Дисперсия в оптических волокнах.

Информация по ОВ передается в виде коротких оптических импульсов. Энергия импульса распределяется между всеми направляемыми модами. Скорости всех мод вдоль их траектории в ступенчатом ОВ одинаковы. Однако время, которое им понадобится для прохождения 1 км ОВ, будет различным. На выходе ОВ импульсы отдельных мод, пришедшие в разное время, складываются, образуя более широкий, по сравнению с входным, оптический импульс (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Траектории меридиональных лучей в ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.

Явление уширения импульса в многомодовом ОВ называется межмодовой дисперсией, которая характеризуется величиной D_m, измеряющейся в нс/км. Если величина дисперсии известна, то уширение импульса Δt в ОВ длиной L в первом приближении определится выражением:

. (2.1)

Верхняя оценка величины межмодовой дисперсии: наименьшую траекторию и наименьшее время распространения t_min имеет луч, распространяющийся вдоль оси ОВ.

(2.2)

Наибольшую траекторию и наибольшее время распространения t_max имеет луч, распространяющийся по ОВ, отражаясь от границы раздела сердцевины и оболочки под углом полного внутреннего отражения.

(2.3)

Тогда . (2.4)

Дисперсия ограничивает скорость передачи информации по ОВ.

Рис. 2.2. Зависимость межмодовой дисперсии от относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки.

С величиной межмодовой дисперсии [нс/км] связано понятие широкополосности волокна или удельной полосы пропускания B[МГц км]

(2.5)

Величина широкополосности для ступенчатых многомодовых кварцевых волокон ограничивается величиной 20-50 МГц км.

Для градиентных многомодовых волокон широкополосность лежит в пределах 200 – 2000 МГц км.

Радикальным способом уменьшения дисперсии является переход от многомодовой передачи к одномодовой.

Впервые одномодовый режим передачи в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления был достигнут путем уменьшения радиуса сердцевины до 5 мкм. Такие волокна называют стандартными одномодовыми волокнами.

Важным нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр w или радиус r_nм модового пятна (поля), который характеризует потери при вводе света в волокно и используются для расчетов вместо радиуса или диаметра сердцевины, его величина зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм (фактически он на 10-12% больше диаметра сердцевины).

Для одномодового ОВ распределение интенсивности поля моды можно аппроксимировать гауссовской кривой:

, (2.6)

Рис. 2.3. Определение диаметра модового поля.

На рис. 2.4. показаны рассчитанные по выражениям распределения модового поля для стандартного волокна на длинах волн, которые обычно используются для связи.

Рис. 2.4. Распределение модового поля основной моды в стандартном волокне.

Поскольку скорость распространения света в ОВ зависит от длины волны излучения λ, разные спектральные составляющие сигнала распространяются с разной скоростью.

Рис. 2.5. Спектр излучения источника.

Хроматическая дисперсия состоит из двух составляющих: материальной и волноводной:

(2.7)

Как физическая величина измеряется в пс / (нм·км) и означает уширение импульса в волокне длиной 1 км при ширине спектра сигнала 1 нм (с учетом скорости передачи и ширины спектра источника излучения).

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления кварца n (как фазового, так и группового) или скорости распространения света в кварце от длины волны (рис. 1.10) и пропорциональна второй производной показателя преломления по длине волны:

(2.8)

Рис. 2.6. Возникновение материальной дисперсии.

На рис. 2.7 показана зависимость материальной дисперсии от длины волны. Видно, что материальная дисперсия имеет знак и при длине волны нулевой материальной дисперсии λ = λ_0mat проходит через 0.

Волноводная дисперсия D_в не связана со свойствами материала, но зависит от конструкции и размеров волновода. Ее появление связано с тем, что волна в одномодовом ОВ распространяется частично в сердцевине, частично в оболочке и показатель преломления для нее принимает среднее значение между показателями преломления сердцевины и оболочки. При изменении длины волны глубина проникновения поля в кварцевую оболочку меняется и, следовательно, меняется среднее значение показателя преломления.

Рис. 2.7. Хроматическая дисперсия в стандартном одномодовом
волокне.

Рис. 2.8. Возникновение волноводной дисперсии.

Волноводная дисперсия отрицательна и с увеличением λ она уменьшается. Это позволяет, изменяя размеры и конструкцию ОВ, управлять зависимостью D_в, а, следовательно, и зависимостью D_хр от λ.

Существует такая длина волны, при которой материальная и волноводная дисперсии равны по модулю и имеют противоположные знаки, то есть хроматическая дисперсия равна нулю. Эту длину волны называют длиной волны нулевой хроматической дисперсии или просто длиной волны нулевой дисперсии λ_0D.

В большинстве одномодовых ОВ расположение осей наибольшей и наименьшей скорости является случайным и расширение проходящего по ОВ импульса растет с увеличением длины L пропорционально корню квадратному из длины ОВ:

, (2.9)

где D_p – поляризационно-модовая дисперсия.

Для большинства одномодовых ОВ величина поляризационно-модовой дисперсии лежит в пределах 0.02 – 0.2 пс/км^0.5.