Доклад / причины возникновения дисперсии
.docxЧто такое дисперсия? Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации. Эффект дисперсии обусловлен зависимостью скорости распространения света в веществе от его частоты (длины волны). Т.е. при прохождении сигнала по оптическому волокну разные длины волн смещаются относительно друг друга и импульсы сигнала становятся менее выраженными, со слабо выраженными пиками и в итоге импульсы становятся размытыми и сложнее читаемыми. Сноска (Оптические импульсы) - это вспышки света. Особенно очень короткие световые импульсы часто генерируются с помощью лазеров (лазерных импульсов) и доставляются в форме лазерных лучей, т.е. с высоконаправленным излучением. Межмодовая дисперсия Межмодовая дисперсия – это дисперсия, существующая только в многомодовом волокне и вызванная различной скоростью распространения в нем лучей разных мод, достигающих выхода в разное время, что приводит к уширению импульса на выходе. Сноска 1(многомодовое волокно) - Разновидность оптического волокна, которое в основном используется для связи на коротких расстояниях, например, внутри здания или в кампусе. Многомодовый оптоволоконный кабель имеет большую жилу, обычно 50 или 62,5 мкм, что позволяет распространять несколько световых мод. Из-за этого больше данных может проходить через многомодовое оптоволокно в данный момент времени. Сноска 2 (мода) - Модами обозначают электромагнитные колебания, которые распространяются в оптоволокне. В зависимости от конструкции волокна и используемых материалов меняется характеристика распространения сигнала в волокне. Разные материалы имеют разные свойства и по-разному передают сигнал. Межмодовая дисперсия обычно происходит когда короткий световой импульс вводится в волокно в пределах числовой апертуры, вся энергия не достигает конца оптоволокна одновременно. Разные моды переносят энергию по разным длинам. Например, многомодовое волокно с сердечником в 50 мкм имеет несколько сотен мод. Это импульс, распространяясь по разным длинам светового пути вызывает межмодовую дисперсию, или более просто, многомодовую дисперсия. Сноска 3 (числовая апертура) - Это параметр, который определяет условия ввода света в оптическое волокно. Проще говоря, он определяет конус на торце волокна, и лучи, попадающие в этот конус, будут передаваться через волокно. Все остальные лучи не смогут испытывать полное отражение от границы сердцевины и оболочки и будут быстро затухать, рассеиваясь в оболочке.
Хроматическая дисперсия Хроматическая дисперсия (Chromatic Dispersion — CD) происходит, потому что световой импульс имеет разные длины волны, каждый перемещается по волокну на различных скоростях. Различные скорости распространения расширяют импульс, и когда он достигает приёмника — в нём уменьшается отношение сигнал-шум (SNR) и увеличиваются битовые ошибки. Хроматическая дисперсия вызывается различными длинами волны в источнике света.
Хроматическая дисперсия этого волокна представляет относительную задержку прибытия (в пикосекундах — пс) два компонента длины волны отделяются на один нанометр (нм). Далее рассмотрены четыре параметра:
• Значение хроматической дисперсии выражается для данной длины волны, выраженной в пс/нм (хроматическая дисперсия может изменяться как функция длины волны),
• Коэффициент хроматической дисперсии (D(λ)) — значение нормализуется к расстоянию, обычно один километр, выражается в пс/(нм·км) D(λ) – коэффициент хроматической дисперсии. Это малое изменение задержки светового импульса на участке волокна единичной длины (1 км) при единичном изменении длины волны (1 нм) несущей этого импульса. Единица измерения – пс/(нм·км). Его величина определяется как производная от спектральной зависимости групповой задержки.
• Наклон хроматической дисперсии (S) — Представляет количество изменения дисперсии как функции к длине волны, выражается в пс/нм²
• Наклон коэффициента хроматической дисперсии — нормализуется к расстоянию, обычно на один километр, выражается в пс/(нм²·км) После длительного периода исследований и исследований люди нашли метод компенсации, чтобы сбалансировать потерю рассеивания. Технология волокна с компенсацией дисперсии (DCF) является широко признанным методом компенсации дисперсии среди различных методов.
В обычной одномодовой волоконной системе волокно имеет высокую положительную дисперсию на рабочей длине волны 1550 нм. Характеристика положительной дисперсии: с увеличением длины волны показатель преломления постепенно уменьшается. В эти волокна необходимо добавить отрицательную дисперсию для компенсации, чтобы суммарная дисперсия всей волоконной линии была примерно нулевой. Волокно с компенсацией дисперсии (DCF) — это новый тип одномодового волокна, в основном предназначенный для длины волны 1550 нм. DCF имеет высокую отрицательную дисперсию на 1550 нм (отрицательная дисперсия имеет свойства, противоположные положительной дисперсии) и может использоваться для компенсации дисперсии в одномодовых волоконных системах. Сноска 4 (Сигнал/шум) - Отношение сигнал / шум (SNR или S / N) - это мера, используемая в науке и технике, которая сравнивает уровень желаемого сигнала с уровнем фонового шума. SNR определяется как отношение мощности сигнала к мощности шума, часто выражаемое в децибелах. Соотношение выше 1:1 (больше 0 дБ) указывает на большее количество сигнала, чем шума. Сноска 5 (битовая ошибка) - Битовая ошибка – это ситуация, когда передаваемый бит информации искажается или теряется. Проблема битовых ошибок может возникнуть вследствие различных факторов, таких как шумы, помехи, деформация кабеля и другие внешние воздействия. Для проверки битовой ошибки с использованием оптического кабеля можно использовать специальные техники и устройства, такие как оптический осциллограф, спектроанализатор или средства проверки приема данных. Отрицательная дисперсия В волокнах с отрицательной дисперсией ND (Negative Dispersion, - D NZDS G. 655) длина волны нулевой дисперсии смещена за длинноволновый край диапазона С (рис. 1 на слайде). Величина дисперсии (по модулю) составляет 3-7 пс/(нм-км) и достаточна для того, чтобы устранить эффект четырехволнового смешения (FWM). (Рис. 1 на слайде. Хроматическая дисперсия D(λ) как сумма материальной DM(λ) и волноводной дисперсий DB λ) в NZDS волокнах, обладающих отрицательной (- D NZDS) дисперсией в третьем (С) окне прозрачности.)
Волокна с отрицательной дисперсией применяются в подводных линиях связи с большой длиной регенерационных участков (-1000 км), так как в них отсутствует эффект модуляционной нестабильности. Кроме того, отрицательную дисперсию можно скомпенсировать с помощью положительной дисперсии SM волокон (рис. 2 на слайде), внеся при этом в линию потерь значительно меньше, чем при компенсации положительной дисперсии с помощью модулей с DC волокнами. (рис. 2 на слайде. Типичная дисперсионная схема подводной линии связи с использованием волокна с большой площадью медового пятна (LMF - Large-Mode Field), волокна с малым наклоном дисперсионной характеристики (RSF - Reduce Slope Fiber) и стандартного одномодового волокна (SM)) При подборе расстояния между оптическими усилителями в подводных и в наземных линиях связи имеется одно существенное отличие. В наземных линиях связи стремятся разместить оптические усилители как можно дальше друг от друга (~ 80 км) - так, чтобы уменьшить стоимость системы. В подводных линиях связи стремятся добиться как можно большего расстояния между регенераторами, при этом расстояние между оптическими усилителями с целью уменьшения влияния нелинейных эффектов приходится уменьшать (-50 км). Важное применение волокна с отрицательной дисперсией находят в городских сетях и сетях средней дальности, где длины участков, как правило, не превышают 300 км. Для передачи данных со скоростью до 2.5 Гбит/с (STM-16) в этих сетях можно использовать SM волокна и DFB лазеры с внешним модулятором. В подводных линиях передачи, где расстояние между ретрансляторами может достигать нескольких тысяч километров, используются волокна с отрицательной дисперсией. При таких больших расстояниях между ретрансляторами в волокнах с положительной дисперсией начинает проявляться модуляционная нестабильность, приводящая к появлению пичков на импульсах. В волокнах с отрицательной дисперсией этот паразитный эффект отсутствует. Сноска 5 (четырёхволновое смешение) - Явление интермодуляции в нелинейной оптике, при котором взаимодействие между двумя или тремя длинами волн приводит к образованию двух или одной новой длины волны. Это похоже на точку пересечения третьего порядка в электрических системах. Четырехволновое смешение можно сравнить с интермодуляционным искажением в стандартных электрических системах. FWM является фазочувствительным процессом, поскольку на эффективность процесса сильно влияют условия согласования фаз. Поляризационная модовая дисперсия Поляризационная модовая дисперсия ( англ. Polarization mode dispersion, сокр. PMD ) - это форма модовой дисперсии, когда две разные поляризации света в волноводе, обычно движущиеся с одинаковой скоростью, распространяются с разными скоростями из-за случайных дефектов и асимметрий, вызывая случайное распространение оптических импульсов. Из-за сложности компенсации это явление в конечном итоге ограничивает скорость, с которой данные могут передаваться по оптоволокну. В идеальном оптическом волокне сердцевина имеет идеально круглое поперечное сечение. В этом случае основная мода имеет две ортогональные поляризации (ориентации электрического поля), которые движутся с одинаковой скоростью . Сигнал, который передается по волокну, является случайно поляризованным, то есть случайной суперпозицией этих двух поляризаций. В идеальном волокне это не имеет значения, так как эти две поляризации будут распространяться одинаково.
В реальном оптоволокне, однако, есть случайные дефекты, которые нарушают круговую симметрию, что приводит к разным скоростям распространению двух поляризаций. В этом случае два поляризационных компонента сигнала будут медленно разделяться, например, вызывая распространение импульсов и их перекрытие. Поскольку дефекты являются случайными, эффекты распространения импульсов соответствуют случайному блужданию и, следовательно, имеют среднюю, зависящую от поляризации, разницу во времени Δ τ . Случайные дефекты, нарушающие симметрию, делятся на несколько категорий. Во-первых, существует геометрическая асимметрия, например, слегка эллиптические ядра. Во-вторых, существуют двулучепреломления, вызванные напряжением, в которых сам показатель преломления зависит от поляризации. Оба эти эффекта могут быть следствием либо несовершенства в производстве (что никогда не бывает совершенным или без напряжения) или от термических и механических напряжений, наложенных на волокна в области — кроме того, последние напряжения, как правило изменяться с течением времени. Сноска 6 (двулучепреломление) -Двойно́е лучепреломле́ние или двулучепреломле́ние — оптическое свойство анизотропных материалов, в которых показатель преломления зависит от направления распространения света. В таких материалах может наблюдаться эффект расщепления луча света на две составляющие, когда при попадании в материал образуется не один, а два преломленных луча с разным направлением и поляризацией. Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата в 1669 году.