Optické vlákno. Chromatická disperze
Spolu s koeficientem útlumu optického vlákna je nejdůležitějším parametrem disperze, která určuje jeho kapacitu pro přenos informací.
Rozptyl – Jedná se o časový rozptyl spektrálních a vidových složek optického signálu, který vede k prodloužení doby trvání pulzu optického záření při jeho šíření optickým vláknem.
Rozšíření pulzu je definováno jako kvadratický rozdíl v trvání pulzu na výstupu a vstupu optického vlákna podle vzorce:
a hodnoty i jsou brány na úrovni poloviny amplitudy pulzu (obrázek 2.8).
Obrázek 2.8
Obrázek 2.8 - Rozšíření pulzu v důsledku disperze
K disperzi dochází ze dvou důvodů: nekoherence zdrojů záření a existence velkého počtu módů. Rozptyl způsobený první příčinou se nazývá chromatický (frekvence). , skládá se ze dvou složek - materiálové a vlnovodné (intramodové) disperze. Materiálová disperze je dána závislostí indexu lomu na vlnové délce, vlnovodová disperze je spojena se závislostí koeficientu šíření na vlnové délce.
Rozptyl způsobený druhým důvodem se nazývá modální (intermode).
Modusová disperze je charakteristický pouze pro vícevidová vlákna a je způsoben rozdílem v době průchodu módů podél optického vlákna od jeho vstupu k jeho výstupu. V OF se stupňovitým profilem indexu lomu rychlost šíření elektromagnetických vln o vlnové délce je stejná a rovna: , kde C je rychlost světla. V tomto případě se všechny paprsky dopadající na konec optického vlákna pod úhlem k ose v rámci aperturního úhlu šíří v jádru vlákna podél svých klikatých čar a při stejné rychlosti šíření dosáhnou přijímacího konce v různých časech, což vede k prodloužení doby trvání přijatého pulzu. Protože minimální doba šíření optického paprsku nastává, když dopadající paprsek je , a maximální je když , můžeme napsat:
kde L je délka světlovodu;
Index lomu jádra vlákna;
C je rychlost světla ve vakuu.
Potom se hodnota intermodové disperze rovná:
Vidová disperze gradientních optických vlákenřádově nebo více nižší než u stupňovitých vláken. Je to dáno tím, že vlivem poklesu indexu lomu od osy optického vlákna k plášti se mění rychlost šíření paprsků po jejich trajektorii. Takže na trajektoriích blízko osy je to méně a na trajektoriích vzdálených je to větší. Paprsky šířící se po nejkratších trajektoriích (blíže k ose) mají nižší rychlost a paprsky šířící se po delších trajektoriích mají rychlost vyšší. V důsledku toho se doba šíření paprsků vyrovná a prodloužení doby trvání pulzu se zmenší. U parabolického profilu indexu lomu, kdy exponent profilu q=2, je vidová disperze určena výrazem:
Vidová disperze gradientu OB je několikanásobně menší než u kroku OB při stejných hodnotách. A protože je obvyklé, vidový rozptyl uvedených OF se může lišit o dva řády.
Při výpočtech při určování vidové disperze je třeba mít na paměti, že do určité délky čáry, nazývané délka vidové vazby, nedochází k intermodální vazbě a poté dochází k procesu vzájemné konverze vidů a dochází k ustálenému stavu. Proto, když se disperze zvyšuje podle lineárního zákona, a pak, když - podle kvadratického zákona.
Výše uvedené vzorce tedy platí pouze pro délku. Pro délky čar použijte následující vzorce:
- pro stupňovitý světlovod
- pro gradientní světlovod,
kde je délka úsečky;
Délka vazby módu (ustálený stav), rovna km pro stupňovité vlákno a km pro gradientové vlákno (stanoveno empiricky).
Disperze materiálu závisí na frekvenci (nebo vlnové délce) a materiálu OF, kterým je obvykle křemenné sklo. Disperze je určena elektromagnetickou interakcí vlny s vázanými elektrony materiálu média, který je zpravidla nelineární (rezonanční).
Výskyt disperze ve světlovodném materiálu i u jednovidových vláken je způsoben tím, že optický zdroj buzení vlákna (světelná dioda - LED nebo polovodičový laser PPL) generuje světelné záření se spojitým vlnovým spektrem určitou šířku (u LED je to přibližně nm, u multimodových PPL - nm , u jednovidových nm laserových diod). Různé spektrální složky světelného záření se šíří různou rychlostí a dostávají se do určitého bodu v různou dobu, což vede k rozšíření pulsu na přijímacím konci a za určitých podmínek ke zkreslení jeho tvaru. Index lomu se mění s vlnovou délkou (frekvencí), přičemž úroveň disperze závisí na rozsahu vlnových délek světla zavedeného do vlákna (většinou zdroj vyzařuje více vlnových délek) a také na centrální pracovní vlnové délce zdroje. V oblasti I je průhledné okno tam, kde se delší vlnové délky (850 nm) pohybují rychleji ve srovnání s kratšími vlnovými délkami (845 nm). V oblasti III průhledného okna se situace mění: kratší (1550 nm) se pohybují rychleji než delší (1560 nm). Obrázek 2.9
Obrázek 2.9 – Rychlosti šíření vlnové délky
Délka šipek odpovídá rychlosti vlnových délek, delší šipka odpovídá rychlejšímu pohybu.
V určitém bodě spektra se rychlosti shodují. Tato shoda se u čistého křemenného skla vyskytuje při vlnové délce nm, nazývané vlnová délka materiálu s nulovou disperzí, protože . Když je vlnová délka pod vlnovou délkou s nulovou disperzí, má parametr kladnou hodnotu, jinak má zápornou hodnotu. Obrázek 2.10
Disperzi materiálu lze určit pomocí specifické disperze pomocí výrazu:
.
Kvantitativní měrná disperze, , je určena experimentálně. S různým složením legujících nečistot v OM má různé hodnoty v závislosti na (tabulka 2.3).
Tabulka 2.3 – Typické hodnoty specifické disperze materiálu
Vlnovodná (vnitrorežimová) disperze – Tento termín označuje závislost zpoždění světelného pulsu na vlnové délce, spojenou se změnou rychlosti jeho šíření ve vláknu v důsledku vlnovodného charakteru šíření. Rozšíření pulzu v důsledku rozptylu vlnovodu je podobně úměrné šířce spektra zdroje záření a je definováno jako:
,
kde je specifická disperze vlnovodu, jejíž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.4:
Tabulka 2.4
– je způsobeno rozdílovým skupinovým zpožděním mezi paprsky s hlavními polarizačními stavy. Rozložení energie signálu v různých polarizačních stavech se v čase mění pomalu, například vlivem změn okolní teploty, anizotropie indexu lomu způsobené mechanickými silami.
V jednovidovém vláknu se nešíří jeden vid, jak se běžně věří, ale dvě kolmé polarizace (módy) původního signálu. V ideálním vláknu by se tyto módy šířily stejnou rychlostí, ale skutečná vlákna nemají ideální geometrii. Hlavní příčinou polarizační vidové disperze je nesoustřednost profilu jádra vlákna, ke které dochází během výrobního procesu vlákna a kabelu. V důsledku toho mají dvě kolmé polarizační složky různé rychlosti šíření, což vede k disperzi (obrázek 2.11)
Obrázek 2.11
Koeficient specifické polarizační disperze je normalizován na 1 km a má rozměr . Hodnota rozptylu polarizačního režimu se vypočítá pomocí vzorce:
Vzhledem k jeho malé hodnotě je nutné s ním počítat výhradně u jednovidového vlákna a při použití vysokorychlostního přenosu signálu (2,5 Gbit/s a vyšší) s velmi úzkým spektrálním pásmem záření 0,1 nm a méně. V tomto případě se chromatická disperze stává srovnatelnou s polarizační vidovou disperzí.
Specifický koeficient PMD typického vlákna je obvykle .
K chromatické disperzi dochází, protože spektrum optického signálu má konečnou šířku a různé spektrální složky signálu se ve vláknu pohybují různou rychlostí (obrázek 3.2).
Přibližná změna zpoždění pulzu a koeficientu disperze na vlnové délce záření je znázorněna na obrázku 3.3. Disperzní koeficient () se vypočítá ze závislosti specifického zpoždění na vlnové délce záření, kde L je délka vlákna.
Obrázek 3.2 - Materiál a disperze vlnovodu v jednovidovém vláknu
Obrázek 3.3 - Závislost zpoždění a disperzního koeficientu ve vlnové délce SM vlákna t
Změna šířky pulzu (při absenci ztráty nebo zesílení) je nevyhnutelně doprovázena změnou jejich vrcholové amplitudy (obrázek 3.4). V tomto případě je při první aproximaci zachován součin amplitudy pulzu a jeho šířky (plocha pulzu se nemění):
Obrázek 3.4 - Změna šířky pulzu je doprovázena změnou jejich špičkového výkonu a je charakterizována penalizací výkonu
Změna špičkové amplitudy pulzů je obvykle charakterizována hodnotou penalizace výkonu:
Stejný koncept je vhodné použít k charakterizaci relativní velikosti rozšíření pulzu
V tomto případě je prahová hodnota výkonové penalizace často brána jako úroveň q = 2 dB, což odpovídá zvýšení šířky impulsu přibližně 1,6krát.
Chromatická disperze je součtem disperzí materiálu a vlnovodu: . To lze vysvětlit následovně. Jak již bylo zmíněno, k chromatické disperzi dochází, protože rychlost šíření vln se mění se změnou vlnové délky. V homogenním prostředí se rychlost šíření vln může měnit pouze v důsledku závislosti indexu lomu prostředí na vlnové délce, což vede ke vzniku disperze materiálu. Ve vláknu se vlna šíří ve dvou prostředích - částečně v jádře a částečně v křemenném povlaku a index lomu u něj nabývá určité průměrné hodnoty mezi indexem lomu jádra a křemenného povlaku (obrázek 3.5). .
Tento průměrný index lomu se může měnit ze dvou důvodů. Jednak kvůli tomu, že indexy lomu jádra a křemenného pláště závisí na vlnové délce (přibližně stejně). Tato závislost vede ke vzniku disperze materiálu. Disperze materiálu je hlavním typem disperze v jednovidových systémech. Hodnotu rozptylu materiálu lze zjistit z výrazu
kde je konkrétní disperze materiálu.
Za druhé, protože když se mění vlnová délka, mění se hloubka pronikání pole do křemenného obalu a v důsledku toho se mění průměrná hodnota indexu lomu (i když se hodnoty indexů lomu jádra a křemenného obalu mění beze změny). Jedná se o čistě vlnovodný efekt, a proto se disperze z něj vyplývající nazývá vlnovodná disperze. Velikost rozptylu vlnovodu lze zjistit z výrazu
kde je specifická disperze vlnovodu.
Obrázek 3.5 - K disperzi vlnovodu dochází v důsledku skutečnosti, že index lomu zprůměrovaný přes průměr vidu se mění s vlnovou délkou
Disperze vlnovodu závisí na tvaru profilu indexu lomu. U vláken SM je tvar profilu indexu lomu stupňovitý s relativně velkým průměrem jádra a malým skokem indexu lomu. U vláken DS a NZDS je vlnová délka s nulovou disperzí posunuta k delším vlnovým délkám ve srovnání s vlákny SM.
Pro posunutí vlnové délky s nulovou disperzí je nutné zmenšit buď materiálovou nebo vlnovodovou složku chromatické disperze. Toho lze dosáhnout změnou složení nečistot zaváděných do jádra. Disperze materiálu slabě závisí na složení legujících nečistot. Disperze vlnovodu se mění v širokém rozsahu (v důsledku změny tvaru profilu indexu lomu) (obrázek 3.6).
Obrázek 3.6 - Profily indexu lomu vláken DS a NZDS: a) trojúhelník na podstavci, b) trojzubec (nebo W)
Chromatická disperze sestává z materiálových a vlnovodných složek a dochází k ní při šíření v jednovidovém i vícevidovém vláknu. Nejzřetelněji se však projevuje u jednovidového vlákna, kvůli absenci intermodové disperze.
Disperze materiálu je dána závislostí indexu lomu vlákna na vlnové délce. Výraz pro disperzi jednovidového vlákna zahrnuje diferenciální závislost indexu lomu na vlnové délce.
Disperze vlnovodu je způsobena závislostí koeficientu šíření vidu na vlnové délce
kde jsou zavedeny koeficienty M(l) a N(l) - specifický materiál, resp. disperze vlnovodu a Dl (nm) - rozšíření vlnové délky v důsledku nekoherence zdroje záření. Výsledná hodnota koeficientu specifické chromatické disperze se stanoví jako D(l) = M(l) + N(l). Specifická disperze má rozměr ps/(nm*km). Pokud je koeficient rozptylu vlnovodu vždy větší než nula, pak koeficient rozptylu materiálu může být kladný nebo záporný. A zde je důležité, že při určité vlnové délce (cca 1310 ± 10 nm pro stupňovité jednovidové vlákno) dochází ke vzájemné kompenzaci M(l) a N(l) a výsledná disperze D(l) se stává nulovou. Vlnová délka, při které k tomu dochází, se nazývá vlnová délka 10 s nulovou disperzí. Obvykle je specifikován určitý rozsah vlnových délek, ve kterém se 10 může lišit pro dané specifické vlákno.
Corning používá pro stanovení specifické chromatické disperze následující metodu. Časová zpoždění se měří při šíření krátkých světelných pulzů ve vláknu dlouhém nejméně 1 km. Po získání vzorků dat pro několik vlnových délek z interpolačního rozsahu (800-1600 nm pro MMF, 1200-1600 nm pro SF a DSF) jsou měření zpoždění převzorkována na stejných vlnových délkách, ale pouze na krátkém referenčním vláknu (délka 2 m) . Doby zpoždění získané na něm se odečítají od odpovídajících časů získaných na dlouhém vláknu, aby se eliminovala složka systematické chyby.
Pro jednovidové stupňovité a vícevidové odstupňované vlákno se používá empirický Sellmeierův vzorec: t(l) = A + Bl2 + Cl-2. Koeficienty A, B, C jsou nastavitelné a jsou voleny tak, aby experimentální body lépe seděly na křivce t (l). Poté se specifická chromatická disperze vypočítá podle vzorce:
kde l0 = (C/B)1/4 je vlnová délka nulové disperze, nový parametr S0 = 8B je sklon nulové disperze, jeho rozměr je ps/(nm2*km) a l je provozní vlnová délka pro kterou konkrétní chromatickou disperzi je určeno.
a) multimódové gradientní vlákno (62,5/125)
b) jednovidové stupňovité vlákno (SF)
c) jednovidové vlákno s posunutou disperzí (DSF)
Článek k tématu
Časovací zařízení. Spouštěče
Tato práce je věnována zvažování role spouštěčů v digitálních zařízeních. Všechny moderní počítače používají logický systém vynalezený Georgem Boolem. S rozvojem elektroniky se objevila taková třída elektronické technologie jako digitální technologie. Digitální technologie zahrnuje taková zařízení...
Pulzy světla, jejichž sekvence určuje tok informací, se během procesu šíření rozmazávají. Při dostatečně velké expanzi se impulsy začnou překrývat, takže jejich izolace při příjmu je nemožná.
Disperzeτ - jedná se o časovou ztrátu spektrálních a vidových složek optického signálu, což vede k prodloužení doby trvání pulsu při příjmu.
Rozptyl je definován jako kvadratický rozdíl mezi dobami trvání impulsů na výstupu a vstupu kabelu:
τ(l) = , ps/km . (2.8)
Čím menší je hodnota disperze, tím větší je šířka pásma optického vlákna, tím větší je tok informací, které mohou být přenášeny přes optické vlákno.
Maximum šířku pásma na 1 kilometr kabelu je nepřímo úměrná rozptylu a přibližně se rovná:
F = 0,44/τ, Hz (2,9)
Rozdíl je klasifikován podle důvodů původu takto:
Obrázek 2.11 – Typy rozptylu
Výsledný rozptyl se určí ze vzorce:
Materiálová disperze je dána závislostí indexu lomu optického vlákna na vlnové délce λ .
Disperze vlnovodu je způsobena závislostí koeficientu šíření vidu z vlnové délkyλ . K rozptylu vlnovodu dochází v důsledku zadržování světla vodicí strukturou (vláknem). Zatímco téměř veškerá energie v multimode OFF je soustředěna v relativně velkém jádru, v singlemode OFF se světlo šíří jak jádrem, tak pláštěm. O jediném řízeném módu lze uvažovat, že se šíří rychlostí určenou efektivním indexem lomu větším než je index lomu pláště, ale menší než je index lomu jádra. S rostoucí vlnovou délkou se ve skořápce distribuuje stále více energie s nízkým indexem lomu. Výsledkem je rozšíření pulzu, které závisí na struktuře vlákna, tj. rozptylu vlnovodu.
Polarizační vidová disperze (PMD) je disperze způsobená rozdílem v rychlostech šíření dvou základních ortogonálně polarizovaných vidů existujících v jednovidovém vláknu.
Obrázek 2.12 – Polarizační režimová disperze
Přítomnost PMD vede k tomu, že výsledný výstupní světelný impuls je oproti vstupnímu rozšířen. Paprsek světla ze zdroje záření vstupuje na vstup optického vlákna. V tomto případě nastává fenomén dvojlom. To znamená, že uvnitř OF vznikají dvě vlny (módy), které jsou polarizovány ve dvou ortogonálních (vzájemně kolmých) rovinách a šíří se ve formě dvou módů jedné vlny. V důsledku fyzikální asymetrie indexu lomu optického vlákna se tyto vidy stejné vlny pohybují různými rychlostmi.
PMD se také může vyskytnout na spojích nebo ohybech vláken. PMD ovlivňuje provoz optických spojů stejným způsobem jako chromatická disperze, ale mechanismus rozšiřování pulzu je v těchto případech odlišný.
Významným rozdílem mezi PMD a chromatickou disperzí je skutečnost, že vliv chromatické disperze v řádku lze kompenzovat, zatímco metody pro kompenzaci vlivu PMD v současné době neexistují. V minulosti (asi před 15 lety) se s vlivem PMD nepočítalo, protože přenosové rychlosti, stejně jako vzdálenosti mezi regenerátory v optických vedeních, byly relativně malé. V současné době, kdy přenosové rychlosti dosahují stovek Gbit/s a vzdálenosti mezi optickými regenerátory v optických spojích dosahují stovek kilometrů, se PMD stává limitujícím faktorem ve vývoji optických spojů.
V vícevidová stupňovitá vlákna rozhodující je vidová disperze, což je způsobeno přítomností velkého počtu režimů šíření a rozdíly v dobách jejich šíření po vláknu, obvykle ve víceletém OF τ = 20÷50 ns/km.
V gradientních OBs doba šíření různých režimů se vyrovná a určujícím faktorem je disperze materiálu, τ =3÷5 ns/km.
Ve stupňovitých jednorežimových vypnutích se projevuje chromatický (vlnovod a materiál) disperze, ale jsou téměř stejné v absolutní velikosti a opačné ve fázi v širokém spektrálním rozsahu (obr. 13) při λ = 1,2 ÷ 1,7 µm. V jednorežimových OFFs τ = 5 -17 ps/km.
Výskyt chromatické disperze ve světlovodném materiálu je způsoben tím, že optický zdroj buzení optického vstupu (dioda emitující světlo - LED nebo laserová dioda - LD) generuje světelné pulsy mající spojité vlnové spektrum určité šířky (např. , u LED je to přibližně 35-60 nm, u multimodových laserových diod (MMLD) – 2-5 nm, u jednovidových laserových diod (OMLD) – 0,01-1 nm). Různé spektrální složky pulsu se pohybují různými rychlostmi a dorazí do určitého bodu (konec vlákna) v různých časech, což má za následek rozšíření pulsního výstupu.
V oblasti od 800 nm do 1270 nm se delší vlnové délky (červenější) pohybují rychleji přes OF ve srovnání s kratšími (bler) vlnovými délkami (obrázek 2.13). Například vlny o vlnové délce 860 nm procházejí skleněným vláknem rychleji než vlny o vlnové délce 850 nm. To je způsobeno tím, že index lomu skla v rozsahu od 800 nm do 1270 nm klesá s rostoucí vlnovou délkou (stejný jev vysvětluje vzhled duhy). Tato disperze se nazývá pozitivní.
V oblasti od 1270 nm do 1700 nm se situace mění: kratší vlny se pohybují rychleji ve srovnání s delšími; vlna 1560 nm se pohybuje pomaleji než vlna 1540 nm, tzn. Index lomu skla v rozsahu od 1270 nm do 1700 nm se zvyšuje s rostoucí vlnovou délkou. Tento jev se nazývá anomální (negativní) disperze. Negativní rozptyl je vyjádřena tím, že „pomalejší“ spektrální složky pulzu jsou zrychleny a „rychlé“ naopak zpomaleny. V určitém bodě spektra je shoda okolností, kdy se modřejší a červenější vlnové délky pohybují stejnou rychlostí. Tato shoda rychlostí nastává při vlnové délce přibližně 1270 nm, na této vlnové délce materiál rozptyl je nulový (viz obrázek 2.13 a tabulka 2.1).
Z obrázku 2.13 je zřejmé, že při určité vlnové délce je disperze materiálu a vlnovodu opačného znaménka a stejné velikosti, tzn. vzájemně kompenzovány. Při této vlnové délce je chromatická disperze, která je součtem disperze materiálu a vlnovodu, nulová. Pro OF tuto vlnovou délku - objednat 1312 nm, říkají jí vlnová délka s nulovou disperzí Pro jednovidové křemičité vlákno je tedy chromatická disperze pozitivní pro vlnové délky λ <1312 нм и отрицательна для длин волн λ >1312 nm a v blízkém okolí λ = 1312 nm je nula.
Tabulka 2.1 – Typické hodnoty měrné materiálové disperze jednovidového OF
, um | |||||||||
M ( ), ps/nm*km | |||||||||
V ( ), ps/nm*km |
Materiálové a vlnovodné disperze OF jsou úměrné šířce spektra záření zdroje Δλ. Hodnoty těchto disperzí lze určit pomocí specifické disperze pomocí vzorců:
; (2.11)
(2.12)
kde М(λ) – konkrétní materiál disperze, jejíž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.1, V(λ) – specifický vlnovod disperze, jejíž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.1, Δλ – šířka spektrální čáry zdroje záření. Chromatická disperze se měří v jednotkách: ps/km.
Je známo, že pro křemenné OF odpovídá minimální útlum vlnové délce 1,55 μm a komunikační rozsah na této vlnové délce je omezen chromatickou disperzí. Jak vyplývá z obrázku 2.13, běžné jednovidové vlákno neposkytuje minimální disperzi pro λ = 1,55 µm, proto byla vyvinuta optická vlákna s disperzí s posunutou disperzí, která se liší konfigurací profilu indexu lomu (trojúhelníkový profil).
Obrázek 2.14 – Závislost materiálu, vlnovodu a výsledné disperze na vlnové délce pro OF s posunutou disperzí
Obrázek 2.14 ukazuje závislosti materiálu, vlnovodu a výsledné disperze na vlnové délce pro OF s posunutou disperzí.
Při změně profilu lomu optického vlákna rozptyl vlnovodu se zvyšuje a disperzní kompenzace se provádí na jiné vlnové délce - 1,55 µm, díky čemuž lze optické vlákno optimalizovat pro provoz ve třetím průhledném okénku, kde je optický útlum minimální.
Jako výsledek studií vláken s posunutou disperzí se ukázalo, že nejlepší výkon poskytují vlákna s trojúhelníkovým profilem, protože mají samozaostřovací vlastnosti a obsahují šířící se paprsky v malém objemu sousedícím s osou OB.
Chromatická disperze je vybrána Mezinárodní telekomunikační unií (INU) jako kritérium pro klasifikaci jednovidových optických vláken. Podle tohoto kritéria existují tři typy jednovidových optických vláken:
Standardní jednovidové vlákno (typ G.652). Jedná se o nejoblíbenější typ vlákna, který se ve světě používá od roku 1988. Parametry (ztráty a disperze) tohoto vlákna jsou optimalizovány pro vlnovou délku 1310 nm (minimální chromatická disperze), lze jej použít i v rozsahu vlnových délek 1525...1565 nm, kde je absolutní minimum ztrát v vlákno.
Jednovidové vlákno s posunutou nulovou disperzí (typ G.653). Nazývá se proto, že absolutní minimum chromatické disperze se volbou speciálního tvaru profilu indexu lomu posune do rozsahu vlnových délek λ = 1550 nm absolutního minima ztráty vlákna. Vlákno G.653 je optimalizováno pro vysokorychlostní přenos na jedné vlnové délce a má omezené možnosti pro přenos na více vlnových délkách.
Jednovidové vlákno s posunutou vlnovou délkouλ = 1550 nm nenulová disperze (typ G.655). Vlákno je optimalizováno pro vysokorychlostní přenos informací na více vlnových délkách kolem 1550 nm. Vlákno G.655 je určeno pro vláknové optické systémy s vlnovým dělením multiplexování - DWDM systémy (při provozu těchto systémů může nulová disperze vést k nelineárním efektům v OF).
Rozlišujte vidovou disperzi, která je způsobena velkým počtem vidů v optickém vláknu a chromatickou disperzí spojenou s nekoherencí světelných zdrojů skutečně pracujících v určitém rozsahu vlnových délek.
Zvažte šíření světelného paprsku podél vícevidového vlákna. V tomto případě existují dva režimy, dva paprsky. První se rozkládá podél podélné osy vlákna, zatímco druhý se odráží od rozhraní médií. Dráha druhého světelného paprsku je tedy větší než první. Výsledkem je, že když se sečtou dva paprsky nesoucí elektromagnetickou energii, ve srovnání šikmého paprsku s axiálním paprskem je časové zpoždění, které se vypočítá podle následujícího vzorce:
C- rychlost světla
l- délka vlákna
n 1
,
n 2– indexy lomu jádra a obalu
Gradientní vidová disperze optických vláken, obvykle o dva řády nižší než vlákna se stupňovitým profilem indexu lomu. Díky plynulé změně indexu lomu jádra optického vlákna klesá dráha druhého paprsku podél vlákna. Tím se sníží druhé časové zpoždění vzhledem k prvnímu paprsku.
Jednovidová vidová disperze optického vlákna a žádné zvýšení trvání pulsu je určeno chromatickou disperzí, která se zase dělí na materiál a vlnovod.
Jev materiálové disperze se nazývá absolutní závislost indexu lomu n materiálové vlnové délce světla ( n =ϕ λ()). Koeficient rozptylu vlnovodu je určen závislostí fáze β a frekvence ( β=ϕ ω() ).
Rozšíření pulzu v důsledku chromatické disperze se vypočítá pomocí vzorce:
τ m– rozšíření pulzu v důsledku rozptylu materiálu, ps;
τ B– rozšíření pulzu vlivem rozptylu vlnovodu, ps;
∆λ
– spektrální šířka zdroje záření, nm;
M(λ)– koeficient specifické disperze materiálu, ps / nm km;
B(λ)– koeficient rozptylu vlnovodu, ps / nm km.
Zvažte vliv materiálu a rozptylu vlnovodu v jednovidovém vláknu. Jak je vidět z grafu, nárůst rozptylu vlnových délek materiálu klesá a při vlnové délce 1,31 m se rovná nule. Vlnová délka je v tomto případě považována za vlnovou délku s nulovou disperzí. Současně se disperze více než 1,31 mikronu stává negativní. Nevychýlená disperze vlnovodu vláken je relativně malá hodnota a pohybuje se v rozmezí kladných čísel. Při vývoji optického vlákna s posunutou disperzí, která je založena na vlnovodné složce, se snaží kompenzovat disperzi materiálu na delší vlnové délky, tj. třetí průhledné okénko (λ = 1,55 m). Tento posun se provádí zmenšením průměru jádra, zvýšením Δ a použitím trojúhelníkového tvaru profilu indexu lomu jádra.
Při šíření polarizované světelné vlny podél optického vlákna dochází k polarizační disperzi. Světelná vlna z hlediska vlnové teorie je neustále se měnící vektor magnetického a elektrického pole, který je kolmý na šíření elektromagnetických (světelných) vln. Příkladem světelné vlny může být přirozené světlo, jehož směr elektrického vektoru se náhodně mění. Pokud je záření monochromatické a vektory kmitají s konstantní frekvencí, lze je znázornit jako součet dvou vzájemně kolmých složek x a y. Ideální optické vlákno je izotropní médium, ve kterém jsou elektromagnetické vlastnosti stejné ve všech směrech, například indexy lomu. Média s různými indexy lomu ve dvou ortogonálních osách x a y se nazývají dvojlomná. V tomto případě tedy vlákno zůstává jedním videm, protože dva ortogonálně polarizované vidy mají stejnou konstantu šíření. Ale to platí pouze pro ideální optické vlákno.
Ve skutečném optickém vláknu mají dva ortogonálně polarizované módy neidentické konstanty šíření, takže dochází k časovému zpoždění a rozšíření optického pulzu.
Rozšíření pulzu v důsledku polarizační vidové disperze (PMD) se vypočítá takto:
Proto se polarizační vidová disperze projevuje pouze v jednovidových optických vláknech s netsirkulyarnoy (eliptickým) jádrem a za určitých podmínek se stává srovnatelným s chromatickým. Proto je výsledné disperzní jednovidové optické vlákno určeno následujícím vzorcem:
Rozptyl výrazně omezuje šířku pásma optických vláken. Maximální šířka pásma na optické lince 1 km vypočtená podle přibližného vzorce:
τ - rozšíření pulsu, ps/km.