Виды дисперсии

В оптических кабелях, выполненных на многомодовых волокнах, наибольший вклад в уширение импульсов вносит модовая дисперсия. Разные моды имеют различную скорость распространения. В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна, и, следовательно, поступают на выход с различной задержкой.

В кабелях со ступенчатыми волокнами, где скорость всех лучей одинакова и составляет v = c/n₁,

, при l ≤ l_y (8)

где с = 3·10⁸ км/с.

Здесь l_y – так называемая длина установившегося взаимодействия между модами (0,2-1 км), после которой в результате взаимного преобразования мод на неоднородностях (изменения хода лучей) степень рассеяния сигнала возрастает уже не по линейному, а по корень-квадратичному закону:

, при l ≤ l_y (9)

На рис.2 представлена типовая зависимость τ_и(l). Лучевая модель, иллюстрирующая механизмы возникновения модовой дисперсии в ступенчатых волокнах, показана на рис.3а.

Зная разность коэффициентов преломления сердцевины и оболочки волокна Δ п, можно рассчитать уширение импульсов в оптическом кабеле.

В градиентных волокнах различные лучи также проходят различный путь. Однако их скорость v = c/n различна. Околоосевые лучи распространяются по короткой траектории, однако, в среде со сравнительно высоким п, т.е. с малой скоростью. Периферийные лучи – по длинной траектории, но в основном в среде с низким п, т.е. с большой скоростью. В целом задержка мод оказывается приблизительно одинаковой, а уширение импульсов по сравнению со ступенчатыми волокнами снижается более чем в 10 раз. Однако градиентные волокна дороже в производстве.

Рис.2. Зависимость уширения импульсов от длины

многомодового волокна

Кабели со ступенчатыми волокнами применяются для систем передачи типа ИКМ-30,с градиентными – для ИКМ-120 и ИКМ-480.

Для систем передачи типа ИКМ-1920 и ИКМ-7680 применяются одномодовые волокна, в которых существует только один тип направляемой волны – НЕ₁₁. В таких волокнах отсутствует модовая дисперсия, однако уширение импульсов все же возникает в результате действия других, более слабых факторов: дисперсии материала и волноводной дисперсии.

Механизм появления волноводной дисперсии иллюстрирует рис.3б, где показана зависимость фазового коэффициента распространения направляемых волн β от частоты сигнала. Для удобства рассмотрения коэффициент преломления выражен в номинированном виде: β/К, где

Рис.3. Механизм возникновения модовой дисперсии (а),

волновой дисперсии (б) и дисперсии материала (в)

волновое число свободного пространства К = 2πf/c, величина, пропорциональная частоте. Таким образом, необходимое для отсутствия фазовых искажений условие – линейная зависимость β(f) – соответствует постоянству нормированной величины β/К в диапазоне частот спектра передаваемого сигнала Δf_c.

Как видно из рисунка, в одномодовом режиме работы волокна, когда f < f₁, нормированный фазовый коэффициент распространения моды НЕ₁₁ претерпевает изменение на интервале Δ(β/К). Отсюда следует, что вследствие особенностей волноводных свойств волокна передаваемые по нему сигналы испытывают дисперсионные искажения. Поэтому данный вид дисперсии называется волноводной дисперсией.

Другим источником дисперсии частотных составляющих передаваемых сигналов является дисперсия материала. Как показано на рис.3в, коэффициент преломления стекла изменяется с длиной волны. В результате, различные спектральные составляющие сигнала имеют различную скорость распространения v и испытывают в волокне различную задержку.

Дисперсия материала и волноводная дисперсия имеют противоположные знаки и в определенной степени компенсируют друг друга. Соответствующим выбором величин а и Δ п стремятся достичь их наиболее полной взаимной компенсации.

Одномодовые волокна имеют большую стоимость, чем многомодовые волокна, однако обеспечивают значительно большую пропускную способность, что позволяет увеличить как число каналов, так и длину регенерационных участков оптических кабельных систем передачи.

Поиск по сайту: