Жизненные ресурсы 

Что такое дисперсия в оптическом волокне. Хроматическая дисперсия

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.

Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) - это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже - видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

Основные характеристики оптического волокна

Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия .

1. Геометрические параметры.

Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:

  • некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
  • неконцентричность сердцевины и оболочки - расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).

Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.

(NA) - это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.

Рис 4. Числовая апертура

3. Профиль показателя преломления.

Профиль показателя преломления - это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым . Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.

Рис. 5. Профили показателя преломления

4. Затухание (потери).

Затухание - это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.

а) Поглощение . В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение , связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение , возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH - , ионы металлов…).

б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми ), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние ). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана) , которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.

Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.

Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания

Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).

Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.

5.Дисперсионные свойства.

Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI - InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.

Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2> L1.

Уширение импульса, или дисперсия , обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Название Краткое описание Параметр
1. Хроматическая дисперсия Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью.

Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км).

Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией.

а) Материальная хроматическая дисперсия Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения)
б) Волноводная хроматическая дисперсия Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления)
2. Межмодовая дисперсия Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения.

Ширина полосы пропускания ( bandwidth), МГц*км .

Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации.

3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями.

Коэффициент PMD, пс/√км .

Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км.

Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.

Разновидности и классификация оптических волокон

Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.

Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.

  1. Материал . Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
  2. Количество распространяющихся мод . В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).

Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно

На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:

  1. (POF).
  2. (HCS).

Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.

Производство оптических волокон

Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.

Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).

Рис.9. Волоконно-оптические кабели

При взаимодействии электромагнитной волны со связанными электронами диэлектрика отклик среды зависит от оптической частоты Это свойство, называемое хроматической дисперсией, проявляется как частотная зависимость показателя преломления и Возникновение хроматической дисперсии связано с характерными частотами, на которых среда поглощает электромагнитное излучение вследствие осцилляций связанных электронов. Вдали от резонансных частот среды поведение показателя среды хорошо описывается уравнением Селлмейера

где - резонансная частота и величина резонанса. Суммирование в уравнении (1.2.6) производится по всем резонансным частотам вещества, которые вносят вклад в интересующей нас области спектра. В случае оптических волокон параметры определяются путем подгонки измеренных дисперсионных критериев к уравнению (1.2.6) при они зависят от состава сердцевины . Для объемного кварцевого стекла эти параметры такие: мкм, где и с - скорость света в вакууме .

Дисперсия в волоконном световоде имеет определяющее значение при распространении коротких оптических импульсов, так как различные спектральные компоненты спектра импульса распространяются с разными скоростями Даже в тех случаях, когда нелинейные эффекты не важны, дисперсионное уширение импульса может быть вредным для оптических линий связи. В нелинейном режиме сочетание дисперсии и нелинейности может привести к качественно другой картине, которая обсуждается в следующих главах. При математическом описании эффекты дисперсии в световоде учитываются разложением постоянной распространения моды в ряд Тейлора вблизи несущей частоты

Как показано в разд. 2.3, огибающая импульса движется с групповой скоростью а параметр определяет уширение импульса. С показателем преломления и его производными параметры связаны соотношениями

где групповой показатель преломления.

На рис. 1.4 и 1.5 показаны зависимости от длины волны X для кварцевого стекла, полученные с использованием уравнений (1.2.6), (1.2.9), (1.2.10). Замечательно то. что стремится к нулю на длине волны приблизительно 1,27 мкм и становится отрицательным для больших длин волн. Длина волны, на которой часто называется длиной волны нулевой дисперсии Тем не менее следует отметить, что при дисперсия не равна нулю. Описание распространения импульсов вблизи требует включения в разложение (1.2.7) кубического слагаемого. Такие дисперсионные эффекты более высокого порядка могут искажать сверхкороткие оптические импульсы как в линейном, так и в нелинейном режимах .

Рис. 1.4. Зависимость показателя преломления и группового показателя преломления кварцевого стекла от длины волны.

Рис. 1.5. Зависимость Для кварцевого стекла от длины волны. Дисперсионный параметр вблизи 1,27 мкм. Параметр представлен как функция при мкм.

Однако их рассмотрение необходимо только тогда, когда длина волны импульса X приближается к значению в пределах нескольких нанометров.

Кривые, представленные на рис. 1.4 и 1.5, построены для объемного кварцевого стекла. Поведение дисперсии для реальных стеклянных световодов, вообще говоря, отличается от показанного на этих рисунках по следующим двум причинам. Во-первых, сердцевина световода может иметь небольшое количество примесей, таких, как Уравнение (1.2.6) в этом случае следует использовать с параметрами, соответствующими определенному количеству примесных уровней . Во-вторых, наличие волноводной структуры несколько уменьшает эффективный показатель преломления моды по сравнению с показателем преломления в объемном материале и причем это уменьшение зависит от частоты . В результате, чтобы получить полную дисперсию в волоконном световоде, к материальной дисперсии нужно добавить волноводную компоненту. Вообще говоря, волноводный вклад в пренебрежимо мал во всей спектральной области, за исключением области вблизи длины волны нулевой дисперсии где волноводная дисперсия и материальная дисперсия становятся сравнимыми. Основной эффект волноводного вклада состоит в небольшом смещении в длинноволновую область; мкм для типичных световодов. На рис. 1.6 показана измеренная полная дисперсия в одномодовом волоконном световоде . Для количественного выражения дисперсии используется дисперсионный параметр обычно используемый в литературе по волоконной оптике вместо Следующее соотношение

Рис. 1.6. Измеренная зависимость дисперсионного параметра D одномодового световода от длины волны. Длина волны нулевой дисперсии смещена к длине волны 1,312 мкм вследствие вклада волноводной дисперсии в полную дисперсию световода .

устанавливает связь между

Интересный чертой волноводной дисперсии является то, что ее вклад в (или зависит от параметров волокна: радиуса сердцевины а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки Этот факт может использоваться для смещения длины волны нулевой дисперсии к 1,55 мкм, где световоды имеют минимальные потери. Такие световоды со смещенной дисперсией могут в перспективе применяться в оптических системах связи. Можно создавать волоконные световоды с весьма пологой дисперсионной кривой, имеющие малую дисперсию в широком спектральном диапазоне мкм. Это достигается путем использования многих слоев оболочки. На рис. 1.7 показаны измеренные дисперсионные кривые для двух таких световодов с несколькими оболочками, имеющих двух- или трехслойные оболочки вокруг сердцевины. Для сравнения дисперсионная кривая для световода с однослойной оболочкой также показана (штриховой линией). Световод с четырехслойной оболочкой характеризуется низкой дисперсией нм) в широкой спектральной области от 1,25 до 1,65 мкм. Световоды с модифицированными дисперсионными характеристиками полезны для изучения нелинейных эффектов, когда в эксперименте требуются специальные дисперсионные свойства.

Нелинейные эффекты в оптических волокнах могут быть качественно совершенно разными в зависимости от знака дисперсионных

Рис. 1.7. Зависимость дисперсионного параметра от длины волны для трех разных типов волоконных световодов. Метки относятся соответственно к световодам с одной, двумя и четырьмя оболочками.

параметров или Поскольку

параметр обычно называют дисперсией групповых скоростей. На длинах волн параметр (см. рис. 1.5), и говорят, что световод обладает нормальной дисперсией. В режиме нормальной дисперсии высокочастотные компоненты (сдвинутые в синюю область) спектра оптического импульса распространяются медленнее, чем низкочастотные компоненты. Обратная ситуация возникает в режиме так называемой аномальной дисперсии, т. е. когда Как видно из рис. 1.5, стеклянные волоконные световоды обладают аномальной дисперсией в области длин волн, больших длины волны нулевой дисперсии Режим аномальной дисперсии представляет значительный интерес для изучения нелинейных эффектов, так как в этом режиме в оптических волокнах могут существовать солитоны - оптические импульсы, для которых дисперсионные и нелинейные эффекты в точности компенсируют друг друга .

Дисперсией оптического волокна называют рассеивание во времени составляющих оптического сигнала. Причина дисперсии – разные скорости распространения составляющих оптического сигнала.

Дисперсия проявляется как увеличение длительности (уширение) оптических импульсов при распространении в ОВ. Увеличение длительности оптических импульсов вызывает межсимвольную интерференцию - создает переходные помехи, что ухудшает отношение сигнал/помеха и в результате приводит к ошибкам на приеме. Очевидно, что межсимвольная интерференция увеличивается с уширением оптических импульсов. При фиксированном значении уширения импульсов межсимвольная интерференция возрастает с уменьшением периода следования импульсов T. Таким образом, дисперсия ограничивает скорость передачи информации в линии B=1/T и длину регенерационного участка (РУ).

В оптических волокнах можно выделить несколько видов дисперсии: модовую, поляризационную модовую и хроматическую дисперсию.

В многомодовом ОВ преобладает межмодовая дисперсия, вызванная наличием большого числа мод с различным временем распространения.

существенно превышает другие виды дисперсии, поэтому полоса пропускания таких ОВ определяется в основном модовой дисперсией. Увеличения полосы пропускания многомодовых ОВ добиваются за счет градиентного профиля показателя преломления, в котором показатель преломления в сердцевине плавно уменьшается от оси ОВ к оболочке. При таком градиентном профиле скорость распространения лучей вблизи оси волокна меньше, чем в области, прилегающей к оболочке. В результате, с увеличением протяженности траектории направляемых лучей на отрезке волокна возрастает их скорость распространения вдоль траектории. Чем больше длина пути, тем больше скорость. Это обеспечивает выравнивание времени распространения лучей и, соответственно, снижение модовой дисперсии. Оптимальным с точки зрения минимизации модовой дисперсии является параболический профиль.

Полоса пропускания многомодовых волокон характеризуется коэффициентом широкополосности DF , МГц. км, значение которого указывается в паспортных данных ОВ на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Полоса пропускания для типовых многомодовых оптических волокон составляет 400…2000 МГц. км.

Многомодовые оптические находят применение на локальных сетях, в центрах обработки данных, ведомственных сетях нбоьшой протяженности. С системами спктрального уплотнения не используются.



В одномодовых ОВ распространяется только одна основная мода и модовой дисперсии нет.

Основным фактором, ограничивающим протяженность участков регенерации высокоскоростных ВОЛП, является хроматическая дисперсия. В рекомендациях Международного союза электросвязи ITU-T G.650 приводится следующее определение: хроматическая дисперсия (ХД) - это уширение светового импульса в оптическом волокне, вызванное разностью групповых скоростей различных длин волн, составляющих спектр оптического информационного сигнала. Длительность оптического импульса на выходе протяженного оптического волокна определяется относительной групповой задержкой самой медленной спектральной компоненты относительно самой быстрой. Таким образом, влияние ХД пропорционально ширине спектра источника излучения. С увеличением протяженности линии передачи и скорости передачи информации влияние хроматической дисперсии возрастает.

Вклад в ХД вносят следующие составляющие: материальная и волноводная дисперсия. Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовлении волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны – материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это – волноводная дисперсия.



Хроматическая дисперсия определяется совместным действием материальной D M (l ) и волноводной дисперсий D B (l )

D (l )= D M (l )+ D B (l )

Материальная дисперсия определяется дисперсионными свойствами материала – кварца,

D M = - l ¶ 2 n . c l 2

Волноводная дисперсия D B (l ) обусловлена зависимостью групповой

скорости распространения моды от длины волны, в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки.

Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение:

где V – нормированная частота; b – нормированная постоянная распространения, которая связана с b следующим соотношением:

получила название нормированный параметр волноводной дисперсии.

Рис. 3.13. Спектр хроматической дисперсии стандартного ступенчатого волокна

Количественно хроматическую дисперсию ОВ оценивают коэффициентом D с размерностью пс/(нм. км).Хроматическая дисперсия волокна в

пикосекундах (пс) на участке протяженностью L км, равна

s = D × L × Dl

где Dl - полоса длин волн источника оптического излучения, нм.

Основными параметрами хроматической дисперсии являются:

1. Длина волны нулевой дисперсии l 0 , нм. На этой длине волны

материальная и волноводная составляющие компенсируют друг друга и хроматическая дисперсия обращается в нуль.

2. Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм×км). Данный параметр определяет уширение оптического импульса, распространяющегося на расстояние в 1 км при ширине спектра источника 1 нм.

3. Наклон дисперсионной характеристики S 0 определяется как касательная

к дисперсионной кривой на длине волны l 0 (см. рис. 3.13). Аналогично может

быть определен наклон S в любой точке спектра.

В настоящее время одномодовое волокно занимает господствующее положение в технике волоконно-оптической связи. Это связано с тем, что в отличии от многомодового волокна, в одномодовом волокне поддерживается поперечная пространственная когерентность света и отсутствует межмодовая дисперсия. Хроматическая дисперсия ограничивает скорость и дальность передачи информации по одномодовому волокну с использованием одного спектрального канала.

Хроматическая дисперсия это уширение длительности светового импульса при распространении по волокну, связанное с различием групповых скоростей распространения спектральных составляющих импульса. Источником света в высокоскоростных ВОСП обычно являются полупроводниковые лазеры с достаточно узкой, но конечной шириной спектра излучения.

В одномодовом волокне хроматическая дисперсия возникает вследствие взаимодействия двух явлений – материальной и волноводной дисперсии. Материальная дисперсия возникает из-за нелинейной зависимости показателя преломления кварца от длины волны и соответствующей групповой скорости, в то время как причина волноводной дисперсии является зависимость от длины волны отношения к групповой скорости к диаметру сердцевины и отличие показателя преломления сердцевины и оболочки. Третья составляющая дисперсии, так называемая поляризационная модовая дисперсия ( PMD) второго порядка, или дисперсия дифференциальная групповой задержки, определяется поляризационными характеристиками волокна и оказывает влияние, сходное с влиянием хроматической дисперсии. PMD второго порядка устанавливают крайний предел, до которого может быть компенсирована хроматическая дисперсия.

Разброс групповых скоростей, т.е. величина уширения за счет хроматической дисперсии τ хр в линейном приближении прямо пропорционально длине волокна L и ширине спектра Δλ светового импульса.

τхр=Dλ·L·Δλ , (10.3.9)

где D λ – коэффициент хроматической дисперсии (chromatic dispersion coefficient). Это малое изменение задержки светового импульса на участке волокна единичной длины (1 км) при единичном изменении длины волны (1 нм) несущей этого импульса. Единица измерения – пс/(нм·км). Его величина определяется как производная от спектральной зависимости групповой задержки τ д (λ):

Скорость передачи информации волоконно-оптической системы по одному каналу связи максимальна в случае, если групповая задержка не зависит от длины волны, т.е. D λ =0. Длина волны λ 0 , соответствующая этому условию, называется длиной волны нулевой дисперсии . При этой длине волны коэффициент хроматической дисперсии принимает нулевое значение. Единица измерения - нм.


В близи точки нулевой дисперсии зависимость коэффициента хроматической дисперсии от длины волны можно аппроксимировать линейной зависимостью:

, (10.3.11)

где S 0 – наклон спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии (zero-dispersion siope) на длине волны нулевой дисперсии, измеряемый в пс/(нм 2 ·км).

· фазовый метод измерения (Phase shift technique);

· интерферометрический метод (Interferometric technique);

· импульсный метод измерения (Pulse delay technique).

Наиболее распространенным методом измерения дисперсии является фазовый метод и его разновидность, дифференциальный фазовый метод. Эти методы дают наибольшую точность измерений и удобство реализации[Д3].

Сущность фазового метода состоит в сравнении фазы прошедшего через измеряемый световод сигнала с фазой опорного сигнала. Полученные значения сдвига фаз φ(γ)связаны с групповыми задержками формулой:

τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)

где f – частота модуляции сигнала. Измерения задержки должны быть проведены на нескольких длинах волн. Реализовать измерения можно несколькими способами:

· использовать несколько источников излучения с фиксированными длинами волн и широкополосный фотоприемник;

· использовать источник с перестраиваемой длиной волны (перестраиваемый лазер или широкополосный источник с селектором длин волн) и широкополосный фотоприемник;

· использовать широкополосный источники фотоприемник с селектором длин волн.

В случае использования измерителя хроматической дисперсии с перестраиваемой рабочей длиной волны необходимо установить границы спектрального диапазона и шаг изменения длины волны. Структурная схема фазового метода измерения хроматической дисперсии с использованием широкополосного источника излучения и фотоприемника с селектором длин волн представлена на рисунке 10.19.

Сигнал с задающего генератора модулирует мощность излучения источника. Модулированное световое излучение, прошедшее по тестируемому волокну, используется в качестве измеряемого сигнала, подаваемого на фазометр. Тот же сигнал с опорного генератора, подаваемый на фазометр по другому каналу, служит опорным сигналом. Фазометр измеряет сдвиг фаз между опорным и измеряемым сигналом. Измерения повторяются на каждой из выбранных длин волн. Из полученных значений относительного сдвига фаз по формуле (10.3.12) рассчитывается величина относительной задержки для всех длин волн, на которых проводились измерения. Обработка результатов измерения заключается в подборе функциональной зависимости τ(γ), значения которой на измеряемых длинах волн наиболее близки к измеренным значениям.

Международные стандарты рекомендуют для каждого типа волокна и спектрального диапазона измерений выбирать функциональные зависимости в виде некоторых многочленов, представляющих собой степенные функции длины волны γ с неизвестными коэффициентами. В процессе математической обработки измерений вычисляются значения этих коэффициентов. Широко используются, например, трех- или пятичленные функции Солмейера. Развитием фазового метода является дифференциальный фазовый метод (Differential Phase Shift method), когда измеряются относительные фазовые сдвиги и относительные задержки τ 1 и τ 2 двух сигналов на соседних близкорасположенных длинах волн λ 1 и λ 10.

Значение величины дисперсии на длине волны λ 1/2 , равной полусумме длин волн λ 1 и λ 2 , определяется линейной аппроксимацией по формуле:

. (10.3.13)

Интерференционный метод является альтернативным и реализуется по структурной схеме, использующей интерферометр Маха–Цандера и представленный на рисунке 10.20.

Излучение от широкополосного источника после селектора длин волн попадает в интерферометр Маха–Цандера. При линейном перемещении конца волокна, входящего в состав опорного плеча интерферометра, в опорный канал вносится известная разность оптических длин, значение которой позволяет вычислить групповую задержку светового сигнала в тестируемом волокне, расположенном в измерительном плече интерферометра. Интерферометрический метод применяется при измерении характеристик коротких отрезков волокна длиной несколько метров и в основном используется для контроля производственного процесса при изготовлении волокон и компонентов систем передачи.

Импульсный метод измерения хроматической дисперсии. Стандарт ITUT G650 регламентирует также метод, основанный на прямом измерении задержки световых импульсов с различными длинами волн при прохождении через волокно заданной длины (time offlight). В этом методе можно проводить измерения времени задержки оптических импульсов лазеров при прохождении заданного участка волокна «туда и обратно», т.е. при отражении от удаленного конца волокна. Точность измерения CD в этом методе ниже, чем точность измерения фазовым методом из-за меньшей точности измерения временных задержек. Схема установки для проведения измерений при этом остается почти такой же, как и при измерении фазовым методом. Вместо фазометра при измерении импульсным методом необходимо использовать другое устройство, позволяющее измерять относительную временную задержку двух импульсов.

Поскольку точность импульсного метода обратно пропорционально длительности используемых импульсов, то необходимо, чтобы их длительность была не более 400 пс.

Аппаратура для измерения хроматической дисперсии. Поскольку измерения хроматической дисперсии производятся не только на смонтированных линиях для точной компенсации, но и при производстве и разработке компонентов систем передачи, ОВ и ОК, а также для научных исследований, то на рынке существуют устройства различных категорий, предназначенные для измерения значений CD. Их технические параметры варьируются в очень широком диапазоне. Однако сравнение такого большого количества приборов выходит за рамки настоящей статьи, поэтому мы ограничимся здесь лишь измерителями CD, предназначенными для контроля ВОЛС.В настоящее время на рынке представлены приборы ведущих производителей измерительной техники, таких, как Acterna, Anritsu,EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer и белорусского предприятия ИИТ (Институт информационных технологий). Сравнительные характеристики приборов представлены в таблице приложения 7. Приборы, представленные в таблице, условно можно разделить на полевые и стационарные. К категории полевых были отнесены сравнительно небольшие устройства, имеющие автономное питание наряду с питанием от сети. Измерение хроматической дисперсии на основе прямого измерения задержки распространения коротких световых импульсов разных фиксированных длин волн (импульсный метод измерений) представлено в приборе ν-CD1 швейцарской компании Luciol. Постоянство длины волны источников излучения обеспечивается решетками Брэгга, играющими роль узкополосного (0,1 нм) оптического фильтра излучателя. Количество источников может быть произвольным. Погрешность временных измерений составляет 5 пс. Для достижения высокой чувствительности (до 42 дБ) в приборе применяется техника счета фотонов с регистрацией сигналов на уровне 100 дБм. Единственным отечественным производителем измерителей хроматической дисперсии является компания ИИТ (Институт информационных технологий, Беларусь). В приборах этой компании ИД21 (для кабельных заводов и испытательных лабораторий) и ИД22 (для измерения проложенных линий) применяется фазовый метод с 7 источниками излучения для измерения разности фаз синусоидально модулированного сигнала на фиксированных длинах волн. При этом реализовано техническое решение с использованием лавинного фотодиода в качестве смесителя высокочастотных сигналов, что дает возможность применить низкочастотный оптический приемник для регистрации сигнала разности фаз опорного и сигнального каналов и существенно увеличить отношение сигнал/шум. Последующая цифровая обработка сигнала с помощью преобразования Фурье позволяет минимизировать искажения сигналов в приемной части устройства. Приборы ИД21и ИД22 обладают высокими техническими характеристиками (большой динамический диапазон, высокая скорость измерений, батарейное питание, малый вес) и выгодно отличаются низкой стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.

К типичным представителям полевых приборов для измерения CD следует отнести оптические рефлектометры Anritsu (MW9076D1) иActerna (MTS5000e), а также универсальные измерительные платформы CMA5000 компании Nettest и FTB400 с модулем FTB5800компании EXFO. Особый интерес для операторов связи представляют полевые приборы, построенные на модульной основе, так называемые портативные модульные измерительные платформы. Принцип построения таких платформ основан на использовании портативного индустриального компьютера и сменных блоков, выполняющих широкий спектр измерений, таких, как рефлектометрия, измерение вносимых потерь и потерь на обратное отражение, спектральных измерений в системах WDM, измерение ПМД и CD и т.д. Идеология построения полевых приборов на модульной основе впервые была представлена компанией EXFO в 1996 году (FTB300); в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция построения приборов на этом принципе. Приборы компаний Anritsu (MW9076D1),Acterna (MTS5000 c модулем 5083 CD) и Nettest (CMA5000 OTDR/CD) позволяют произвести оценку хроматической дисперсии с использованием излучения лазеров на 4 фиксированных длинах волн: 1310, 1450, 1550 и1625 нм, при этом используется метод измерения временных интервалов прохождения световых импульсов через волокно. Несомненным достоинством этих приборов является малый вес, высокая скорость измерений и дополнительная возможность измерения рефлектограмм. К недостаткам следует отнести несколько меньшую точность измерения дисперсии, связанную не только с применением всего 4 фиксированных источников излучения, но и с меньшей точностью определения временных задержек импульсным методом по сравнению с фазовым, особенно в участках волокна небольшой длины(несколько км).Портативная модульная измерительная система компании Nettest CMA5000, представленная осенью 2002 года, может включать в себя также и модуль измерения хроматической дисперсии, характеристики которого приведены в таблице. Принцип измерения построен на методе измерения сдвига фаз при перестройке длины волны излучающего лазера. В полевом приборе компании EXFO также применяется метод измерения фазового сдвига сигнала, причем в качестве опорной длины волны используется выделенная фильтром компонента широкополосного излучения светодиода. Такое решение обеспечивает процесс измерения с использование модного волокна, без обратной связи с источником излучения для спектральной привязки результатов измерения. В результате появляется возможность измерения длинных участков волокна с однонаправленными элементами, такими, как изоляторы и усилители (до30 усилителей). В частности, сообщалось об успешном измерении 500километровой линии связи с восемью усилителями EDFA. Заметим, что в настоящее время несколько компаний предлагают приборы, выполненные на модульном принципе, что позволяет проводить комбинированные измерения CD и ПМД на основе одной платформы в полевых условиях (см. таблицу). В такой комплектации можно проводить весь комплекс измерений дисперсионных параметров ВОЛС в полевых условиях на базе одного переносного устройства. В заключение можно сделать вывод, что в современных телекоммуникационных системах измерение и компенсация хроматической дисперсии становятся все более насущной задачей. Большой выбор приборов на рынке измерительной техники позволяет успешно решать эту, казалось бы, не простую задачу. Следует отметить, что все основные производители измерительного оборудования, перечисленные выше, представлены в России либо напрямую, либо через российские компании, осуществляющие продажи в рамках дистрибьюторских соглашений.

Важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его информационную пропускную способность.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме (рисунок 3).

Рисунок 3 - Влияние дисперсии

Дисперсия -- это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе 0В:

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:

Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией),

Направляющими свойствами оптического волокна (волноводной дисперсией),

Параметрами материала, из которого оно изготовлено (материальной дисперсией).


Рисунок 4 - Виды дисперсии

Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны - некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).

Межмодовая дисперсия

Она преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова для всех мод.Различие путей распространения направляемых мод на фиксированной частоте (длине волны) излучения оптического источника приводит к тому, что время прохождения этих мод по ОВ различно. В результате образуемый ими импульс на выходе ОВ уширяется. Величина уширения импульса равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой мод. Указанное явление носит название межмодовой дисперсии.

Формулу расчета межмодовой дисперсии можно получить, рассматривая геометрическую модель распространения направляемых мод в ОВ. Любая направляемая мода в ступенчатом ОВ может быть представлена световым лучом, который при движении вдоль волокна многократно испытывает полное внутреннее отражение от поверхности раздела «сердцевина-оболочка». Исключением является основная мода НЕ 11 , которая описывается световым лучом, движущимся без отражения вдоль оси волокна.

При длине ОВ, равной L, длина зигзагообразного пути, пройденного лучом света, распространяющимся под углом и z к оси волокна, составляет L/cos и z (рисунок 5).


Рисунок 5 - Пути распространения световых лучей в двухслойном ОВ

Скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны л одинакова в рассматриваемом волокне и равна:

где с - скорость света, км/с.

Обычно в ОВ n 1 ? n 2 , поэтому принимает вид:

где - относительное значение показателей преломления сердцевина-оболочка.

Из формулы видно, что уширение импульсов, обусловленное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ эту разность стремятся сделать как можно меньше.

На практике же из-за наличия неоднородностей (главным образом, микроизгибов) отдельные моды при прохождении по ОВ воздействуют друг на друга и обмениваются энергией.

Межмодовую дисперсию в ступенчатых ОВ можно полностью исключить, если соответствующим образом подобрать структурные параметры ОВ. Так, если сделать размеры сердцевины и? настолько малыми, то по волокну будет распространяться на несущей длине волны только одна мода, т. е. модовая дисперсия будет отсутствовать. Такие волокна называются одномодовыми. Они имеют наибольшую пропускную способность. С их помощью могут быть организованы большие пучки каналов на магистралях связи.

Дисперсия импульсов может быть также существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля преломления по сечению сердцевины ОВ. Так, дисперсия уменьшается при переходе к градиентным ОВ. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, ниже на порядок и более чем у ступенчатых волокон .

В таких градиентных ОВ в противоположность ОВ со ступенчатым профилем распространения, лучи света распространяются уже не зигзагообразно, а по волно- или винтообразным спиральным траекториям.