Измерение дисперсионных характеристик в оптических кабелях

1. Цель работы

Изучение дисперсионных свойств оптических кабелей и экспериментальное исследование их дисперсионных характеристик

2. Задание

1. Ознакомиться с механизмом дисперсионных искажений в оптических волокнах.

2. Изучить закономерности связи между дисперсией, модуляционной характеристикой и пропускной способностью оптического кабеля.

3. Измерить уширение импульсов в образцах многомодовых оптических волокон. Определить километрическое уширение импульсов.

4. Измерить модуляционную характеристику оптического волокна. Определить полосу пропускания.

3. Методические указания к выполнению работы

   1. Уширение импульсов в оптических кабелях

Одним из важных явлений процесса распространения сигналов по оптическим кабелям является дисперсия – рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсионные искажения имеют характер фазовых искажений сигнала. При работе импульсных систем они выражаются в уширении передаваемых импульсов, появлении межсимвольных помех, и в конечном счете – в ограничении пропускной способности кабеля.

Данное явление иллюстрируется рис.1.

Если на входе кабеля действует единичный импульс δ(t), имеющий единичную энергию и бесконечно короткую длительность, то сигнал на выходе – импульсная реакция g(t), занимает конечный временной интервал

τ_n = t_max – t_min (1)

где t_max и t_min - время задержки в кабеле соответственно наиболее медленно и наиболее быстро распространяющихся компонент из совокупности мод и частотных составляющих передаваемого сигнала. Таким образом, выходной импульс стал шире входного на величину τ_и. Следовательно, τ_и – уширение импульса в оптическом кабеле.

Рис.1. Уширение импульсов в оптическом кабеле: а) единичный импульс; б) единичная функция; в) двойная импульсная характеристика

В том случае, когда на входе кабеля имеется единичная функция, представляющая собой интеграл единичного импульса по времени,

(2)

выходной сигнал есть переходная характеристика h(t). Переходная характеристика является интегралом по времени импульсной реакции:

(3)

следовательно, она имеет длительность фронта τ_ф = τ_и.

Пусть теперь на входе оптического кабеля действует двоичный сигнал. Этот сигнал может быть представлен последовательностью сдвинутых во времени единичных функций различной полярности. Ввиду дисперсионных процессов фронты двоичного сигнала размываются, получая величину τ_ф. Для того, чтобы принятый из кабеля сигнал мог быть правильно зарегистрирован, длительности импульсов должны иметь величину не менее τ_ф.

Таким образом, скорость передачи импульсов в герцах, равная (при двухпозиционном кодировании) скорости передачи сообщения в битах, должна составлять

(4)

Из (4) видно, что реализуемая при передаче по кабелю скорость передачи тем ниже, чем большую величину имеет уширение импульсов.

Как правило, передаваемые по оптическому кабелю импульсы имеют гауссову форму. Их длительность, а также их уширение определяются на уровне половины максимальной амплитуды. В этом случае допустимая скорость передачи составляет:

(5)

На практике импульс на входе имеет не нулевую, а конечную длительность τ_вх. Кроме того, не только кабель, но и оптический излучатель, модулятор и фотоприемник вносят вклады в общее уширение импульса. В случае гауссовой формы импульсов все эти длительности суммируются по квадратичному закону:

(6)

где τ_вых – длительность импульса на выходе фотоприемника, τ_иі – уширение импульса в і-м элементе тракта.

Как правило, наибольшие искажения в сигнал вносит оптический кабель. Поэтому, согласно (6), зная длительность импульсов в оптическом кабеле можно рассчитать по формуле:

(7)