al dispersiei distanța de 2 km este acceptabilă, ceea ce este în deplină conformitate cu standardul FDDI PMD pentru fibră multimodală.

Dependență slabă a lățimii de bandă a unei fibre multimode (de exemplu, 62,5/125) de lățimea spectrală a sursei de radiație care funcționează la o lungime de undă de 1310 nm (450 MHz * km la D l = 35 nm și 452 MHz * km la Dl = 2 nm) se explică printr-o proporție mică de dispersie cromatică în comparație cu dispersia intermodală datorită apropierii lungimii de undă de funcționare de lungimea de undă a dispersiei zero. Astfel, cerințele de lățime de bandă spectrală ale transmițătorilor optici pentru funcționarea pe fibră multimodală la 1310 nm sunt în general slabe.

Exemplul 2.3. Standard Fast Ethernet pentru fibră monomod.

Interfața optică 100Base-FX, similară cu FDDI, presupune codificare 4B5B cu o frecvență de modulație de 125 MHz. Când se utilizează lasere cu D l = 2 nm (1310 nm), lățimea de bandă specifică pentru o fibră monomod în trepte 8/125 este mai mare de 120.000 MHz * km și cu o lungime a segmentului optic de 100 km va fi de 1200 MHz, ceea ce este mai mare de 125 MHz. Adică din punct de vedere al dispersiei o lungime de 100 km este acceptabilă, dar atenuarea începe deja să afecteze aici. Cu o gamă dinamică de 25 dB, ținând cont de pierderi pe conexiuni uscate și îmbinări, cu atenuare în fibră de 0,4 dB/km, obținem o distanță maximă de 62,5 km.

Puteți reduce pierderile dacă transmiteți un semnal la o lungime de undă de 1550 nm. Pentru pierderi cu același interval dinamic de 25 dB și presupunând că fibra are o atenuare de 0,25 dB/km, obținem o distanță de 100 km. Conform dispersiei la utilizarea laserelor cu Dl = 2 nm (1310 nm), lățimea de bandă specifică pentru o fibră monomod în trepte 8/125 este de 12600 MHz*km. Ca urmare, la o distanță de 100 km, lățimea de bandă va fi de 126 MHz, ceea ce este comparabil cu frecvența de modulație a Fast Ethernet. Nu este foarte de încredere. Cu o lățime de bandă spectrală fixă ​​Dl = 2 nm, dificultățile pot fi înlăturate dacă pentru transmisie este utilizată o fibră DSF cu deplasare în dispersie. Dacă sistemul de cablu este reprezentat exclusiv de fibre cu profil în trepte (SF) cu un singur mod, atunci ar trebui să se utilizeze transmițătoare optice cu o bandă spectrală mai îngustă, de exemplu, D l = 1 nm.

Exemplul 2.4. ATM 622 Mbps (STM-4) standard pentru fibră monomod.

Interfața optică ATM de 622 Mbps utilizează codificarea 8B10B, care corespunde unei frecvențe de modulație de 778 MHz. Când utilizați un laser cu D l \u003d 0,1 nm (1550 nm) cu o lățime de bandă specifică pentru o fibră monomod în trepte 8/125 este de 252000 MHz * km (12600 x 20). Cu o lungime a segmentului optic de 100 km, acesta va fi de 2520 MHz, ceea ce este mult mai mult de 778 MHz. Adică, din punct de vedere al dispersiei, atunci când se folosește un laser cu Dl = 0,1 nm (1550 nm), o lungime de 100 km este acceptabilă chiar dacă se folosește o fibră în trepte standard.

Exemplul 2.5. Transmisie super-semnal la 100 GHz prin fibră monomod DSF cu dispersie deplasată.

Când se utilizează lasere cu tchr = 0,1 nm (1550 nm), lățimea de bandă specifică pentru DSF 8/125 este mai mare de 2400 GHz*km (20 x 120000 MHz*km) și cu o lungime a segmentului optic de 20 km va fi de 120 GHz , care depășește puțin 100 GHz. Adică, din punct de vedere al dispersiei, lungimea unui segment de 20 km este în limita distanței maxime admisibile. De aceea, superrețelele optice cu o rată de transmisie pe canal de 100 Gbit/s au o scară limitată, de exemplu, scara unui oraș. Exemplul 2.6. Comparația influenței dispersiei modului cromatic și de polarizare

Estimați distanța L0 la care dispersia cromatică tchr și dispersia modului de polarizare tpmd sunt comparate ca mărime dacă coeficientul de dispersie cromatică D=2 ps/(nm*km), coeficientul de dispersie modal de polarizare T= 0,5 ps/km1/2 și lăţimea radiaţiei spectrale D l=0,05 nm.

Echivalând expresiile tchr=D·D l·L și tpmd=T·L1/2, găsim L0 = (T/DDl)2 = 25 km. Dacă pentru L>L0 dispersia modului de polarizare poate fi neglijată, atunci pentru L 100 Gbps) scară de oraș. Exemplul 2.7. Impactul PMD asupra fluxurilor de mare viteză

Estimați distanța maximă admisă a segmentului optic Lmax, către care poate fi transmis fără retransmitere un semnal monocanal cu frecvența W=100 GHz, pe baza limitărilor introduse de dispersia modului de polarizare, dacă coeficientul de dispersie a modului de polarizare este T= 1 ps/km1/2.

Pe baza relației (2-17) obținem: tpmd=T L1/2< 0,44/W. Отсюда Lmax = (0,44/WT)2 = (0,44/(100·109·10-12))2 ~ 19 км. При Т= 0,5 пс/км1/2 расстояние возрастает до 77 км. Ведущие фирмы-производителя волокна обеспечивают выходной параметр поляризационной модовой дисперсии не выше 0,5. Однако, следует учитывать, что после инсталляции кабельной системы значение этого параметра возрастает.

Alături de coeficientul de atenuare al OF, cel mai important parametru este dispersia, care determină lățimea de bandă a acestuia pentru transmiterea informațiilor.

dispersie - aceasta este împrăștierea în timp a componentelor spectrale și de mod ale semnalului optic optic, ceea ce duce la o creștere a duratei impulsului de radiație optică atunci când acesta se propagă de-a lungul OF.

Lărgirea impulsului este definită ca diferența pătratică dintre durata impulsului la ieșirea și intrarea unei fibre optice folosind formula:

în plus, valorile și sunt luate la nivelul jumătate din amplitudinea impulsurilor (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 (intramodale). 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 a doua cauză se numește modală (intermod).

Dispersia modală este caracteristică numai fibrelor multimodale și se datorează diferenței de timp necesar modurilor pentru a călători prin fibra optică de la intrare la ieșire. ÎN OF cu un profil de indice de refracție în trepte viteza de propagare a undelor electromagnetice cu o lungime de undă este aceeași și egală cu: , unde C este viteza luminii. În acest caz, toate razele incidente pe capătul fibrei la un unghi față de axa din unghiul de deschidere se propagă în miezul fibrei de-a lungul liniilor lor în zig-zag și, la aceeași viteză de propagare, ajung la capătul receptor în momente diferite, ceea ce duce la un creșterea duratei pulsului primit. Întrucât timpul minim de propagare al fasciculului optic are loc atunci când fasciculul incident, iar maximul când , atunci putem scrie:

unde L este lungimea fibrei;

Indicele de refracție al miezului fibrei;

C este viteza luminii în vid.

Atunci valoarea dispersiei intermodale este egală cu:

Dispersia modului de gradient OF 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 OF către coajă, viteza de propagare a razelor de-a lungul traiectoriei lor se modifică. Deci, pe traiectorii apropiate de axă, este mai puțin și mai îndepărtat. Razele care se propagă pe cele 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 al fasciculelor este egalizat, iar creșterea duratei impulsului devine mai mică. Cu un profil de indice de refracție parabolic, când exponentul profilului este q=2, dispersia modală este dată de:

Dispersia modală a gradientului OF este de câteva ori mai mică decât cea a OF treptat at aceleasi valori. Și deoarece de obicei, dispersia modală a fibrelor optice indicate poate diferi cu două ordine de mărime.

Când se calculează dispersia modală, trebuie avut în vedere că până la o anumită lungime a liniei, numită lungimea de cuplare a modului, nu există nicio cuplare intermodală, iar apoi la , are loc procesul de conversie a modului reciproc și are loc o stare de echilibru. Prin urmare, la , dispersia crește conform unei legi liniare, iar apoi, la - conform unei legi pătratice.

Astfel, formulele de mai sus sunt valabile doar pentru lungime . Pentru lungimile liniilor, trebuie folosite următoarele formule:

- pentru ghidaj luminos treptat

- pentru un ghid de lumină în gradient,

unde este lungimea liniei;

Lungimea de cuplare a modului (starea staționară) este egală cu km pentru o fibră în trepte și cu km pentru una cu gradient (stabilită empiric).

Dispersia materialului depinde de frecvență (sau de lungimea de undă) și de materialul OF, care, de regulă, este folosită de sticlă de cuarț. Dispersia este determinată de interacțiunea electromagnetică a undei cu electronii legați ai materialului mediului, care, de regulă, este de natură neliniară (rezonantă).

Apariția dispersiei în materialul fibros chiar și pentru fibrele monomode se datorează faptului că sursa optică care excită fibra (dioda emițătoare de lumină - LED sau laser semiconductor PPL) generează radiații luminoase având un spectru de undă continuu de un anumit lățime (pentru LED este de aproximativ nm, pentru multimod PPL - nm , pentru diode laser monomod nm). 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 receptor și, în anumite condiții, la distorsiunea formei acestuia. Indicele de refracție variază în funcție de lungimea de undă (frecvența), nivelul de dispersie depinde de intervalul de lungimi de undă a luminii injectate în fibră (de obicei, sursa emite lungimi de undă multiple), precum și de lungimea de undă de funcționare centrală a sursei. În regiunea I a ferestrei de transparență, lungimile de undă mai lungi (850nm) se mișcă mai repede în comparație cu lungimile de undă mai scurte (845nm). În regiunea III a ferestrei de transparență, situația se schimbă: cele mai scurte (1550 nm) se mișcă mai repede decât cele mai lungi (1560 nm). Figura 2.9

Figura 2.9 - Vitezele de propagare a lungimilor de undă

Lungimea săgeților corespunde vitezei lungimilor de undă, săgeata mai lungă corespunde mișcării mai rapide.

La un moment dat din spectru, vitezele coincid. Această coincidență în sticla de cuarț pur are loc la o lungime de undă de nm, numită lungime de undă de dispersie zero a materialului, deoarece . La o lungime de undă sub lungimea de undă a dispersiei zero, parametrul are o valoare pozitivă, în caz contrar este negativ. Figura 2.10

Dispersia materialului poate fi determinată prin dispersia specifică prin expresia:

.

Dispersia valoare-specifică, , se determină experimental. Cu diferite compoziții de dopanți în OF, are valori diferite în funcție de (Tabelul 2.3).

Tabelul 2.3 - Valori tipice dispersia materialului specific

Dispersia ghidului de undă (intramod) – 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 impulsului datorată dispersiei ghidului de undă este proporțională în mod similar cu lățimea spectrului de radiație al sursei și este definită ca:

,

unde este dispersia specifică a ghidului de undă, a cărei valoare este prezentată în Tabelul 2.4:

Tabelul 2.4

– datorită întârzierii grupului diferenţial dintre fasciculele cu stări de polarizare a solului. Distribuția energiei semnalului în diferite stări de polarizare se modifică lent în timp, de exemplu, datorită schimbărilor de temperatură mediu inconjurator, anizotropia indicelui de refracție cauzată de forțe 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. Principala cauză a PMD este neconcentricitatea profilului miezului de fibre, care apare în timpul procesului de fabricație a fibrelor și cablurilor. 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 se calculează prin formula:

Datorită valorii sale mici, trebuie luată în considerare exclusiv în fibra monomodală, în plus, atunci când se utilizează transmisia de semnal de mare viteză (2,5 Gbit/s și mai mare) cu o bandă de emisie spectrală foarte îngustă 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 regulă, .

Un parametru important al unei fibre optice este dispersia, care determină fluxul de informații.

Fibra optică transmite nu doar energie luminoasă, ci și un semnal de informare util. Pulsurile de lumină, a căror secvență determină fluxul de informații, sunt neclare în procesul de propagare. Cu o lărgire suficient de mare, impulsurile încep să se suprapună, astfel încât devine imposibilă separarea lor în timpul recepției (Figura 3).

Figura 3 - Influența dispersiei

Dispersia este dispersia în timp a componentelor spectrale sau de mod ale semnalului optic, ceea ce duce la o creștere a duratei impulsului de radiație optică pe măsură ce acesta se propagă de-a lungul fibrei optice și este determinată de diferența în pătratele duratelor impulsului. la ieșire și intrare 0V:

Cu cât valoarea dispersiei este mai mică, cu atât mai multe informații pot fi transmise prin fibră. Dispersia nu numai că limitează domeniul de frecvență al OF, dar reduce semnificativ domeniul de transmisie a semnalului, deoarece cu cât linia este mai lungă, cu atât este mai mare creșterea duratei impulsurilor.

Dispersia este, în general, determinată de trei factori principali:

Diferența în vitezele de propagare a modurilor ghidate (dispersie intermodală),

Proprietățile de ghidare ale fibrei optice (dispersia ghidului de undă),

Parametrii materialului din care este fabricat (dispersia materialului).

Figura 4 - Tipuri de dispersie

Principalele motive pentru apariția dispersiei sunt, pe de o parte, număr mare moduri în OF (dispersia intermodală), iar pe de altă parte, incoerența surselor de radiație care funcționează efectiv în spectrul lungimii de undă (dispersia cromatică).

Dispersia intermodală

Predomină în OF multimod și se datorează diferenței în timpul de tranzit al modurilor prin OF de la intrare la ieșire. Pentru o fibră optică cu un profil de indice de refracție în trepte, viteza de propagare a undelor electromagnetice cu o lungime de undă este aceeași pentru toate modurile Diferența în căile de propagare a modurilor ghidate la o frecvență fixă ​​(lungime de undă) a radiației unei surse optice duce la faptul că timpul de tranzit al acestor moduri prin fibra optică este diferit. Ca rezultat, impulsul generat de ei la ieșirea OF este lărgit. Valoarea lărgirii impulsului este egală cu diferența dintre timpul de propagare al modurilor cel mai lent și cel mai rapid. Acest fenomen se numește dispersie intermodală.

Formula de calcul a dispersiei intermodale poate fi obținută luând în considerare modelul geometric al propagării modurilor ghidate în OF. Orice mod ghidat într-o fibră optică în trepte poate fi reprezentat de un fascicul de lumină, care experimentează în mod repetat o reflexie internă totală de la interfața „core-cladding” atunci când se deplasează de-a lungul fibrei. Excepția este modul principal HE 11 , care este descris de un fascicul de lumină care se deplasează fără reflexie de-a lungul axei fibrei.

Cu o lungime OB egală cu L , lungimea traseului în zig-zag parcurs de un fascicul de lumină care se propagă sub un unghi și z la axa fibrei este L/cos și z (Figura 5).

Figura 5 - Modalitati de propagare a razelor de lumina intr-un OF cu doua straturi

Viteza de propagare a undelor electromagnetice cu lungimea de undă l este aceeași în fibra considerată și este egală cu:

Unde Cu - viteza luminii, km/s.

De obicei, în OB n 1 ? n 2, deci ia forma:

unde este valoarea relativă a indicilor de refracție ai placajului miezului.

Din formula se poate observa că lărgirea pulsului datorată dispersiei intermodale este cu atât mai mică, cu atât diferența dintre indicii de refracție ai miezului și ai placajului este mai mică. Acesta este unul dintre motivele pentru care în treptat real OF această diferență se caută să fie cât mai mică posibil.

În practică, datorită prezenței neomogenităților (în principal microbendurile), modurile individuale, atunci când trec prin OF, acționează unul asupra celuilalt și schimbă energie.

Dispersia intermodală în fibrele optice în trepte poate fi complet eliminată dacă parametrii structurali ai fibrelor optice sunt selectați corespunzător. Deci, dacă faci dimensiunile miezului și? atât de mic, atunci un singur mod se va propaga de-a lungul fibrei la lungimea de undă purtătoare, adică nu va exista nicio dispersie de mod. Astfel de fibre se numesc monomod. Au cel mai mare randament. Cu ajutorul lor, se pot organiza pachete mari de canale pe autostrăzile de comunicații.

Dispersia impulsului poate fi, de asemenea, redusă semnificativ prin alegerea adecvată a profilului de refracție pe secțiunea transversală a miezului fibrei. De exemplu, dispersia scade odată cu trecerea la gradient OF. Dispersia intermodală a fibrelor optice gradate este, de regulă, mai mică cu un ordin de mărime și mai mare decât cea a fibrelor în trepte.

În astfel de fibre optice cu gradient, spre deosebire de fibrele optice cu un profil de propagare în trepte, razele de lumină nu se mai propagă în zig-zag, ci de-a lungul traiectoriilor spiralate de undă sau elicoidal.