Модовое распространение в волокнах

3.4.1. Введение

Оптические волокна классифицируются в соответствии с числом лучей света, которые волокно способно проводить одновременно. Это называется рабочей модой волокна Следовательно, мода - это просто луч света. Чем выше рабочая мода волокна, тем больше лучей света могут проходить через сердечник. Волокно может содержать несколько тысяч лучей одновременно или же лишь один луч.

3.4.2. Модовая дисперсия

Важно для начала рассмотреть природу и свойства модовой передачи. У волокна с большое апертурой и/или диаметром будет большое число мод (лучей света), распространяющихся на протяжении этого волокна. Ненаправленный источник света (то есть такой, который одинаков излучает лучи во всех направлениях) вроде светодиода в одном импульсе излучает несколько тысяч световых лучей. Поскольку источник света вводит в сердечник пучок света с больше, углом, каждая мода света, распространяющаяся вдоль волокна с отличающимся углом, пройдет различное расстояние. Следовательно, время прохождения волокна от начала до конца будет для различных лучей разным. Световой передатчик вводит в волокно все моды одновременно, сигнал в начале волокна выглядит в виде короткого острого импульса. К тому времени, когда сигнал достигнет конца волокна, он растянется и будет выглядеть как удлиненный импульс. Это явление называется "модовой дисперсией" (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Эффект дисперсии импульса вследствие многомодового распространения

Иллюстрация возникновения межмодовой дисперсии есть так же на странице "Многомодовое оптоволокно"

Луч света, распространяющийся вдоль центральной оси волокна, называется "основное: модой" (fundamental mode) и является модой с самым низким возможным порядком. Световые лучи, проходящие меньшие расстояния вдоль волокна, являются модами более низкого порядка а лучи, проходящие вдоль волокна большие расстояния, - модами более высокого порядка.

Если входные импульсы расположены близко друг к другу, выходные импульсы начнут перекрываться друг с другом, вызывая в приемнике интерференцию различных символов. Эта ситуация затрудняет различение импульсов приемником и создает ошибки данных. Это главный фактор, ограничивающий скорости передачи в многомодовых типах волоконно-оптических кабелей (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Межсимвольная интерференция вследствие модовой дисперсии

Из этой диаграммы можно видеть, что приемнику будет трудно различить выходные импульсы, когда они на выходе из сердечника волокна перекроют друг друга (межсимвольная интерференция).

Модовая дисперсия измеряется в наносекундах и вычисляется по следующей формуле:

где D - общая дисперсия импульса; D₀ - длительность импульса на выходе из волокна в наносекундах; D_i - длительность импульса на входе в волокно в наносекундах.

Модовая дисперсия возрастает с увеличением числовой апертуры, следовательно, полоса пропускания волокна снижается с увеличением апертуры. То же правило применимо к увеличению диаметра волокна. Это показано на графике на рис. 3.15.

Поставщики кабелей указывают в технических характеристиках кабеля величину дисперсии. В качестве единиц измерения используется время удлинения импульса в пикосекундах (или наносекундах) на километр волокна (пс/км). Обычно поставщик не указывает эту цифру непосредственно, но ее легко вычислить по полосе пропускания. Например, полоса пропускания 400 МГц/км представляет максимальную модовую дисперсию, которую вы можете ожидать от волокна, 1/400 МГц/км, что равно 2,5 нс/км.

В разделе 8.3.2 описаны методики вычисления результатов модовой дисперсии в системе.

Рис. 3.15,а. Зависимость дисперсии импульса от отношения коэффициентов преломления

Рис. 3.15,б. Зависимость скорости передачи от дисперсии импульсов