Spolu s koeficientom útlmu OF je najdôležitejším parametrom rozptyl, ktorý určuje jeho šírku pásma pre prenos informácií.
Rozptyl - je časový rozptyl spektrálnych a vidových zložiek optiky optický signál, ktoré vedú k predĺženiu trvania impulzu optického žiarenia pri jeho šírení pozdĺž OF.
Rozšírenie impulzu je definované ako kvadratický rozdiel medzi trvaním impulzu na výstupe a vstupe optického vlákna pomocou vzorca:
navyše hodnoty a sú brané na úrovni polovice amplitúdy impulzov (obrázok 2.8).
Obrázok 2.8
Obrázok 2.8 - Rozšírenie impulzu v dôsledku disperzie
Disperzia vzniká z dvoch dôvodov: nekoherentnosť zdrojov žiarenia a existencia veľkého počtu módov. Rozptyl spôsobený prvou príčinou sa nazýva chromatický (frekvencia). , pozostáva z dvoch zložiek – materiálovej a vlnovodnej (intramódovej) disperzie. Materiálová disperzia je spôsobená závislosťou indexu lomu od vlnovej dĺžky, vlnovodová disperzia je spojená so závislosťou koeficientu šírenia od vlnovej dĺžky.
Rozptyl spôsobený druhou príčinou sa nazýva modálny (intermód).
Modálna disperzia je charakteristický len pre multimódové vlákna a je spôsobený rozdielom v čase, ktorý režimy potrebujú na prechod cez optické vlákno od jeho vstupu k výstupu. AT OF so stupňovitým profilom indexu lomu rýchlosť šírenia elektromagnetické vlny pričom vlnová dĺžka je rovnaká a rovná sa: , kde C je rýchlosť svetla. V tomto prípade sa všetky lúče dopadajúce na koniec vlákna pod uhlom k osi v rámci uhla apertúry šíria v jadre vlákna pozdĺž svojich kľukatých čiar a pri rovnakej rýchlosti šírenia dosahujú prijímací koniec na iný čas, čo vedie k predĺženiu trvania prijatého impulzu. Keďže minimálny čas šírenia optického lúča nastáva, keď dopadá lúč , a maximálny, keď , môžeme písať:
kde L je dĺžka vlákna;
Index lomu jadra vlákna;
C je rýchlosť svetla vo vákuu.
Potom sa hodnota intermodovej disperzie rovná:
Vidová disperzia gradientových OF rádovo alebo viac nižšie ako u stupňovitých vlákien. Je to spôsobené tým, že v dôsledku poklesu indexu lomu od osi OF k plášťu sa rýchlosť šírenia lúčov pozdĺž ich trajektórie mení. Takže na trajektóriách blízko osi je menšia a vzdialenejšia. Lúče šíriace sa po najkratších dráhach (bližšie k osi) majú nižšiu rýchlosť a lúče šíriace sa po dlhších dráhach majú väčšiu rýchlosť. V dôsledku toho sa doba šírenia lúčov vyrovná a predĺženie trvania impulzu sa zníži. Pri parabolickom profile indexu lomu, keď je exponent profilu q=2, je modálna disperzia daná vzťahom:
Modálna disperzia gradientu OF je niekoľkonásobne menšia ako u stupňovitého pre rovnaké hodnoty . A keďže zvyčajne , potom sa modálny rozptyl uvedených optických vlákien môže líšiť o dva rády.
Pri výpočte modálnej disperzie treba mať na pamäti, že do určitej dĺžky vedenia, nazývanej dĺžka modovej väzby, nedochádza k intermódovej väzbe a potom pri , nastáva proces vzájomnej konverzie vidov a nastáva ustálený stav. Preto pri , sa disperzia zvyšuje podľa lineárneho zákona a potom v - podľa kvadratického zákona.
Vyššie uvedené vzorce teda platia len pre dĺžku . Pre dĺžky čiar by sa mali použiť tieto vzorce:
- pre stupňovitý svetlovod
- pre gradientný svetlovod,
kde je dĺžka čiary;
Dĺžka spojenia režimu (ustálený stav) sa rovná km pre stupňovité vlákno a km pre gradientové vlákno (stanovené empiricky).
Disperzia materiálu závisí od frekvencie (alebo od vlnovej dĺžky) a materiálu OF, ktorým sa spravidla používa kremenné sklo. Disperzia je určená elektromagnetickou interakciou vlny s viazanými elektrónmi materiálu média, ktorá má spravidla nelineárnu (rezonančnú) povahu.
Výskyt disperzie v materiáli svetlovodu aj pri jednovidových vláknach je spôsobený tým, že optický zdroj, ktorý vlákno budí (svetelná dióda - LED alebo PPL polovodičový laser) generuje svetelné žiarenie s kontinuálnym vlnové spektrum určitej šírky (u LED je to cca nm, u multimódových PPL - nm , u jednovidových laserových diód nm). Rôzne spektrálne zložky svetelného žiarenia sa šíria rôznou rýchlosťou a dostávajú sa do určitého bodu v rôznom čase, čo vedie k rozšíreniu impulzu na prijímacom konci a za určitých podmienok k skresleniu jeho tvaru. Index lomu sa mení s vlnovou dĺžkou (frekvenciou), pričom úroveň disperzie závisí od rozsahu vlnových dĺžok svetla vstrekovaného do vlákna (zvyčajne zdroj vyžaruje viacero vlnových dĺžok), ako aj od strednej prevádzkovej vlnovej dĺžky zdroja. V oblasti I priehľadného okna sa dlhšie vlnové dĺžky (850 nm) pohybujú rýchlejšie v porovnaní s kratšími vlnovými dĺžkami (845 nm). V oblasti III priehľadného okna sa situácia mení: kratšie (1550 nm) sa pohybujú rýchlejšie ako dlhšie (1560 nm). Obrázok 2.9
Obrázok 2.9 - Rýchlosti šírenia vlnových dĺžok
Dĺžka šípok zodpovedá rýchlosti vlnových dĺžok, dlhšia šípka zodpovedá rýchlejšiemu pohybu.
V určitom bode spektra sa rýchlosti zhodujú. Táto zhoda v čistom kremennom skle nastáva pri vlnovej dĺžke nm, ktorá sa nazýva vlnová dĺžka nulovej disperzie materiálu, keďže . Pri vlnovej dĺžke pod vlnovou dĺžkou nulovej disperzie má parameter kladnú hodnotu, inak je záporný. Obrázok 2.10
Disperzia materiálu môže byť určená prostredníctvom špecifického rozptylu výrazom:
.
Hodnotovo špecifická disperzia, , je určená experimentálne. Pri rôznych zloženiach dopantov v OF má rôzne hodnoty v závislosti od (tabuľka 2.3).
Tabuľka 2.3 - Typické hodnoty rozptylu špecifického materiálu
Vlnovodná (vnútromódová) disperzia – tento pojem označuje závislosť oneskorenia svetelného impulzu od vlnovej dĺžky, spojenú so zmenou rýchlosti jeho šírenia vo vlákne v dôsledku vlnovodného charakteru šírenia. Rozšírenie impulzu v dôsledku rozptylu vlnovodu je podobne úmerné šírke spektra žiarenia zdroja a je definované ako:
,
kde je špecifická disperzia vlnovodu, ktorej hodnota je uvedená v tabuľke 2.4:
Tabuľka 2.4
– kvôli rozdielovému skupinovému oneskoreniu medzi lúčmi so stavmi zemnej polarizácie. Rozloženie energie signálu v rôznych polarizačných stavoch sa mení pomaly s časom, napríklad v dôsledku zmien teploty životné prostredie, anizotropia indexu lomu spôsobená mechanickými silami.
V jednovidovom vlákne sa nešíri jeden vid, ako sa bežne verí, ale dve kolmé polarizácie (módy) pôvodného signálu. V ideálnom vlákne by sa tieto módy šírili rovnakou rýchlosťou, ale skutočné vlákna nemajú ideálnu geometriu. Hlavnou príčinou PMD je nesústrednosť profilu jadra vlákna, ku ktorej dochádza počas procesu výroby vlákien a káblov. Výsledkom je, že dve kolmé polarizačné zložky majú rôzne rýchlosti šírenia, čo vedie k disperzii (obrázok 2.11)
Obrázok 2.11
Koeficient špecifického rozptylu polarizačného režimu je normalizovaný na 1 km a má rozmer . Hodnota rozptylu polarizačného režimu sa vypočíta podľa vzorca:
Vzhľadom na jeho malú hodnotu ho treba brať do úvahy výlučne pri single-mode vlákne, navyše, keď sa používa vysokorýchlostný prenos signálu (2,5 Gbit/s a vyšší) s veľmi úzkym spektrálnym emisným pásmom 0,1 nm alebo menej. V tomto prípade chromatická disperzia sa stáva porovnateľným s polarizačnou vidovou disperziou.
Špecifický koeficient PMD typického vlákna je spravidla 
.
Komunikačné linky z optických vlákien (FOCL) dlhodobo zaujímajú jednu z vedúcich pozícií na telekomunikačnom trhu. FOCL majú množstvo výhod oproti iným metódam prenosu informácií (krútená dvojlinka, koaxiálny kábel, bezdrôtová komunikácia...), a preto sú široko používané v telekomunikačných sieťach. rôzne úrovne, ako aj v priemysle, energetike, medicíne, bezpečnostných systémoch, vysokovýkonných výpočtových systémoch a mnohých ďalších oblastiach.
Prenos informácií v FOCL sa uskutočňuje cez optické vlákno (optické vlákno). Aby sme mohli kompetentne pristupovať k problematike používania FOCL, je dôležité dobre pochopiť, čo je optické vlákno ako médium na prenos údajov, aké sú jeho hlavné vlastnosti a charakteristiky, aké sú typy optických vlákien. Práve týmto základným otázkam teórie vláknovej komunikácie je venovaný tento článok.
Štruktúra optického vlákna
Optické vlákno (vlákno) je vlnovod s kruhovým prierezom s veľmi malým priemerom (porovnateľným s hrúbkou ľudské vlasy), cez ktorý sa prenáša elektromagnetické žiarenie optického rozsahu. Vlnové dĺžky optického žiarenia zaberajú oblasť elektromagnetického spektra od 100 nm do 1 mm, FOCL však zvyčajne využíva blízky infračervený (IR) rozsah (760-1600 nm) a menej často viditeľný (380-760 nm). Optické vlákno sa skladá z jadra (jadra) a optického plášťa vyrobeného z materiálov, ktoré sú priepustné pre optické žiarenie (obr. 1).
Ryža. 1. Konštrukcia optického vlákna
Svetlo sa v dôsledku tohto javu šíri optickým vláknom totálny vnútorný odraz. Index lomu jadra, typicky medzi 1,4 a 1,5, je vždy o niečo väčší ako index lomu optického plášťa (rozdiel rádovo 1 %). Svetelné vlny šíriace sa v jadre pod uhlom nepresahujúcim určitú kritickú hodnotu preto podliehajú úplnému vnútornému odrazu od optického plášťa (obr. 2). Vyplýva to zo Snellovho zákona lomu. Prostredníctvom viacnásobných spätných odrazov od plášťa sa tieto vlny šíria pozdĺž optického vlákna.
Ryža. 2. Celkový vnútorný odraz v optickom vlákne
Na prvých metroch optickej komunikačnej linky sa časť svetelných vĺn navzájom ruší javom rušenia. svetelné vlny, ktoré sa ďalej šíria vo vlákne na značné vzdialenosti, sa nazývajú priestorové mods optické žiarenie. Koncept módu je opísaný matematicky pomocou Maxwellových rovníc pre elektromagnetické vlny, avšak v prípade optického žiarenia sú módy bežne chápané ako trajektórie šírenia povolených svetelných vĺn (označené čiernymi čiarami na obr. 2). Koncept módu je jedným z hlavných v teórii komunikácie z optických vlákien.
Hlavné vlastnosti optického vlákna
Schopnosť optického vlákna prenášať informačný signál je opísaná pomocou množstva geometrických a optických parametrov a charakteristík, z ktorých najdôležitejšie sú útlm a disperzia.
1. Geometrické parametre.
Okrem pomeru priemerov jadra a plášťa, veľký význam pre proces prenosu signálu majú aj iné geometrické parametre optického vlákna, napr.
- neguľatosť (elipticita) jadra a obalu, definovaná ako rozdiel medzi maximálnym a minimálnym priemerom jadra (plášťa), delený menovitým polomerom, vyjadrený v percentách;
- nesústrednosť jadro a obal - vzdialenosť medzi stredmi jadra a obalu (obr. 3).
Obrázok 3. Neokrúhlosť a nesústrednosť jadra a obalu
Geometrické parametre sú štandardizované pre odlišné typy optické vlákno. Vďaka zdokonaleniu výrobnej technológie je možné minimalizovať hodnoty nekruhovosti a nesústrednosti, takže vplyv nepresnosti geometrie vlákna na jeho optické vlastnosti je zanedbateľný.
(NA) je sínus maximálneho uhla dopadu svetelného lúča na koniec vlákna, pri ktorom je splnená podmienka úplného vnútorného odrazu (obr. 4). Tento parameter určuje počet módov šíriacich sa v optickom vlákne. Hodnota numerickej apertúry tiež ovplyvňuje presnosť, s akou musia byť optické vlákna spájané medzi sebou a s ostatnými komponentmi linky.
Obr. 4. Číselná apertúra
3. Profil indexu lomu.
Profil indexu lomu je závislosť indexu lomu jadra od jeho priečneho polomeru. Ak index lomu zostane rovnaký vo všetkých bodoch prierezu jadra, takýto profil sa nazýva stupňovaný . Medzi inými profilmi najpoužívanejšie gradient profil, v ktorom index lomu plynule narastá od plášťa k osi (obr. 5). Okrem týchto dvoch hlavných existujú aj zložitejšie profily.
Ryža. 5. Profily indexu lomu
4. Útlm (straty).
útlmu - je pokles výkonu optického žiarenia pri jeho šírení optickým vláknom (merané v dB / km). K útlmu dochádza v dôsledku rôznych fyzikálnych procesov vyskytujúcich sa v materiáli, z ktorého je optické vlákno vyrobené. Hlavnými mechanizmami vzniku strát v optickom vlákne sú absorpcia a rozptyl.
a) Absorpcia . V dôsledku interakcie optického žiarenia s časticami (atómami, iónmi ...) materiálu jadra sa časť optickej sily uvoľňuje vo forme tepla. Rozlišovať vlastné prevzatie spojené s vlastnosťami samotného materiálu a absorpcia nečistôt , vznikajúce interakciou svetelnej vlny s rôznymi inklúziami obsiahnutými v materiáli jadra (hydroxylové skupiny OH - , kovové ióny ...).
b) Rozptyľovanie svetlo, teda odchýlka od pôvodnej dráhy šírenia, nastáva pri rôznych nehomogenitách indexu lomu, ktorých geometrické rozmery sú menšie alebo porovnateľné s vlnovou dĺžkou žiarenia. Takéto nehomogenity sú dôsledkom prítomnosti defektov v štruktúre vlákna ( Mie rozptyl ), a vlastnosti amorfnej (nekryštalickej) látky, z ktorej je vlákno vyrobené ( Rayleighov rozptyl ). Rayleighov rozptyl je základnou vlastnosťou materiálu a definuje spodnú hranicu útlmu optického vlákna. Existujú aj iné typy rozptylu ( Brillouin-Mandelstam, Ramana), ktoré sa objavujú pri úrovniach výkonu žiarenia vyšších ako sú bežne používané v telekomunikáciách.
Koeficient útlmu má komplexnú závislosť od vlnovej dĺžky žiarenia. Príklad takejto spektrálnej závislosti je na obr. 6. Oblasť vlnových dĺžok s malým útlmom sa nazýva priehľadné okno optické vlákno. Takýchto okienok môže byť viacero a práve na týchto vlnových dĺžkach sa informačný signál zvyčajne prenáša.
Ryža. 6. Spektrálna závislosť koeficientu tlmenia
Strata výkonu vo vlákne je tiež spôsobená rôznymi vonkajšími faktormi. Mechanické vplyvy (ohyby, ťahy, priečne zaťaženia) teda môžu viesť k porušeniu podmienky úplného vnútorného odrazu na rozhraní medzi jadrom a plášťom a úniku časti žiarenia z jadra. Určitý vplyv na hodnotu útlmu majú podmienky prostredia (teplota, vlhkosť, radiačné pozadie...).
Keďže prijímač optického žiarenia má určitý prah citlivosti (minimálny výkon, ktorý musí mať signál, aby správne prijímal dáta), útlm slúži ako limitujúci faktor pre rozsah prenosu informácií cez optické vlákno.
5. Disperzné vlastnosti.
Okrem vzdialenosti, na ktorú sa žiarenie prenáša cez optické vlákno, je dôležitým parametrom rýchlosť prenosu informácií. Optické impulzy sa šíria pozdĺž vlákna a časom sa rozširujú. Pri vysokej frekvencii opakovania impulzov v určitej vzdialenosti od zdroja žiarenia môže nastať situácia, keď sa impulzy začnú časovo prekrývať (čiže ďalší impulz príde na výstup optického vlákna skôr, ako skončí predchádzajúci). Tento jav sa nazýva medzisymbolová interferencia (angl. ISI - InterSymbol Interference, pozri obr. 7). Prijímač spracuje prijatý signál s chybami.
Ryža. 7. Prekrytie impulzov spôsobujúce medzisymbolové rušenie: a) vstupný signál; b) signál, ktorý prekonal určitú vzdialenosťL1 cez optické vlákno; c) signál, ktorý prekonal vzdialenosťL2>L1.
Rozšírenie pulzu, príp disperzia , je určená závislosťou fázovej rýchlosti šírenia svetla od vlnovej dĺžky žiarenia, ako aj ďalšími mechanizmami (tab. 1).
Tabuľka 1. Typy disperzie v optickom vlákne.
| názov | Stručný opis | Parameter |
| 1. Chromatická disperzia | Akýkoľvek zdroj nevyžaruje jednu vlnovú dĺžku, ale spektrum mierne odlišných vlnových dĺžok, ktoré sa šíria rôznymi rýchlosťami. |
Koeficient chromatickej disperzie, ps/(nm*km). Môže byť pozitívny (spektrálne zložky s dlhšími vlnovými dĺžkami sa pohybujú rýchlejšie) a negatívny (naopak). Existuje vlnová dĺžka s nulovou disperziou. |
| a) Materiálová chromatická disperzia | Súvisí s vlastnosťami materiálu (závislosť indexu lomu na vlnovej dĺžke žiarenia) | |
| b) Vlnovodová chromatická disperzia | Súvisí s prítomnosťou štruktúry vlnovodu (profil indexu lomu) | |
| 2. Intermódová disperzia | Módy sa šíria po rôznych trajektóriách, takže dochádza k oneskoreniu v čase ich šírenia. |
Šírka pásma ( šírka pásma), MHz*km. Táto hodnota určuje maximálnu frekvenciu opakovania impulzov, pri ktorej nedochádza k medzisymbolovému rušeniu (signál je prenášaný bez výrazného skreslenia). Kapacita kanálu (Mbit/s) sa môže číselne líšiť od šírky pásma (MHz*km) v závislosti od spôsobu kódovania informácií. |
| 3. Polarizačná vidová disperzia, PMD | Mód má dve navzájom kolmé zložky (polarizačné módy), ktoré sa môžu šíriť rôznymi rýchlosťami. |
Koeficient PMD, ps/√km. Časové oneskorenie v dôsledku PMD, menovité na 1 km. |
Disperzia v optickom vlákne teda nepriaznivo ovplyvňuje dosah aj rýchlosť prenosu informácií.
Druhy a klasifikácia optických vlákien
Uvažované vlastnosti sú spoločné pre všetky optické vlákna. Popísané parametre a charakteristiky sa však môžu výrazne líšiť a mať rozdielny vplyv o procese prenosu informácií v závislosti od vlastností výroby optických vlákien.
Základom je rozdelenie optických vlákien podľa nasledujúcich kritérií.
- Materiál . Hlavným materiálom na výrobu jadra a plášťa optického vlákna je kremenné sklo rôzneho zloženia. Používa sa však veľké množstvo iných transparentných materiálov, najmä polymérnych zlúčenín.
- Počet režimov šírenia . V závislosti od geometrických rozmerov jadra a plášťa a hodnoty indexu lomu v optickom vlákne sa môže šíriť iba jeden (hlavný) alebo veľký počet priestorových vidov. Preto sú všetky optické vlákna rozdelené do dvoch veľkých tried: single-mode a multimode (obr. 8).
Ryža. 8. Multi-mode a single-mode vlákno
Na základe týchto faktorov možno rozlíšiť štyri hlavné triedy optických vlákien, ktoré sa rozšírili v telekomunikáciách:
- (POF).
- (HCS).
Každej z týchto tried je venovaný samostatný článok na našej webovej stránke. Každá z týchto tried má tiež svoju vlastnú klasifikáciu.
Výroba optických vlákien
Výrobný proces optického vlákna je mimoriadne zložitý a vyžaduje veľkú presnosť. Technologický proces prebieha v dvoch etapách: 1) vytvorenie polotovaru, čo je tyč z vybraného materiálu s vytvarovaným profilom indexu lomu a 2) ťahanie vlákna v ťažnej veži sprevádzané poťahovaním ochranný plášť. Existuje veľké množstvo rôznych technológií na vytváranie predlisku z optických vlákien, ktorých vývoj a zdokonaľovanie neustále prebieha.
Praktické využitie optického vlákna ako média na prenos informácií je nemožné bez dodatočného tvrdenia a ochrany. optický kábel je dizajn, ktorý obsahuje jedno alebo viacero optických vlákien, ako aj rôzne ochranné nátery, nosné a výstužné prvky, materiály odolné voči vlhkosti. Kvôli veľká rozmanitosť aplikácie optických vlákien Výrobcovia vyrábajú širokú škálu optických káblov, ktoré sa líšia dizajnom, veľkosťou, použitými materiálmi a cenou (obr. 9).
Obr.9. Káble z optických vlákien
3.3 OPTICKÉ VLÁKNO
V optickom vlákne existujú štyri hlavné javy, ktoré obmedzujú výkon WDM systémov – sú to chromatická disperzia, polarizačná vidová disperzia prvého a druhého rádu a nelineárne optické efekty.
3.3.1 Chromatická disperzia
Dôležitou optickou charakteristikou skla používaného pri výrobe vlákien je disperzia indexu lomu, ktorá sa prejavuje v závislosti rýchlosti šírenia signálu od vlnovej dĺžky - disperzie materiálu. Okrem toho pri výrobe jednovidového vlákna, keď sa kremenné vlákno vyťahuje zo skleneného predlisku, dochádza do určitej miery k odchýlkam v geometrii vlákna a v profile radiálneho indexu lomu. Samotná geometria vlákna spolu s odchýlkami od ideálneho profilu tiež výrazne prispieva k závislosti rýchlosti šírenia signálu od vlnovej dĺžky, ide o vlnovodnú disperziu.
Kombinovaný efekt disperzie materiálu a vlnovodu sa nazýva chromatická disperzia vlákna, obr. 3.16.
Obr.3.16 Závislosť chromatickej disperzie od vlnovej dĺžky
Fenomén chromatickej disperzie zoslabne so znižovaním spektrálnej šírky laserového žiarenia. Aj keby bolo možné použiť ideálny zdroj monochromatického žiarenia s nulovou generačnou šírkou čiary, tak po modulácii informačným signálom by sa signál spektrálne rozšíril a čím väčšie rozšírenie, tým väčšia modulačná rýchlosť. K spektrálnemu rozšíreniu žiarenia vedú aj ďalšie faktory, z ktorých sa dá odlíšiť cvrlikanie zdroja žiarenia.
Pôvodný kanál teda nie je reprezentovaný jednou vlnovou dĺžkou, ale skupinou vlnových dĺžok v úzkom spektrálnom rozsahu - vlnovým paketom. Pretože sa rôzne vlnové dĺžky šíria rôznymi rýchlosťami (alebo presnejšie rôznymi skupinovými rýchlosťami), optický impulz, ktorý má na vstupe komunikačného vedenia striktne obdĺžnikový tvar, sa bude pri prechode cez vlákno stále viac rozširovať. Pri dlhom čase šírenia vo vlákne sa tento impulz môže miešať so susednými impulzmi, čo sťažuje ich presnú rekonštrukciu. S nárastom prenosovej rýchlosti a dĺžky komunikačnej linky sa zvyšuje vplyv chromatickej disperzie.
Chromatická disperzia, ako už bolo uvedené, závisí od materiálu a komponentov vlnovodu. Pri určitej vlnovej dĺžke λ o chromatická disperzia zaniká - táto vlnová dĺžka sa nazýva vlnová dĺžka nulovej disperzie.
Jednovidové kremičité vlákno so stupňovitým indexom má nulovú disperziu pri vlnovej dĺžke 1310 nm. Takéto vlákno sa často označuje ako disperzne neposunuté vlákno.
Disperzia vlnovodu je primárne určená profilom indexu lomu jadra vlákna a vnútorného plášťa. Vo vlákne s komplexným profilom indexu lomu možno zmenou pomeru medzi disperziou média a disperziou vlnovodu nielen posunúť vlnovú dĺžku s nulovou disperziou, ale aj zvoliť požadovaný tvar disperzná charakteristika, t.j. tvar závislosti disperzie od vlnovej dĺžky.
Tvar disperznej charakteristiky je kľúčový pre WDM systémy, najmä cez disperzne posunuté vlákno (Rec. ITU-T G.653).
Okrem parametra λ o sa používa parameter S o, ktorý popisuje strmosť disperznej charakteristiky pri vlnovej dĺžke λ o, obr. 3.17. Vo všeobecnosti je sklon pri iných vlnových dĺžkach odlišný od sklonu pri vlnovej dĺžke λ o. Aktuálna hodnota sklonu S o určuje lineárnu zložku disperzie v okolí λ o.
Ryža. 3.17 Hlavné parametre závislosti chromatickej disperzie od vlnovej dĺžky: λ o - vlnová dĺžka nulovej disperzie a S o - strmosť disperznej charakteristiky v bode nulovej disperzie.
Chromatická disperzia τchr(zvyčajne merané v ps) možno vypočítať pomocou vzorca
τ chr = D(λ) ∆τ L,
kde D(λ)- koeficient chromatickej disperzie (ps/(nm*km)) a L- dĺžka komunikačného vedenia (km). Všimnite si, že tento vzorec nie je presný v prípade ultraúzkopásmových zdrojov žiarenia.
Na obr. 3.18 samostatne ukazuje závislosti disperzie vlnovodu pre vlákno s neposunutou (1) a posunutou (2) disperziou a disperziou materiálu na vlnovej dĺžke.
Ryža. 3.18 Závislosť disperzie na vlnovej dĺžke (chromatická disperzia je definovaná ako súčet disperzií materiálu a vlnovodu.)
Chromatická disperzia prenosového systému je citlivá na:
zvýšenie dĺžky a počtu úsekov komunikačnej linky;
zvýšenie prenosovej rýchlosti (pretože sa zväčšuje efektívna šírka linky generovania zdroja).
Je menej ovplyvnená:
zníženie frekvenčného intervalu medzi kanálmi;
zvýšenie počtu kanálov.
Chromatická disperzia klesá s:
zníženie absolútnej hodnoty chromatickej disperzie vlákna;
kompenzácia rozptylu.
V systémoch WDM s konvenčným štandardným vláknom (Rec. ITU-T G.652) by sa mala venovať zvláštna pozornosť chromatickej disperzii, pretože je veľká v oblasti vlnovej dĺžky 1550 nm.
Rozlišujte disperziu vidov, ktorá je spôsobená veľkým počtom režimov v optickom vlákne a súvisiacou chromatickou disperziou s inkoherencia svetelných zdrojov skutočne pracujúcich v určitom rozsahu vlnových dĺžok.
Zvážte šírenie svetelného lúča pozdĺž multimódového vlákna. V tomto prípade existujú dva režimy, dva lúče. Prvý sa tiahne pozdĺž pozdĺžnej osi vlákna, zatiaľ čo druhý sa odráža od rozhraní médií. Dráha druhého svetelného lúča je teda väčšia ako prvá. Výsledkom je, že keď sa dva lúče nesúce elektromagnetickú energiu spočítajú, v porovnaní šikmého lúča s axiálnym lúčom je časové oneskorenie, ktoré sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:
c- rýchlosť svetla
l- dĺžka vlákna
n 1
,
n2– indexy lomu jadra a obalu
Gradientová disperzia optických vlákien, zvyčajne o dva rády nižšia ako vlákna so stupňovitým profilom indexu lomu. Vďaka plynulej zmene indexu lomu jadra optického vlákna klesá dráha druhého lúča pozdĺž vlákna. Tým sa zníži druhé časové oneskorenie vzhľadom na prvý lúč.
Jednovidová vidová disperzia optického vlákna a žiadne zvýšenie trvania impulzu je určené chromatickou disperziou, ktorá sa zase delí na materiál a vlnovod.
Fenomén materiálovej disperzie sa nazýva absolútna závislosť indexu lomu n materiálovej vlnovej dĺžky svetla ( n =ϕλ()). Koeficient rozptylu vlnovodu je určený závislosťou fázy β a frekvencie ( β=ϕ ω() ).
Rozšírenie impulzu v dôsledku chromatickej disperzie sa vypočíta pomocou vzorca:
m– rozšírenie impulzu v dôsledku rozptylu materiálu, ps;
τ B– rozšírenie impulzu v dôsledku rozptylu vlnovodu, ps;
∆λ
– spektrálna šírka zdroja žiarenia, nm;
M(λ) je koeficient špecifickej disperzie materiálu, ps / nm km;
B(λ)– koeficient rozptylu vlnovodu, ps / nm km.
Zvážte vplyv disperzie materiálu a vlnovodu v jednovidovom vlákne. Ako je zrejmé z grafu, nárast rozptylu vlnovej dĺžky materiálu klesá a pri vlnovej dĺžke 1,31 m sa rovná nule. Vlnová dĺžka sa v tomto prípade považuje za vlnovú dĺžku s nulovou disperziou. Súčasne sa disperzia viac ako 1,31 mikrónu stáva negatívnou. Neovplyvnená disperzia vlnovodu vlákien je relatívne malá hodnota a je v rozsahu kladných čísel. Pri vývoji optického vlákna s posunutou disperziou, ktorá je založená na vlnovodnej zložke, sa snaží kompenzovať disperziu materiálu na dlhšie vlnové dĺžky, tj tretie priehľadné okienko (λ = 1,55 m). Tento posun sa uskutočňuje zmenšením priemeru jadra, zvýšením A a použitím trojuholníkového tvaru profilu indexu lomu jadra.
Pri šírení vlny polarizovaného svetla pozdĺž optického vlákna dochádza k polarizačnej disperzii. Svetelná vlna z hľadiska vlnovej teórie je neustále sa meniaci vektor magnetického a elektrického poľa, ktorý je kolmý na šírenie elektromagnetických (svetelných) vĺn. Príkladom svetelnej vlny môže byť prirodzené svetlo, ktorého smer elektrického vektora sa náhodne mení. Ak je žiarenie monochromatické a vektory kmitajú s konštantnou frekvenciou, možno ich znázorniť ako súčet dvoch vzájomne kolmých zložiek x a y. Ideálne optické vlákno je izotropné médium, v ktorom sú elektromagnetické vlastnosti rovnaké vo všetkých smeroch, napríklad indexy lomu. Médiá s rôznymi indexmi lomu v dvoch ortogonálnych osiach x a y sa nazývajú dvojlomné. V tomto prípade teda vlákno zostáva jedným módom, pretože dva ortogonálne polarizované módy majú rovnakú konštantu šírenia. Ale to platí len pre ideálne optické vlákno.
V skutočnom optickom vlákne majú dva ortogonálne polarizované módy neidentické konštanty šírenia, takže dochádza k časovému oneskoreniu a rozšíreniu optického impulzu.
Rozšírenie impulzu v dôsledku rozptylu polarizačných vidov (PMD) sa vypočíta takto:
Preto sa polarizačná vidová disperzia prejavuje iba v jednovidových optických vláknach s netsirkulyarnoy (eliptickým) jadrom a za určitých podmienok sa stáva porovnateľným s chromatickým. Preto je výsledné disperzné jednovidové optické vlákno určené nasledujúcim vzorcom:
Rozptyl výrazne obmedzuje šírku pásma optických vlákien. Maximálna šírka pásma na optickej linke 1 km vypočítaná podľa približného vzorca:
τ - rozšírenie pulzu, ps / km.
Chromatická disperzia pozostáva z materiálových a vlnovodných komponentov a vyskytuje sa počas šírenia v jednovidových aj viacvidových vláknach. Najzreteľnejšie sa však prejavuje v jednovidovom vlákne kvôli absencii intermódovej disperzie.
Disperzia materiálu je spôsobená závislosťou indexu lomu vlákna od vlnovej dĺžky. Výraz pre disperziu jednovidového vlákna zahŕňa diferenciálnu závislosť indexu lomu od vlnovej dĺžky.
Disperzia vlnovodu je spôsobená závislosťou koeficientu šírenia vidov od vlnovej dĺžky
kde koeficienty M(l) a N(l) sú špecifické disperzie materiálu a vlnovodu a Dl (nm) je rozšírenie vlnovej dĺžky v dôsledku nekoherencie zdroja žiarenia. Výsledná hodnota špecifického koeficientu chromatickej disperzie je definovaná ako D(l) = M(l) + N(l). Špecifická disperzia má rozmer ps/(nm*km). Ak je koeficient rozptylu vlnovodu vždy väčší ako nula, potom koeficient rozptylu materiálu môže byť kladný alebo záporný. A tu je dôležité, že pri určitej vlnovej dĺžke (približne 1310 ± 10 nm pre stupňovité jednovidové vlákno) dochádza k vzájomnej kompenzácii M(l) a N(l) a výsledná disperzia D(l) zaniká. Vlnová dĺžka, pri ktorej k tomu dochádza, sa nazýva vlnová dĺžka 10 s nulovou disperziou. Zvyčajne je indikovaný určitý rozsah vlnových dĺžok, v rámci ktorého sa 10 môže meniť pre toto konkrétne vlákno.
Corning používa na stanovenie špecifickej chromatickej disperzie nasledujúcu metódu. Časové oneskorenia sa merajú pri šírení krátkych svetelných impulzov vo vlákne s dĺžkou aspoň 1 km. Po vzorkovaní údajov pre niekoľko vlnových dĺžok z interpolačného rozsahu (800-1600 nm pre MMF, 1200-1600 nm pre SF a DSF) sa merania oneskorenia prevzorkujú pri rovnakých vlnových dĺžkach, ale iba na krátkom referenčnom vlákne (dĺžka 2 m ). . Časy oneskorenia získané na ňom sa odpočítajú od zodpovedajúcich časov získaných na dlhom vlákne, aby sa eliminovala systematická zložka chyby.
Pre jednovidové stupňovité a viacvidové gradientové vlákna sa používa empirický Sellmeierov vzorec: t (l) = A + Bl2 + Cl-2. Koeficienty A, B, C sú nastaviteľné a sú zvolené tak, aby experimentálne body lepšie sedeli na krivke t (l). Potom sa špecifická chromatická disperzia vypočíta podľa vzorca:
kde l0 = (C/B)1/4 je vlnová dĺžka nulovej disperzie, nový parameter S0 = 8B je strmosť nulovej disperzie (jeho rozmer je ps/(nm2*km)) a l je prevádzková vlnová dĺžka, pre ktorú je špecifická určuje sa chromatická disperzia.
a) multimódové gradientové vlákno (62,5/125)
b) jednovidové stupňovité vlákno (SF)
c) jednovidové vlákno s posunom disperzie (DSF)
Súvisiaci článok
Taktické zariadenia. spúšťače
táto práca sa venuje úlohe spúšťačov v digitálnych zariadeniach. Všetky moderné počítače používajú logický systém, ktorý vynašiel George Boole. S rozvojom elektroniky sa objavila taká trieda elektronických technológií, ako je digitálna. Digitálna technológia zahŕňa takéto zariadenia...
