5. Компенсация полной дисперсии в линии передачи

Модули для компенсации дисперсии должны удовлетворять ряду требований: малые потери, широкий диапазон, малая величина нелинейных эффектов, малые габариты и вес, малая потребляемая мощность и малая стоимость. Кроме того, желательно также, чтобы величина дисперсии в модуле могла регулироваться. В первых конструкциях модулей компенсации дисперсии использовалось специальное DCF волокно (DCF - Dispersion Compensating Fiber). Модули с DCF волокнами удовлетворяют только двум из приведенных выше требований: они обладают широкой полосой частот и не потребляют мощность. В настоящее время они являются ключевыми элементами в системах со скоростью передачи 10 Гбит/с (STM-64).

Хотя отрицательная дисперсия DCF волокон позволяет компенсировать положительную дисперсию SMF волокон в достаточно широком диапазоне длин волн, однако наклон дисперсионной характеристики DCF волокон не согласован с наклоном дисперсионной характеристики SMF волокон. Компенсировать полную дисперсию в линии до нужного уровня удается только на одной длине волны (обычно в середине полосы усиления EDFA). При этом в длинноволновой части диапазона С линия будет обладать избыточной отрицательной дисперсией, а в коротковолновой его части избыточной положительной дисперсией. То есть возникает так называемая проблема «рассогласования наклонов дисперсионных характеристик».

Кроме того, величина дисперсии в DCF волокне фиксирована и всего лишь примерно в пять раз больше дисперсии SMF волокна. Поэтому для компенсации дисперсии в линии с SMF волокнами необходимо использовать длинные отрезки DCF волокон и вносить тем самым дополнительные потери в линию. Потери в DCF волокнах складываются из трех основных компонентов:

а) Потери в прямом волокне порядка 0.5 дБ/км, что почти 2.5 раза больше, чем в SMF волокне.

б) Потери на изгибе волокна. Из-за сложной структуры профиля показателя преломления в DCF волокнах (Рис. 4.3) допустимый радиус изгиба (из-за изгибных потерь) большой (~ 15...20 см). Для сравнения: у SMF волокон этот радиус порядка 5 см.

в) Потери в месте соединения DC волокон с SMF волокнами, возникающие из-за рассогласования диаметров модовых пятен. У DC волокон площадь модового пятна 19 мкм², а у SMF волокон - 85 мкм². Малая площадь модового пятна увеличивает также плотность мощности и, соответственно, нелинейность волокна.

Обычно модуль для компенсации дисперсии размещают в стойке рядом с оптическим усилителем. Однако из-за больших потерь, вносимым модулем, его нежелательно устанавливать на выходе оптического кабеля, так как это приведет к уменьшению сигнала на входе в оптический усилитель и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум. Устанавливать модуль на выходе оптического усилителя также нежелательно – из-за большого уровня мощности в DC волокне возникнут сильные нелинейные искажения сигнала.

Применение DC волокон наиболее эффективно в «старых» линиях с SM волокнами, однако в них для компенсации потерь, вносимых DC модулями, требуется устанавливать дополнительные оптические усилители.

Возможности компенсации дисперсии SMF волокон в пределах длинноволнового диапазона спектра могут быть оценены с помощью коэффициента относительной крутизны дисперсионной кривой (RDS), который определяется как отношение крутизны дисперсионной кривой к величине хроматической дисперсии:

(1.50)

где D – есть величина удельной дисперсии;

S – крутизна дисперсионной кривой на единицу длины оптического волокна. Если RDS волокна компенсатора является таким же, как и передающего волокна, то становится возможной полная компенсация наклона дисперсионной кривой передающего волокна путем подбора длины DCF, подобно тому, как осуществляется компенсация полной дисперсии волокна.

Степень компенсации наклона может быть представлена следующим выражением:

(1.51)

Если RDS волокна DCF компенсатора и SMF волокна одинаковы, то степень компенсации наклона составляет 100% и результирующая дисперсия после компенсации становится близкой к нулевому значению в L полосе.

Другой важной характеристикой DCF компенсаторов является показатель качества (Figure of merit FOM). Он определяется как величина дисперсии на единицу потерь в волокне:

(1.52)

В данной работе осуществляется подбор компенсирующего ОВ с целью увеличения пропускной способности линии связи. Для осуществления выбора используется таблица 1.2, составленная по данным производителей компенсирующих модулей.

Таблица 1.2 – Параметры компенсирующих модулей, выпускаемых промышленностью

Тип модуля	Lucent Technologies (OFS) DK-40	Fujikura Ltd. 15DC-340	Sumitomo Electric Industries P4XFM-40	Sumitomo Electric Industries P-DCFM60	Fujikura Ltd. 15DSC-340
Дисперсия волокна модуля, пс/нм/км	-680	-340	-680	-1020	-340
Наклон дисперсии (D), пс1нмг	-1,2	0,366	1,2	1,8	-0,6
Вносимое затухание, дБ	5,2	3,1	4,4	6,1	3,7
Среднее значение PMD, пс	0,6	1,0	1,0	1,2	1.2
Значение PDL, дБ (размах)	6	3	6	9	3

К сожалению, производители не сообщают длину ОВ в модуле, поэтому, используя данные о стандартной удельной дисперсии DCF волокна, были рассчитаны эквивалентные длины компенсирующего ОВ в модулях.

Выбор компенсирующего ОВ производится по наилучшей компенсации наклона, расчет его длины из условия полной компенсации на рабочей длине волны:

(1.53)

1. (29) Вычислите числовую апертуру волокна со ступенчатым профилем показателя преломления ( и ). Чему равен апертурный угол, если внешняя среда воздух с ?

Решение

2. (220) Определить нормированную частоту для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, имеющего радиус сердцевины 25 мкм, , при мкм и при мкм. Сколько мод будет распространяться Решение

3. (221) Вычислите радиус ступенчатого одномодового волокна с мкм, , . Определите числовую апертуру и апертурный угол.

Решение

откуда

где - числовая апертура

известно, что одномодовый режим выполняется при условии , тогда

мкм

4. (222) По волокну со ступенчатым профилем показателя преломления распространяется свет с мкм. Определите диаметр сердцевины и показатель преломления оболочки, если , , .

Решение

мкм

откуда

5. (226) Нарисуйте профиль показателя преломления градиентного волокна при и (ступенчатый ппп), если радиус сердцевины 25 мкм и .

Решение

6. (229) Вычислите число мод распространяющихся по градиентному волокну с параболическим профилем ( ) на двух длинах волн мкм и мкм, если радиус сердцевины 25 мкм, , . Сравните с количеством мод распространяющихся по ступенчатому волокну.

Решение

7. (230) Вычислите NA для:

а) полимерного волокна со ступенчатым профилем показателя преломления

и

б) стекловолокна со ступенчатым профилем показателя преломления

и

Решение