Alături de coeficientul de atenuare al OF, cel mai important parametru este dispersia, care determină lățimea de bandă a acestuia pentru transmiterea informațiilor.
dispersie - aceasta este împrăștierea în timp a componentelor spectrale și de mod ale semnalului optic optic, ceea ce duce la o creștere a duratei impulsului de radiație optică atunci când acesta se propagă de-a lungul OF.
Lărgirea impulsului este definită ca diferența pătratică dintre durata impulsului la ieșirea și intrarea unei fibre optice folosind formula:
în plus, valorile și sunt luate la nivelul jumătate din amplitudinea impulsurilor (Figura 2.8).
Figura 2.8
Figura 2.8 - Lărgirea pulsului datorită dispersiei
Dispersia apare din două motive: incoerența surselor de radiații și existența unui număr mare de moduri. Dispersia cauzată de prima cauză se numește cromatică (frecvență) , este alcătuit din două componente – dispersii de material și ghid de undă (intramodale). Dispersia materialului se datorează dependenței indicelui de refracție de lungimea de undă, dispersia ghidului de undă este asociată cu dependența coeficientului de propagare de lungimea de undă.
Dispersia cauzată de a doua cauză se numește modal (intermod).
Dispersia modală este caracteristică numai fibrelor multimodale și se datorează diferenței de timp necesare modurilor pentru a călători prin fibra optică de la intrare la ieșire. LA OF cu un profil de indice de refracție în trepte viteza de propagare undele electromagnetice cu lungimea de undă este aceeași și egală cu: , unde C este viteza luminii. În acest caz, toate razele incidente pe capătul fibrei la un unghi față de axa din unghiul de deschidere se propagă în miezul fibrei de-a lungul liniilor lor în zig-zag și, la aceeași viteză de propagare, ajung la capătul receptor la timp diferit, ceea ce duce la o creștere a duratei pulsului primit. Deoarece timpul minim de propagare al fasciculului optic are loc atunci când fasciculul incident, iar cel maxim când , atunci putem scrie:
unde L este lungimea fibrei;
Indicele de refracție al miezului fibrei;
C este viteza luminii în vid.
Atunci valoarea dispersiei intermodale este egală cu:
Dispersia modului de gradient OF un ordin de mărime sau mai mic decât cel al fibrelor în trepte. Acest lucru se datorează faptului că, din cauza scăderii indicelui de refracție de la axa OF către înveliș, viteza de propagare a razelor de-a lungul traiectoriei lor se modifică. Deci, pe traiectorii apropiate de axă, este mai puțin și mai îndepărtat. Razele care se propagă de-a lungul celor mai scurte traiectorii (mai aproape de axă) au o viteză mai mică, iar razele care se propagă pe traiectorii mai lungi au o viteză mai mare. Ca urmare, timpul de propagare al fasciculelor este egalizat, iar creșterea duratei impulsului devine mai mică. Cu un profil de indice de refracție parabolic, când exponentul profilului este q=2, dispersia modală este dată de:
Dispersia modală a gradientului OF este de câteva ori mai mică decât cea a celui în trepte pentru aceleași valori de . Și deoarece de obicei, dispersia modală a fibrelor optice indicate poate diferi cu două ordine de mărime.
Când se calculează dispersia modală, trebuie avut în vedere că până la o anumită lungime a liniei, numită lungime de cuplare a modului, nu există nicio cuplare intermodală, iar apoi la , are loc procesul de conversie a modului reciproc și are loc o stare de echilibru. Prin urmare, la , dispersia crește conform unei legi liniare, iar apoi, la - conform unei legi pătratice.
Astfel, formulele de mai sus sunt valabile doar pentru lungime . Pentru lungimile liniilor, trebuie folosite următoarele formule:
- pentru ghidaj luminos treptat
- pentru un ghidaj de lumină în gradient,
unde este lungimea liniei;
Lungimea de cuplare a modului (starea staționară) este egală cu km pentru o fibră în trepte și cu km pentru una cu gradient (stabilită empiric).
Dispersia materialului depinde de frecvență (sau de lungimea de undă) și de materialul OF, care, de regulă, este folosită de sticlă de cuarț. Dispersia este determinată de interacțiunea electromagnetică a undei cu electronii legați ai materialului mediului, care, de regulă, este de natură neliniară (rezonantă).
Apariția dispersiei în materialul ghidajului de lumină, chiar și pentru fibrele monomode, se datorează faptului că sursa optică care excită fibra (dioda emițătoare de lumină - LED sau laser semiconductor PPL) generează radiații luminoase având un continuu spectru de undă de o anumită lățime (pentru LED este de aproximativ nm, pentru PPL multimod - nm, pentru diode laser monomod nm). Diferitele componente spectrale ale radiației luminoase se propagă la viteze diferite și ajung la un anumit punct în momente diferite, ceea ce duce la lărgirea pulsului la capătul receptor și, în anumite condiții, la distorsiunea formei acestuia. Indicele de refracție variază în funcție de lungimea de undă (frecvența), cu nivelul de dispersie depinzând de intervalul de lungimi de undă a luminii injectate în fibră (de obicei, sursa emite lungimi de undă multiple), precum și de lungimea de undă de funcționare centrală a sursei. În regiunea I a ferestrei de transparență, lungimile de undă mai lungi (850nm) se mișcă mai repede în comparație cu lungimile de undă mai scurte (845nm). În regiunea III a ferestrei de transparență, situația se schimbă: cele mai scurte (1550 nm) se mișcă mai repede decât cele mai lungi (1560 nm). Figura 2.9
Figura 2.9 - Vitezele de propagare a lungimilor de undă
Lungimea săgeților corespunde vitezei lungimilor de undă, săgeata mai lungă corespunde mișcării mai rapide.
La un moment dat din spectru, vitezele coincid. Această coincidență în sticla de cuarț pur are loc la o lungime de undă de nm, numită lungime de undă de dispersie zero a materialului, deoarece . La o lungime de undă sub lungimea de undă a dispersiei zero, parametrul are o valoare pozitivă, în caz contrar este negativ. Figura 2.10
Dispersia materialului poate fi determinată prin dispersia specifică prin expresia:
.
Dispersia valoare-specifică, , se determină experimental. Cu diferite compoziții de dopanți în OF, are valori diferite în funcție de (Tabelul 2.3).
Tabel 2.3 - Valori tipice ale dispersiei materialelor specifice
Dispersia ghidului de undă (intramod) – acest termen denotă dependența întârzierii unui impuls de lumină de lungimea de undă, asociată cu o modificare a vitezei de propagare a acestuia în fibră din cauza naturii ghidului de undă a propagării. Lărgirea impulsului datorată dispersiei ghidului de undă este proporțională în mod similar cu lățimea spectrului de radiație al sursei și este definită ca:
,
unde este dispersia specifică a ghidului de undă, a cărei valoare este prezentată în Tabelul 2.4:
Tabelul 2.4
– datorită întârzierii grupului diferenţial dintre fasciculele cu stări de polarizare a solului. Distribuția energiei semnalului în diferite stări de polarizare se modifică lent în timp, de exemplu, datorită schimbărilor de temperatură mediu inconjurator, anizotropia indicelui de refracție cauzată de forțe mecanice.
Într-o fibră cu un singur mod, nu se propagă un mod, așa cum se crede în mod obișnuit, ci două polarizări (moduri) perpendiculare ale semnalului original. Într-o fibră ideală, aceste moduri s-ar propaga cu aceeași viteză, dar fibrele reale nu au o geometrie ideală. Principala cauză a PMD este neconcentricitatea profilului miezului de fibre, care apare în timpul procesului de fabricare a fibrelor și cablurilor. Ca urmare, două componente de polarizare perpendiculară au viteze de propagare diferite, ceea ce duce la dispersie (Figura 2.11)
Figura 2.11
Coeficientul de dispersie a modului de polarizare specifică este normalizat la 1 km și are dimensiunea . Valoarea dispersiei în modul de polarizare se calculează prin formula:
Datorită valorii sale mici, trebuie luată în considerare exclusiv în fibra monomodală, în plus, atunci când se utilizează transmisia de semnal de mare viteză (2,5 Gbit/s și mai mare) cu o bandă de emisie spectrală foarte îngustă de 0,1 nm sau mai puțin. În acest caz, dispersia cromatică devine comparabilă cu dispersia în modul de polarizare.
Coeficientul PMD specific al unei fibre tipice este, de regulă, 
.
Liniile de comunicații prin fibră optică (FOCL) au ocupat de mult una dintre pozițiile de lider pe piața telecomunicațiilor. Având o serie de avantaje față de alte metode de transmitere a informațiilor (pereche răsucită, cablu coaxial, comunicații fără fir...), FOCL-urile sunt utilizate pe scară largă în rețelele de telecomunicații. diferite niveluri, precum și în industrie, energie, medicină, sisteme de securitate, sisteme de calcul de înaltă performanță și multe alte domenii.
Transmiterea informațiilor în FOCL se realizează prin fibră optică (fibră optică). Pentru a aborda cu competență problema utilizării FOCL, este important să înțelegem bine ce este o fibră optică ca mediu de transmisie a datelor, care sunt principalele sale proprietăți și caracteristici, care sunt tipurile de fibre optice. Acest articol este dedicat acestor probleme de bază ale teoriei comunicării prin fibră optică.
Structura fibrei optice
fibra optica(fibra optica) este un ghid de undă cu o secțiune transversală circulară cu un diametru foarte mic (comparabil cu grosimea păr de om), prin care se transmite radiația electromagnetică din domeniul optic. Lungimile de undă ale radiației optice ocupă regiunea spectrului electromagnetic de la 100 nm la 1 mm, cu toate acestea, FOCL utilizează de obicei domeniul infraroșu apropiat (IR) (760-1600 nm) și mai rar vizibil (380-760 nm). O fibră optică constă dintr-un miez (miez) și o placare optică realizată din materiale care sunt transparente la radiația optică (Fig. 1).
Orez. 1. Construcția fibrei optice
Lumina se propagă printr-o fibră optică datorită fenomenului reflecție internă totală. Indicele de refracție al miezului, de obicei între 1,4 și 1,5, este întotdeauna puțin mai mare decât indicele de refracție al învelișului optic (diferență de ordinul a 1%). Prin urmare, undele luminoase care se propagă în miez la un unghi care nu depășește o anumită valoare critică suferă o reflexie internă totală de la placarea optică (Fig. 2). Aceasta rezultă din legea refracției lui Snell. Prin multiple reflecții de la placare, aceste unde se propagă de-a lungul fibrei optice.
Orez. 2. Reflexia internă totală într-o fibră optică
Pe primii metri ai liniei de comunicație optică, o parte din undele luminoase se anulează reciproc datorită fenomenului de interferență. unde luminoase, care continuă să se propagă în fibră pe distanțe considerabile, sunt numite spațiale moduri radiatii optice. Conceptul de mod este descris matematic folosind ecuațiile lui Maxwell pentru undele electromagnetice, totuși, în cazul radiației optice, modurile sunt convenabil înțelese ca traiectorii de propagare a undelor luminoase permise (indicate prin linii negre în Fig. 2). Conceptul de mod este unul dintre principalele în teoria comunicației prin fibră optică.
Principalele caracteristici ale fibrei optice
Capacitatea unei fibre optice de a transmite un semnal de informare este descrisă folosind o serie de parametri și caracteristici geometrice și optice, dintre care cele mai importante sunt atenuarea și dispersia.
1. Parametri geometrici.
Pe lângă raportul dintre diametrele miezului și ale carcasei, mare importanță pentru procesul de transmitere a semnalului, au și alți parametri geometrici ai fibrei optice, de exemplu:
- în afara rotunjimii (elipticitatea) miezului și învelișului, definită ca diferența dintre diametrele maxime și minime ale miezului (cochiliei), împărțită la raza nominală, exprimată în procente;
- neconcentricitatea miez și înveliș - distanța dintre centrele miezului și învelișului (Fig. 3).
Figura 3. Nerotunzimea și neconcentricitatea miezului și învelișului
Parametrii geometrici sunt standardizați pentru tipuri diferite fibra optica. Datorită îmbunătățirii tehnologiei de fabricație, valorile nerotunzii și neconcentricității pot fi minimizate, astfel încât efectul inexactității geometriei fibrei asupra proprietăților sale optice este neglijabil.
(NA) este sinusul unghiului maxim de incidență al fasciculului de lumină pe capătul fibrei, la care este îndeplinită condiția de reflexie internă totală (Fig. 4). Acest parametru determină numărul de moduri care se propagă în fibra optică. De asemenea, valoarea diafragmei numerice afectează precizia cu care fibrele optice trebuie să fie îmbinate între ele și cu alte componente de linie.
Fig 4. Diafragma numerică
3. Profilul indicelui de refracție.
Profilul indicelui de refracție este dependența indicelui de refracție al miezului de raza lui transversală. Dacă indicele de refracție rămâne același în toate punctele secțiunii transversale a miezului, se numește un astfel de profil călcat . Printre alte profiluri, cel mai utilizat gradient profil, în care indicele de refracție crește ușor de la coajă la axă (Fig. 5). Pe lângă aceste două principale, există și profiluri mai complexe.
Orez. 5. Profilele indicelui de refracție
4. Atenuare (pierderi).
atenuare - este scăderea puterii radiației optice pe măsură ce aceasta se propagă prin fibra optică (măsurată în dB/km). Atenuarea are loc datorită diferitelor procese fizice care au loc în materialul din care este fabricată fibra optică. Principalele mecanisme pentru apariția pierderilor într-o fibră optică sunt absorbția și împrăștierea.
A) Absorbţie . Ca urmare a interacțiunii radiației optice cu particulele (atomi, ioni ...) din materialul miezului, o parte din puterea optică este eliberată sub formă de căldură. Distinge preluare proprie asociat cu proprietățile materialului în sine și absorbția impurităților , care rezultă din interacțiunea unei unde luminoase cu diverse incluziuni conținute în materialul miezului (grupe hidroxil OH - , ioni metalici ...).
b) Risipirea lumina, adică abaterea de la traiectoria inițială de propagare, apare la diferite neomogenități ale indicelui de refracție, ale căror dimensiuni geometrice sunt mai mici sau comparabile cu lungimea de undă a radiației. Astfel de neomogenități sunt o consecință atât a prezenței defectelor în structura fibrelor ( Mie împrăștiere ), și proprietățile substanței amorfe (necristaline) din care este făcută fibra ( împrăștierea Rayleigh ). Difuzarea Rayleigh este o proprietate fundamentală a unui material și determină limita inferioară de atenuare a unei fibre optice. Există și alte tipuri de împrăștiere ( Brillouin-Mandelstam, Ramana), care apar la niveluri de putere de radiație mai mari decât cele utilizate în mod obișnuit în telecomunicații.
Coeficientul de atenuare are o dependență complexă de lungimea de undă a radiației. Un exemplu de astfel de dependență spectrală este prezentat în Fig. 6. Se numește regiunea lungimilor de undă cu atenuare scăzută fereastra de transparență fibra optica. Pot exista mai multe astfel de ferestre și tocmai la aceste lungimi de undă este transmis de obicei semnalul de informație.
Orez. 6. Dependenţa spectrală a coeficientului de amortizare
Pierderea de putere în fibră este cauzată și de diverși factori externi. Astfel, influențele mecanice (coduri, tensiuni, sarcini transversale) pot duce la încălcarea condiției de reflexie internă totală la interfața dintre miez și placare și evadarea unei părți a radiației din miez. Condițiile de mediu (temperatură, umiditate, fond de radiație...) au o anumită influență asupra valorii de atenuare.
Deoarece receptorul de radiație optică are un anumit prag de sensibilitate (puterea minimă pe care trebuie să o aibă un semnal pentru a primi corect datele), atenuarea servește ca factor limitator pentru domeniul de transmisie a informațiilor pe o fibră optică.
5. Proprietăți de dispersie.
Pe lângă distanța pe care radiația este transmisă printr-o fibră optică, un parametru important este viteza de transfer al informațiilor. Propagându-se de-a lungul fibrei, impulsurile optice se lărg în timp. Cu o rată mare de repetare a impulsurilor la o anumită distanță de sursa de radiație, poate apărea o situație când impulsurile încep să se suprapună în timp (adică următorul impuls va ajunge la ieșirea fibrei optice înainte ca cel anterior să se încheie). Acest fenomen se numește interferență intersymbol (ing. ISI - InterSymbol Interference, vezi Fig. 7). Receptorul va procesa semnalul primit cu erori.
Orez. 7. Suprapunerea impulsurilor care provoacă interferență intersimbol: a) semnal de intrare; b) un semnal care a parcurs o anumită distanţăL1 peste fibra optica; c) un semnal care a parcurs o distanţăL2>L1.
lărgirea pulsului, sau dispersie , este determinată de dependența vitezei de fază a propagării luminii de lungimea de undă a radiației, precum și de alte mecanisme (Tabelul 1).
Tabelul 1. Tipuri de dispersie în fibra optică.
| Nume | Scurta descriere | Parametru |
| 1. Dispersia cromatică | Orice sursă emite nu o singură lungime de undă, ci un spectru de lungimi de undă ușor diferite care se propagă la viteze diferite. |
Coeficientul de dispersie cromatică, ps/(nm*km). Poate fi pozitivă (componentele spectrale cu lungimi de undă mai mari se mișcă mai repede) și negative (diversa). Există o lungime de undă cu dispersie zero. |
| a) Dispersia cromatică a materialului | Asociat cu proprietățile materialului (dependența indicelui de refracție de lungimea de undă a radiației) | |
| b) Dispersia cromatică a ghidului de undă | Asociat cu prezența unei structuri de ghid de undă (profilul indicelui de refracție) | |
| 2. Dispersia intermodală | Modurile se propagă de-a lungul diferitelor traiectorii, deci există o întârziere în timpul lor de propagare. |
Lățimea de bandă ( lățime de bandă), MHz*km. Această valoare determină rata maximă de repetiție a pulsului la care interferența intersimbol nu are loc (semnalul este transmis fără distorsiuni semnificative). Capacitatea canalului (Mbit/s) poate diferi numeric de lățimea de bandă (MHz*km), în funcție de metoda de codificare a informațiilor. |
| 3. Dispersia mod de polarizare, PMD | Un mod are două componente reciproc perpendiculare (moduri de polarizare) care se pot propaga la viteze diferite. |
Coeficient PMD, ps/√km. Întârziere din cauza PMD, evaluată la 1 km. |
Astfel, dispersia într-o fibră optică afectează negativ atât intervalul, cât și viteza de transmitere a informațiilor.
Varietăți și clasificare a fibrelor optice
Proprietățile considerate sunt comune tuturor fibrelor optice. Cu toate acestea, parametrii și caracteristicile descrise pot diferi semnificativ și au influență diferită asupra procesului de transmitere a informaţiei, în funcţie de caracteristicile producţiei de fibre optice.
Împărțirea fibrelor optice după următoarele criterii este fundamentală.
- Material . Materialul principal pentru fabricarea miezului și a învelișului unei fibre optice este sticla de cuarț de diferite compoziții. Cu toate acestea, se utilizează un număr mare de alte materiale transparente, în special compuși polimerici.
- Numărul de moduri de propagare . În funcție de dimensiunile geometrice ale miezului și ale placajului și de valoarea indicelui de refracție într-o fibră optică, se poate propaga doar unul (principal) sau un număr mare de moduri spațiale. Prin urmare, toate fibrele optice sunt împărțite în două clase mari: monomod și multimod (Fig. 8).
Orez. 8. Fibră multi-mod și unic
Pe baza acestor factori, se pot distinge patru clase principale de fibre optice care au devenit larg răspândite în telecomunicații:
- (POF).
- (HCS).
Fiecare dintre aceste clase este dedicată unui articol separat de pe site-ul nostru. Fiecare dintre aceste clase are, de asemenea, propria sa clasificare.
Productie de fibre optice
Procesul de fabricație al fibrei optice este extrem de complex și necesită o mare precizie. Procesul tehnologic are loc în două etape: 1) crearea unui semifabricat, care este o tijă din materialul selectat cu un profil de indice de refracție format și 2) extragerea fibrei în turnul de tragere, însoțită de acoperire cu un manta de protectie. Există un număr mare de tehnologii diferite pentru crearea unei preforme de fibră optică, a cărei dezvoltare și îmbunătățire sunt în curs de desfășurare.
Utilizarea practică a fibrei optice ca mediu de transmitere a informațiilor este imposibilă fără întărire și protecție suplimentară. cablu de fibra optica este un design care include una sau mai multe fibre optice, precum și diverse acoperiri de protecție, elemente portante și de armare, materiale rezistente la umiditate. Din cauza varietate mare aplicații cu fibră optică Producătorii produc o mare varietate de cabluri cu fibră optică, care diferă în ceea ce privește designul, dimensiunea, materialele utilizate și costul (Fig. 9).
Fig.9. Cabluri de fibră optică
3.3 FIBRA OPTICA
Există patru fenomene principale în fibra optică care limitează performanța sistemelor WDM - acestea sunt dispersia cromatică, dispersia modului de polarizare de ordinul întâi și al doilea și efectele optice neliniare.
3.3.1 Dispersia cromatică
O caracteristică optică importantă a sticlei utilizate la fabricarea fibrelor este dispersia indicelui de refracție, care se manifestă prin dependența vitezei de propagare a semnalului de lungimea de undă - dispersia materialului. În plus, în producția de fibre monomode, atunci când un filament de cuarț este extras dintr-o preformă de sticlă, apar într-o oarecare măsură abateri în geometria fibrei și în profilul indicelui de refracție radial. Geometria fibrei în sine, împreună cu abaterile de la profilul ideal, contribuie, de asemenea, în mod semnificativ la dependența vitezei de propagare a semnalului de lungimea de undă, aceasta este dispersia ghidului de undă.
Efectul combinat al dispersiilor materialului și ghidului de undă se numește dispersia cromatică a fibrei, fig. 3.16.
Fig.3.16 Dependența dispersiei cromatice de lungimea de undă
Fenomenul de dispersie cromatică slăbește pe măsură ce lățimea spectrală a radiației laser scade. Chiar dacă ar fi posibil să se utilizeze o sursă ideală de radiație monocromatică cu lățime de linie de generație zero, atunci după modularea de către semnalul de informație, semnalul ar fi lărgit spectral și cu cât lărgirea este mai mare, cu atât rata de modulație este mai mare. Există și alți factori care duc la lărgirea spectrală a radiației, din care se poate distinge ciripitul sursei de radiație.
Astfel, canalul original este reprezentat nu de o singură lungime de undă, ci de un grup de lungimi de undă într-un interval spectral îngust - un pachet de undă. Deoarece lungimi de undă diferite se propagă la viteze diferite (sau mai precis, la viteze de grup diferite), pulsul optic, care are o formă strict dreptunghiulară la intrarea liniei de comunicație, va deveni din ce în ce mai larg pe măsură ce trece prin fibră. Cu un timp lung de propagare în fibră, acest impuls se poate amesteca cu impulsurile învecinate, ceea ce face dificilă reconstrucția lor cu precizie. Odată cu creșterea ratei de transmisie și a lungimii liniei de comunicație, influența dispersiei cromatice crește.
Dispersia cromatică, așa cum sa menționat deja, depinde de material și de componentele ghidului de undă. La o anumită lungime de undă λ o dispersia cromatică dispare - această lungime de undă se numește lungimea de undă a dispersiei zero.
Fibra de silice cu indice în trepte monomod are dispersie zero la o lungime de undă de 1310 nm. O astfel de fibră este adesea denumită fibră cu dispersie nedeplasată.
Dispersia ghidului de undă este determinată în primul rând de profilul indicelui de refracție al miezului fibrei și al învelișului interioară. Într-o fibră cu un profil complex al indicelui de refracție, prin modificarea raportului dintre dispersia mediului și dispersia ghidului de undă, se poate nu numai să se schimbe lungimea de undă cu dispersie zero, ci și să se aleagă forma dorită a caracteristicii de dispersie, adică. forma dependenţei dispersiei de lungimea de undă.
Forma caracteristicii de dispersie este esențială pentru sistemele WDM, în special în cazul fibrelor deplasate prin dispersie (Rec. ITU-T G.653).
Pe lângă parametrul λ o se utilizează parametrul S o, care descrie panta caracteristicii de dispersie la lungimea de undă λ o , fig. 3.17. În general, panta la alte lungimi de undă este diferită de panta la lungimea de undă λ o . Valoarea curentă a pantei S o determină componenta liniară a dispersiei în vecinătatea lui λ o .
Orez. 3.17 Principalii parametri ai dependenței dispersiei cromatice de lungimea de undă: λ o - lungimea de undă a dispersiei zero și S o - panta caracteristicii de dispersie în punctul de dispersie zero
Dispersia cromatică τchr(măsurată de obicei în ps) poate fi calculată folosind formula
τ chr = D(λ) ∆τ L,
Unde D(λ)- coeficientul de dispersie cromatică (ps/(nm*km)) , și L- lungimea liniei de comunicatie (km). Rețineți că această formulă nu este exactă în cazul surselor de radiații cu bandă ultra-îngustă.
Pe fig. 3.18 arată separat dependențele dispersiei ghidului de undă pentru o fibră cu dispersie nedeplasată (1) și deplasată (2) și dispersia materialului pe lungimea de undă.
Orez. 3.18 Dependența de lungime de undă a dispersiei (dispersia cromatică este definită ca suma dintre dispersiile materialului și ale ghidului de undă.)
Dispersia cromatică a unui sistem de transmisie este sensibilă la:
creșterea lungimii și numărului de secțiuni ale liniei de comunicație;
o creștere a ratei de transmisie (deoarece lățimea efectivă a liniei de generare a sursei crește).
Este mai puțin afectată de:
reducerea intervalului de frecvență dintre canale;
creșterea numărului de canale.
Dispersia cromatică scade cu:
reducerea valorii absolute a dispersiei cromatice a fibrei;
compensarea dispersiei.
În sistemele WDM cu fibră standard convențională (Rec. ITU-T G.652), trebuie acordată o atenție deosebită dispersiei cromatice, deoarece aceasta este mare în regiunea de lungime de undă de 1550 nm.
Dispersia modului de distincție, care este cauzată de un număr mare de moduri în fibra optică și dispersia cromatică asociată cu incoerența surselor de lumină care funcționează efectiv într-un anumit interval de lungimi de undă.
Luați în considerare propagarea fasciculului de lumină de-a lungul fibrei multimodale. În acest caz există două moduri, cele două fascicule. Prima se extinde de-a lungul axei longitudinale a fibrei, în timp ce cealaltă este reflectată de interfețele mediilor. Astfel, traseul celui de-al doilea fascicul de lumină este mai mare decât primul. Ca rezultat, atunci când cele două fascicule care transportă energia electromagnetică sunt adunate împreună, fasciculul oblic comparat cu un fascicul axial este întârzierea de timp, care se calculează prin următoarea formulă:
c- viteza luminii
l- lungimea fibrei
n 1
,
n 2– indici de refracție ai miezului și învelișului
Dispersia în modul gradient a fibrelor optice, de obicei cu două ordine de mărime mai mică decât acele fibre cu un profil de indice de refracție în trepte. Datorită schimbării netede a indicelui de refracție a miezului unei fibre optice, scade traseul celui de-al doilea fascicul de-a lungul fibrei. Astfel, se reduce întârzierea a doua în raport cu primul fascicul.
Dispersia modului de fibră optică unică și nicio creștere a duratei impulsului este determinată de dispersia cromatică, care, la rândul său, este împărțită în material și ghid de undă.
Fenomenul de dispersie a materialului se numește dependența absolută a indicelui de refracție n lungimea de undă a luminii materialului ( n =ϕλ()). Coeficientul de dispersie a ghidului de undă este determinat de dependența fazei β și a frecvenței ( β=ϕ ω() ).
Lărgirea pulsului datorită dispersiei cromatice se calculează folosind formula:
m– lărgirea pulsului datorită dispersiei materialelor, ps;
τ B– lărgirea pulsului datorită dispersiei ghidului de undă, ps;
∆λ
– lățimea spectrală a sursei de radiație, nm;
M(λ) este coeficientul de dispersie specifică a materialului, ps / nm km;
B(λ)– un coeficient de dispersie a ghidului de undă, ps / nm km.
Luați în considerare efectul dispersiei materialului și ghidului de undă în fibra monomod. După cum se vede din grafic, o creștere a dispersiei de lungime de undă a materialului scade, iar la o lungime de undă de 1,31 m devine egală cu zero. Lungimea de undă în acest caz este considerată o lungime de undă cu dispersie zero. În același timp, o dispersie mai mare de 1,31 microni devine negativă. Dispersia ghidului de undă imparțial a fibrelor este o valoare relativ mică și se află în intervalul de numere pozitive. În dezvoltarea fibrei optice de dispersie deplasată, care se bazează pe componenta ghidului de undă, încearcă să compenseze dispersia materialului la lungimi de undă mai mari, adică o a treia fereastră transparentă (λ = 1,55 m). Această deplasare se realizează prin reducerea diametrului miezului, crescând Δ și utilizând forma triunghiulară a profilului indicelui de refracție al miezului.
În propagarea undei de lumină polarizată de-a lungul fibrei optice are loc dispersia de polarizare. Unda luminoasă din punctul de vedere al teoriei undelor este un vector de câmp magnetic și electric în continuă schimbare, care este perpendicular pe propagarea undelor electromagnetice (luminoase). Un exemplu de undă luminoasă poate fi lumina naturală a cărei direcție a vectorului electric variază aleatoriu. Dacă radiația este monocromatică și vectorii oscilează cu o frecvență constantă, ei pot fi reprezentați ca suma a două componente perpendiculare reciproce ale lui x și y. Fibra optică ideală este un mediu izotrop în care proprietățile electromagnetice sunt aceleași în toate direcțiile, de exemplu indici de refracție. Mediile cu indici diferiți de refracție în două axe ortogonale x și y se numesc birefringente. Astfel, în acest caz, fibra rămâne un singur mod deoarece două moduri polarizate ortogonal au aceeași constantă de propagare. Dar acest lucru este valabil numai pentru fibra optică ideală.
Într-o fibră optică reală, două moduri polarizate ortogonal au constante de propagare neidentice, astfel încât apare o întârziere în timp și lărgirea impulsului optic.
Lărgirea pulsului datorită dispersiei modului de polarizare (PMD) se calculează după cum urmează:
Prin urmare, dispersia modului de polarizare se manifestă numai în fibrele optice cu un singur mod cu miez netsirkulyarnoy (eliptice) și, în anumite condiții, devine comparabilă cu cromatica. Prin urmare, dispersia rezultată a fibrei optice monomod este determinată de următoarea formulă:
Dispersia limitează semnificativ lățimea de bandă a fibrelor optice. Lățimea de bandă maximă pe linia optică 1 km calculată prin formula aproximativă:
τ - lărgirea pulsului, ps/km.
Dispersia cromatică constă din materiale și componente ale ghidului de undă și are loc în timpul propagării atât în fibre monomode, cât și în fibre multimodale. Cu toate acestea, se manifestă cel mai clar într-o fibră cu un singur mod datorită absenței dispersiei intermodale.
Dispersia materialului se datorează dependenței indicelui de refracție al fibrei de lungimea de undă. Expresia pentru dispersia unei fibre monomod include dependența diferențială a indicelui de refracție de lungimea de undă.
Dispersia ghidului de undă se datorează dependenței coeficientului de propagare a modului de lungime de undă
unde coeficienții M(l) și N(l) sunt dispersiile specifice de material și, respectiv, ghidul de undă, iar Dl (nm) este lărgirea lungimii de undă din cauza incoerenței sursei de radiație. Valoarea rezultată a coeficientului specific de dispersie cromatică este definită ca D(l) = M(l) + N(l). Dispersia specifică are dimensiunea ps/(nm*km). Dacă coeficientul de dispersie a ghidului de undă este întotdeauna mai mare decât zero, atunci coeficientul de dispersie a materialului poate fi fie pozitiv, fie negativ. Și aici este important ca la o anumită lungime de undă (aproximativ 1310 ± 10 nm pentru o fibră monomod în trepte) să existe o compensare reciprocă a M(l) și N(l), iar dispersia rezultată D(l) dispare. Lungimea de undă la care are loc aceasta se numește lungimea de undă cu dispersie zero l0. De obicei, este indicată o anumită gamă de lungimi de undă, în care l0 poate varia pentru această fibră specială.
Corning folosește următoarea metodă pentru determinarea dispersiei cromatice specifice. Întârzierile sunt măsurate în timpul propagării impulsurilor scurte de lumină într-o fibră cu o lungime de cel puțin 1 km. După eșantionarea datelor pentru mai multe lungimi de undă din domeniul de interpolare (800-1600 nm pentru MMF, 1200-1600 nm pentru SF și DSF), măsurătorile de întârziere sunt reeșantionate la aceleași lungimi de undă, dar numai pe o fibră de referință scurtă (lungime 2 m ) . Timpii de întârziere obținuți pe acesta se scad din timpii corespunzători obținuți pe fibra lungă pentru a elimina componenta sistematică a erorii.
Pentru fibrele cu gradient monomod în trepte și multimod se folosește formula empirică Sellmeier: t (l) = A + Bl2 + Cl-2. Coeficienții A, B, C sunt ajustabili și sunt aleși astfel încât punctele experimentale să se potrivească mai bine pe curba t (l). Apoi dispersia cromatică specifică se calculează prin formula:
unde l0 = (C/B)1/4 este lungimea de undă de dispersie zero, noul parametru S0 = 8B este panta de dispersie zero (dimensiunea sa este ps/(nm2*km)), iar l este lungimea de undă de operare pentru care specifica se determină dispersia cromatică.
a) fibră cu gradient multimod (62,5/125)
b) fibră în trepte cu un singur mod (SF)
c) fibră cu dispersie deplasată (DSF) monomod
Articol înrudit
Dispozitive tactice. declanșatoare
acest lucru este dedicat rolului declanșatorilor în dispozitivele digitale. Toate calculatoarele moderne folosesc un sistem logic inventat de George Boole. Odată cu dezvoltarea electronicii, a apărut o astfel de clasă de tehnologie electronică precum cea digitală. Tehnologia digitală include astfel de dispozitive...
