2.1.6 Дисперсия
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. Дисперсия – уширение импульсов – имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L.
Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км (время удлинения импульса в пикосекундах на километр волокна). Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:
− различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией)
− направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией),
– свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией).
На рисунке 2.11 приведены виды дисперсии.
Рисунок 2.11 – Виды дисперсии
Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия как сумма значений дисперсии различного вида.
Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне
Вследствие квадратичной зависимости от относительной разности показателей преломления значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.
Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них.
На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания (W). Измеряется полоса пропускания в МГц∙км. Полоса пропускания обратно пропорциональна дисперсии, т.е. дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи Физический смысл W – это максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально [16].
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне( рисунок 2.12 ). Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.
Рисунок 2.12– Зависимость материальной и волноводной дисперсии от длины волны
Для характеристики хроматической дисперсии вводится коэффициент хроматической дисперсии, который определяется, как изменение групповой задержки светового импульса на единице длины ОВ (1км), вызванное изменением длины волны несущей этого импульса на 1 нм, и имеет размерность пс/(нм∙км).
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны
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 неё показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки. 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. Эта зависимость приводит к появлению материальной дисперсии. 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.
Волноводная дисперсия зависит от формы профиля показателя преломления. В SF волокнах форма профиля показателя преломления ступенчатая с относительно большим диаметром сердцевины(~ 8.3 мкм) и малым скачком показателя преломления (~ 0.34 %).В DSF и NZDSF волокнах длина волны нулевой дисперсии смещена по сравнению с SF 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. Дисперсия материальная может быть изменена лишь незначительно с помощью других легирующих добавок. Напротив волноводная дисперсия может быть подвержена сильному влиянию за счет использования другой структуры профиля показателя преломления
Поляризационная модовая дисперсия (PMD).Фундаментальная мода может быть представлена в виде двух ортогонально поляризованных мод. Свет, распространяющийся в номинально одномодовом волокне, можно представить в виде суммы двух поляризационных мод. Каждая поляризационная мода распространяется параллельно оси волокна со своим значением фазовой и групповой скорости. Причина того, что волокно по-прежнему называется одномодовым, заключается в том, что эти две поляризационные моды имеют одну и ту же постоянную распространения, по крайней мере, в идеальном, совершенно симметричном волокне. Таким образом, хотя энергия импульса разделяется между двумя поляризационными модами, но то, что они имеют одинаковую постоянную распространения, не вызывает расширения импульса вследствие явления дисперсии.
В то же время оптические кабели подвергаются влиянию механических и климатических факторов. Механическое воздействие в процессе производства волокон и кабелей является причиной остаточного напряжения в сердцевине и оболочке волокна. В скрученном кабеле возникают несимметричные напряжения, возрастающие под действием различных механических нагрузок. Следствием таких механических воздействий являются локальные, случайно распределенные деформации оптических волокон. Они нарушают геометрию волокна и соосность сердцевины и оболочки. В результате реальное волокно не является совершенно симметричным, и две ортогонально поляризованные моды имеют неидентичные постоянные распространения. Поэтому, учитывая, что световая энергия импульса, распространяющегося по волокну, разделена между этими двумя модами, отличие постоянных распространения этих мод вызывает увеличение длительности импульса на выходе ОВ. Это явление называется поляризационной модовой дисперсией (PМD), что в принципе аналогично расширению импульса в случае использования многомодового волокна, но в данном случае это явление гораздо слабее [8].
По определению поляризационная модовая дисперсия проявляется в одномодовых волокнах с нециркулярным (эллиптическим) сердечником.
Поляризационная модовая дисперсия сейчас имеет большое значение для высокоскоростных систем передачи и должна измеряться не только сразу после изготовления, но и после использования кабеля, так как механические изгибы и давление могут вызвать увеличение PMD.
В коротком отрезке волокна отставание медленной компоненты от быстрой пропорциональна длине волокна и не зависит от длины световой волны. Такое волокно называется волокном с детерминированным двулучепреломлением (рисунок 2.13).
Рисунок 2.13 – Причины возникновения поляризационно-модовой дисперсии
С использованием оптических усилителей волоконные строительные участки увеличиваются, и все источники дисперсии, включая PMD, должны
контролироваться с тем, чтобы свести их до минимума, ибо в противном случае эффект от усиления будет сведен на нет ограничением частоты модуляции.
В длинном телекоммуникационном волокне (5 км и более) направление быстрой и медленной осей, а также относительная разность скоростей распространения поляризационных компонент изменяются вдоль волокна случайным образом. Реальное волокно упрощенно можно представить в виде последовательности коротких участков с детерминированным двулучепреломлением. Ориентации этих участков меняются случайным образом. Следует иметь в виду, что ПМД волокна непредсказуемо меняется с изменением длины волны. Кроме того, величина она очень сильно зависит от окружающих условий и, как следствие, заметно меняется в течение суток [8].
Помимо линейных эффектов, таких как затухание и дисперсии, существуют нелинейный эффекты, которые возрастают пропорционально интенсивности сигнала, а не длине волоконно-оптического кабеля. Поскольку эти эффекты зависят от количества энергии, переносимой через единицу площади сечения, то они более заметны в одномодовых кабелях, чем во многомодовых [3].