Optické vlákno. Chromatická disperzia
Spolu s koeficientom útlmu optického vlákna je najdôležitejším parametrom disperzia, ktorá určuje jeho kapacitu na prenos informácií.
Rozptyl – Ide o časový rozptyl spektrálnych a vidových zložiek optického signálu, ktorý vedie k predĺženiu trvania impulzu optického žiarenia pri jeho šírení optickým vláknom.
Rozšírenie impulzu je definované ako kvadratický rozdiel v trvaní impulzu na výstupe a vstupe optického vlákna podľa vzorca:
a hodnoty i sa berú na úrovni polovice amplitúdy impulzu (obrázok 2.8).
Obrázok 2.8
Obrázok 2.8 - Rozšírenie impulzu v dôsledku disperzie
Disperzia sa vyskytuje z dvoch dôvodov: nekoherencia zdrojov žiarenia a existencia veľkého počtu režimov. Rozptyl spôsobený prvou príčinou sa nazýva chromatický (frekvencia). , skladá sa z dvoch zložiek - materiálových a vlnovodných (vnútrovidových) disperzií. Materiálová disperzia je spôsobená závislosťou indexu lomu od vlnovej dĺžky, vlnovodová disperzia je spojená so závislosťou koeficientu šírenia od vlnovej dĺžky.
Rozptyl spôsobený druhým dôvodom sa nazýva modálny (intermód).
Režimová disperzia je charakteristický len pre multimódové vlákna a je spôsobený rozdielom v čase prechodu módov pozdĺž optického vlákna od jeho vstupu k jeho výstupu. IN OF so stupňovitým profilom indexu lomu rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn s vlnovou dĺžkou je rovnaká a rovná sa: , kde C je rýchlosť svetla. V tomto prípade sa všetky lúče dopadajúce na koniec optického vlákna pod uhlom k osi v rámci apertúrneho uhla šíria v jadre vlákna pozdĺž svojich kľukatých čiar a pri rovnakej rýchlosti šírenia dopadajú na prijímací koniec v rôznych časoch, čo vedie k predĺženiu trvania prijatého impulzu. Keďže minimálny čas šírenia optického lúča nastáva, keď dopadajúci lúč je , a maximálny je keď , môžeme písať:
kde L je dĺžka svetlovodu;
Index lomu jadra vlákna;
C je rýchlosť svetla vo vákuu.
Potom sa hodnota intermódovej disperzie rovná:
Vidová disperzia gradientových optických vlákien rádovo alebo viac nižšie ako u stupňovitých vlákien. Je to spôsobené tým, že v dôsledku poklesu indexu lomu od osi optického vlákna k plášťu sa rýchlosť šírenia lúčov pozdĺž ich trajektórie mení. Takže na trajektóriách blízko osi je to menej a na trajektóriách vzdialených je to väčšie. Lúče šíriace sa po najkratších dráhach (bližšie k osi) majú nižšiu rýchlosť a lúče šíriace sa po dlhších dráhach majú vyššiu rýchlosť. V dôsledku toho sa doba šírenia lúčov vyrovná a predĺženie trvania impulzu sa zníži. Pri parabolickom profile indexu lomu, keď profilový exponent q=2, je vidová disperzia určená výrazom:
Vidová disperzia gradientu OB je niekoľkonásobne menšia ako disperzia kroku OB pri rovnakých hodnotách. A keďže je to obvyklé, rozptyl vidov uvedených OF sa môže líšiť o dva rády.
Pri výpočtoch pri určovaní vidovej disperzie treba mať na pamäti, že do určitej dĺžky vedenia, nazývanej dĺžka vidovej väzby, nedochádza k intermodálnej väzbe, a potom pri procese vzájomnej konverzie vidov nastáva ustálený stav. Preto, keď sa disperzia zvyšuje podľa lineárneho zákona, a potom, keď - podľa kvadratického zákona.
Vyššie uvedené vzorce teda platia len pre dĺžku. Pre dĺžky čiar použite nasledujúce vzorce:
- pre stupňovitý svetlovod
- pre gradientný svetlovod,
kde je dĺžka čiary;
Dĺžka spojenia režimu (ustálený stav), rovná km pre stupňovité vlákno a km pre gradientové vlákno (stanovené empiricky).
Disperzia materiálu závisí od frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) a materiálu OF, ktorým je zvyčajne kremenné sklo. Disperzia je určená elektromagnetickou interakciou vlny s viazanými elektrónmi materiálu média, ktorý má spravidla nelineárny (rezonančný) charakter.
Výskyt disperzie vo svetlovodnom materiáli, a to aj u jednovidových vlákien, je spôsobený tým, že optický zdroj budiaci vlákno (svetelná dióda - LED alebo polovodičový laser PPL) generuje svetelné žiarenie so spojitým vlnovým spektrom určitú šírku (pre LED je to približne nm, pre multimódové PPL - nm , pre jednovidové nm laserové diódy). Rôzne spektrálne zložky svetelného žiarenia sa šíria rôznymi rýchlosťami a do určitého bodu prichádzajú v rôznych časoch, 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 rozptylu závisí od rozsahu vlnových dĺžok svetla zavedeného do vlákna (zvyčajne zdroj vyžaruje viacero vlnových dĺžok), ako aj od centrálnej prevádzkovej vlnovej dĺžky zdroja. V oblasti I je okno priehľadnosti tam, kde 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 v porovnaní s dlhšími (1560 nm). Obrázok 2.9
Obrázok 2.9 – Rýchlosti šírenia vlnovej dĺžky
Dĺžka šípok zodpovedá rýchlosti vlnových dĺžok, pričom dlhšia šípka zodpovedá rýchlejšiemu pohybu.
V určitom bode spektra sa rýchlosti zhodujú. Táto zhoda pre čisté kremenné sklo nastáva pri vlnovej dĺžke nm, ktorá sa nazýva vlnová dĺžka materiálu s nulovou disperziou, pretože . Keď je vlnová dĺžka pod nulovou disperznou vlnovou dĺžkou, parameter má kladnú hodnotu, inak má zápornú hodnotu. Obrázok 2.10
Disperziu materiálu možno určiť pomocou špecifickej disperzie pomocou výrazu:
.
Kvantitatívne špecifická disperzia, , sa určuje experimentálne. S rôznym zložením legujúcich nečistôt v OM má rôzne hodnoty v závislosti od (tabuľka 2.3).
Tabuľka 2.3 – Typické hodnoty rozptylu špecifického materiálu
Vlnovodná (vnútrorežimová) 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 zdrojového žiarenia a je definované ako:
,
kde je špecifická disperzia vlnovodu, ktorej hodnoty sú uvedené v tabuľke 2.4:
Tabuľka 2.4
– je spôsobené rozdielovým skupinovým oneskorením medzi lúčmi s hlavnými polarizačnými stavmi. Rozloženie energie signálu v rôznych polarizačných stavoch sa v čase mení pomaly, napríklad v dôsledku zmien teploty okolia, anizotropie indexu lomu spôsobenej 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 rozptylu polarizačných vidov je nesústrednosť profilu jadra vlákna, ku ktorej dochádza počas výrobného procesu vlákna a kábla. 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:
Pre jeho malú hodnotu ho treba brať do úvahy výlučne pri jednovidovom vlákne a pri vysokorýchlostnom prenose signálu (2,5 Gbit/s a viac) s veľmi úzkym spektrálnym pásmom žiarenia 0,1 nm alebo menej. V tomto prípade sa chromatická disperzia stáva porovnateľnou s polarizačnou vidovou disperziou.
Špecifický koeficient PMD typického vlákna je zvyčajne .
K chromatickej disperzii dochádza preto, lebo spektrum optického signálu má konečnú šírku a rôzne spektrálne zložky signálu sa vo vlákne pohybujú rôznymi rýchlosťami (obrázok 3.2).
Približná zmena oneskorenia impulzu a koeficientu disperzie na vlnovej dĺžke žiarenia je znázornená na obrázku 3.3. Disperzný koeficient () sa vypočíta zo závislosti špecifického oneskorenia od vlnovej dĺžky žiarenia, kde L je dĺžka vlákna.
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image030.jpg)
Obrázok 3.2 - Materiál a disperzia vlnovodu v jednovidovom vlákne
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image031.jpg)
Obrázok 3.3 - Závislosť oneskorenia a disperzného koeficientu vo vlnovej dĺžke SM vlákna t
Zmena šírky impulzu (pri absencii straty alebo zisku) je nevyhnutne sprevádzaná zmenou ich maximálnej amplitúdy (obrázok 3.4). V tomto prípade sa pri prvej aproximácii zachová súčin amplitúdy impulzu a jeho šírky (oblasť impulzu sa nemení):
![](https://i0.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image033.png)
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image034.jpg)
Obrázok 3.4 - Zmena šírky impulzu je sprevádzaná zmenou ich špičkového výkonu a je charakterizovaná znížením výkonu
Zmena špičkovej amplitúdy impulzov je zvyčajne charakterizovaná hodnotou penalizácie výkonu:
Rovnaký koncept je vhodné použiť na charakterizáciu relatívnej veľkosti rozšírenia pulzu
V tomto prípade sa za prahovú hodnotu výkonu trestu často považuje úroveň q = 2 dB, čo zodpovedá približne 1,6-násobnému zvýšeniu šírky impulzu.
![](https://i2.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image037.png)
Chromatická disperzia je súčet disperzií materiálu a vlnovodu: . Dá sa to vysvetliť nasledovne. Ako už bolo spomenuté, k chromatickej disperzii dochádza, pretože rýchlosť šírenia vlny sa mení so zmenou vlnovej dĺžky. V homogénnom prostredí sa rýchlosť šírenia vĺn môže meniť len v dôsledku závislosti indexu lomu prostredia od vlnovej dĺžky, čo vedie k vzniku disperzie materiálu. Vo vlákne sa vlna šíri v dvoch prostrediach - čiastočne v jadre a čiastočne v kremennom povlaku a index lomu preň nadobúda určitú priemernú hodnotu medzi indexom lomu jadra a kremenným povlakom (obrázok 3.5). .
Tento priemerný index lomu sa môže meniť z dvoch dôvodov. Po prvé, kvôli skutočnosti, že indexy lomu jadra a kremenného plášťa závisia od vlnovej dĺžky (približne rovnaké). Táto závislosť vedie k vzniku disperzie materiálu. Disperzia materiálu je hlavným typom disperzie v jednovidových systémoch. Hodnotu rozptylu materiálu možno zistiť z výrazu
kde je špecifická disperzia materiálu.
Po druhé, pretože pri zmene vlnovej dĺžky sa mení hĺbka prieniku poľa do kremenného obalu a podľa toho sa mení aj priemerná hodnota indexu lomu (aj keď sa menia hodnoty indexov lomu jadra a kremenného obalu). nezmenené, bez zmeny). Toto je čisto vlnovodný efekt, a preto sa disperzia, ktorá z neho vyplýva, nazýva vlnovodná disperzia. Veľkosť disperzie vlnovodu možno zistiť z výrazu
kde je špecifická disperzia vlnovodu.
![](https://i1.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image042.jpg)
Obrázok 3.5 - Disperzia vlnovodu sa vyskytuje v dôsledku skutočnosti, že index lomu spriemerovaný cez priemer vidu sa mení s vlnovou dĺžkou
Disperzia vlnovodu závisí od tvaru profilu indexu lomu. V SM vláknach je tvar profilu indexu lomu stupňovitý s relatívne veľkým priemerom jadra a malým skokom indexu lomu. Vo vláknach DS a NZDS je vlnová dĺžka s nulovou disperziou posunutá k dlhším vlnovým dĺžkam v porovnaní s vláknami SM.
Aby sa posunula vlnová dĺžka s nulovou disperziou, je potrebné znížiť buď materiálovú alebo vlnovodnú zložku chromatickej disperzie. To sa dá dosiahnuť zmenou zloženia nečistôt zavedených do jadra. Disperzia materiálu slabo závisí od zloženia legujúcich nečistôt. Disperzia vlnovodu sa mení v širokom rozsahu (v dôsledku zmeny tvaru profilu indexu lomu) (obrázok 3.6).
![](https://i1.wp.com/studwood.ru/imag_/39/185988/image043.jpg)
Obrázok 3.6 - Profily indexu lomu vlákien DS a NZDS: a) trojuholník na podstavci, b) trojzubec (alebo W)
Chromatická disperzia pozostáva z materiálových a vlnovodných komponentov a vyskytuje sa počas šírenia v jednovidovom aj viacvidovom vlákne. 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 sú zavedené koeficienty M(l) a N(l) - špecifický materiál, resp. disperzie vlnovodu a Dl (nm) - rozšírenie vlnovej dĺžky v dôsledku nekoherencie zdroja žiarenia. Výsledná hodnota koeficientu špecifickej chromatickej disperzie sa určí 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 (cca 1310 ± 10 nm pre stupňovité jednovidové vlákno) dochádza k vzájomnej kompenzácii M(l) a N(l) a výsledná disperzia D(l) je nulová. Vlnová dĺžka, pri ktorej k tomu dochádza, sa nazýva vlnová dĺžka 10 s nulovou disperziou. Zvyčajne je špecifikovaný určitý rozsah vlnových dĺžok, v rámci ktorého sa 10 môže meniť pre dané špecifické vlákno.
Corning používa na stanovenie špecifickej chromatickej disperzie nasledujúcu metódu. Časové oneskorenia sa merajú pri šírení krátkych svetelných impulzov vo vlákne dlhom najmenej 1 km. Po získaní vzoriek 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 odčítajú od zodpovedajúcich časov získaných na dlhom vlákne, aby sa eliminovala zložka systematickej chyby.
Pre jednovidové stupňovité a viacvidové odstupňované vlákno 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 špecifickú chromatickú disperziu je určený.
a) multimódové gradientové vlákno (62,5/125)
b) jednovidové stupňovité vlákno (SF)
c) jednovidové vlákno s posunom disperzie (DSF)
Článok k téme
Časovacie zariadenia. Spúšťače
Táto práca je venovaná zvažovaniu úlohy spúšťačov v digitálnych zariadeniach. Všetky moderné počítače používajú logický systém, ktorý vynašiel George Boole. S rozvojom elektroniky sa objavila taká trieda elektronickej technológie ako digitálna technológia. Digitálna technológia zahŕňa takéto zariadenia...
Impulzy svetla, ktorých postupnosť určuje tok informácií, sa počas procesu šírenia rozmazávajú. Pri dostatočne veľkej expanzii sa impulzy začnú prekrývať, takže ich izolácia pri príjme je nemožná.
Disperziaτ - je to časový rozptyl spektrálnych a vidových zložiek optického signálu, čo vedie k predĺženiu trvania impulzu pri príjme.
Rozptyl je definovaný ako kvadratický rozdiel medzi trvaním impulzov na výstupe a vstupe kábla:
τ(l) = , ps/km . (2.8)
Čím menšia je hodnota disperzie, tým väčšia je šírka pásma optického vlákna, tým väčší je tok informácií, ktoré možno prenášať cez optické vlákno.
Maximálne šírku pásma na 1 kilometer kábla je nepriamo úmerná rozptylu a približne sa rovná:
F = 0,44/τ, Hz (2,9)
Rozdiel je klasifikovaný podľa dôvodov pôvodu takto:
Obrázok 2.11 – Typy rozptylu
Výsledný rozptyl sa určí zo vzorca:
![](https://i1.wp.com/studfiles.net/html/2706/1156/html_c5M6fgTKgt.MUvi/img-LwYUzc.png)
Disperzia materiálu je spôsobená závislosťou indexu lomu optického vlákna od vlnovej dĺžky λ .
Disperzia vlnovodu je spôsobená závislosťou koeficientu šírenia vidov z vlnovej dĺžkyλ
.
K rozptylu vlnovodu dochádza v dôsledku zadržania svetla vodiacou štruktúrou (vláknom). Zatiaľ čo takmer všetka energia v multimódovom OFF je sústredená v relatívne veľkom jadre, v single-mode OFF sa svetlo šíri cez jadro aj plášť. O jedinom riadenom vide sa môže uvažovať, že sa šíri rýchlosťou určenou efektívnym indexom lomu vyšším ako je index lomu plášťa, ale nižším ako je index lomu jadra. S rastúcou vlnovou dĺžkou sa v škrupine distribuuje stále viac energie s nízkym indexom lomu. Výsledkom je rozšírenie impulzu, ktoré závisí od štruktúry vlákna, t. j. rozptylu vlnovodu.
Polarizačný režim rozptylu (PMD) je disperzia spôsobená rozdielom v rýchlostiach šírenia dvoch základných ortogonálne polarizovaných vidov existujúcich v jednovidovom vlákne.
Obrázok 2.12 – Disperzia v polarizačnom režime
Prítomnosť PMD vedie k tomu, že výsledný výstupný svetelný impulz je rozšírený v porovnaní so vstupným. Lúč svetla zo zdroja žiarenia vstupuje do vstupu optického vlákna. V tomto prípade vzniká fenomén dvojlom. To znamená, že vo vnútri OF sa vytvoria dve vlny (módy), ktoré sú polarizované v dvoch ortogonálnych (na seba kolmých) rovinách a šíria sa vo forme dvoch módov jednej vlny. V dôsledku fyzikálnej asymetrie indexu lomu optického vlákna sa tieto módy tej istej vlny pohybujú rôznymi rýchlosťami.
PMD sa môže vyskytnúť aj na spojoch alebo ohyboch vlákien. PMD ovplyvňuje činnosť optických spojov rovnakým spôsobom ako chromatická disperzia, ale mechanizmus rozšírenia impulzov je v týchto prípadoch odlišný.
Významným rozdielom medzi PMD a chromatickou disperziou je skutočnosť, že vplyv chromatickej disperzie v riadku je možné kompenzovať, zatiaľ čo metódy na kompenzáciu vplyvu PMD v súčasnosti neexistujú. V minulosti (asi pred 15 rokmi) sa vplyv PMD nebral do úvahy, keďže prenosové rýchlosti, ako aj vzdialenosti medzi regenerátormi v optických vedeniach boli relatívne malé. V súčasnosti, keď prenosové rýchlosti dosahujú stovky Gbit/s a vzdialenosti medzi optickými regenerátormi v optických spojoch dosahujú stovky kilometrov, PMD sa stáva limitujúcim faktorom vo vývoji optických spojov.
IN multimódové stupňovité vlákna rozhodujúce je módová disperzia, čo je spôsobené prítomnosťou veľkého množstva módov šírenia a rozdielmi v časoch ich šírenia pozdĺž vlákna, zvyčajne vo viacročnom OF τ = 20÷50 ns/km.
V gradientových OB doba šírenia rôznych režimov je vyrovnaná a určujúci faktor je disperzia materiálu, τ = 3÷5 ns/km.
V stupňovitých jednorežimových OFF sa prejavuje chromatické (vlnovod a materiál) disperzia, ale sú takmer rovnaké v absolútnej veľkosti a opačné vo fáze v širokom spektrálnom rozsahu (obr. 13) pri λ = 1,2 ÷ 1,7 µm. V jednorežimových OFFs τ = 5 -17 ps/km.
Výskyt chromatickej disperzie vo svetlovodnom materiáli je spôsobený skutočnosťou, že optický zdroj budiaci optický vstup (svetelná dióda - LED alebo laserová dióda - LD) generuje svetelné impulzy so spojitým vlnovým spektrom určitej šírky (napr. , pre LED je to približne 35-60 nm, pre multimódové laserové diódy (MMLD) – 2-5 nm, pre jednovidové laserové diódy (OMLD) – 0,01-1 nm). Rôzne spektrálne zložky impulzu sa pohybujú rôznymi rýchlosťami a dostávajú sa do špecifického bodu (koniec vlákna) v rôznych časoch, čo vedie k rozšíreniu výstupu impulzu.
V oblasti od 800 nm do 1270 nm sa dlhšie vlnové dĺžky (červenšie) pohybujú rýchlejšie cez OF v porovnaní s kratšími (bleskovými) vlnovými dĺžkami (obrázok 2.13). Napríklad vlny 860 nm sa šíria rýchlejšie cez sklenené vlákno ako vlny 850 nm. Je to spôsobené tým, že index lomu skla v rozsahu od 800 nm do 1270 nm klesá so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou (rovnaký jav vysvetľuje vzhľad dúhy). Táto disperzia sa nazýva pozitívne.
V oblasti od 1270 nm do 1700 nm sa situácia mení: kratšie vlny sa pohybujú rýchlejšie v porovnaní s dlhšími; vlna 1560 nm sa pohybuje pomalšie ako vlna 1540 nm, t.j. Index lomu skla v rozsahu od 1270 nm do 1700 nm sa zvyšuje so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou. Tento jav sa nazýva anomálna (negatívna) disperzia. Záporný rozptyl je vyjadrená v tom, že „pomalšie“ spektrálne zložky impulzu sú zrýchlené a „rýchle“ naopak spomalené. V určitom bode spektra je zhoda okolností, pričom modré a červené vlnové dĺžky sa pohybujú rovnakou rýchlosťou. Táto zhoda rýchlostí nastáva pri vlnovej dĺžke približne 1270 nm, pri tejto vlnovej dĺžke materiál rozptyl je nulový (pozri obrázok 2.13 a tabuľku 2.1).
Z obrázku 2.13 je zrejmé, že pri určitej vlnovej dĺžke má disperzia materiálu a vlnovodu opačné znamienko a rovnakú veľkosť, t.j. vzájomne kompenzované. Pri tejto vlnovej dĺžke je chromatická disperzia, ktorá je súčtom disperzie materiálu a vlnovodu, nulová. Pre OF túto vlnovú dĺžku - objednať 1312 nm, volajú ju vlnová dĺžka s nulovým rozptylom Pre jednovidové kremičité vlákno je teda chromatická disperzia pozitívna pre vlnové dĺžky λ <1312 нм и отрицательна для длин волн λ >1312 nm a v blízkom okolí λ = 1312 nm je nula.
Tabuľka 2.1 – Typické hodnoty špecifickej materiálovej disperzie jednovidového OF
| |||||||||
M ( | |||||||||
IN ( |
Materiálové a vlnovodné disperzie OF sú úmerné šírke spektra zdrojového žiarenia Δλ. Hodnoty týchto disperzií je možné určiť pomocou špecifickej disperzie pomocou vzorcov:
;
(2.11)
(2.12)
kde М(λ) – špecifický materiál disperzia, ktorej hodnoty sú uvedené v tabuľke 2.1, V(λ) – špecifický vlnovod disperzia, ktorej hodnoty sú uvedené v tabuľke 2.1, Δλ – šírka spektrálnej čiary zdroja žiarenia. Chromatická disperzia sa meria v jednotkách: ps/km.
Je známe, že pre kremenné OF zodpovedá minimálny útlm vlnovej dĺžke 1,55 μm a komunikačný rozsah pri tejto vlnovej dĺžke je obmedzený chromatickou disperziou. Ako vyplýva z obrázku 2.13, konvenčné jednovidové vlákno neposkytuje minimálnu disperziu pre λ = 1,55 µm, preto boli vyvinuté optické vlákna s disperziou s posunom disperzie, ktoré sa líšia konfiguráciou profilu indexu lomu (trojuholníkový profil).
Obrázok 2.14 – Závislosť materiálu, vlnovodu a výslednej disperzie od vlnovej dĺžky pre OF s posunutou disperziou
Obrázok 2.14 ukazuje závislosti materiálu, vlnovodu a výslednej disperzie na vlnovej dĺžke pre OF s posunutou disperziou.
Pri zmene refrakčného profilu optického vlákna rozptyl vlnovodu sa zvyšuje a kompenzácia disperzie sa vykonáva pri inej vlnovej dĺžke - 1,55 µm, vďaka čomu je možné optické vlákno optimalizovať pre prevádzku v treťom priesvitnom okienku, kde je optický útlm minimálny.
Ako výsledok štúdií vlákien s posunutou disperziou sa ukázalo, že najlepší výkon poskytujú vlákna s trojuholníkovým profilom, pretože majú samozaostrovacie vlastnosti a obsahujú šíriace sa lúče v malom objeme priľahlom k osi OB.
Chromatická disperzia je vybraná Medzinárodnou telekomunikačnou úniou (INU) ako kritérium na klasifikáciu jednovidových optických vlákien. Podľa tohto kritéria existujú tri typy jednovidových optických vlákien:
Štandardné jednovidové vlákno (typ G.652). Toto je najpopulárnejší typ vlákna, ktorý sa vo svete používa od roku 1988. Parametre (straty a disperzia) tohto vlákna sú optimalizované pre vlnovú dĺžku 1310 nm (minimálna chromatická disperzia), je možné ho použiť aj v rozsahu vlnových dĺžok 1525...1565 nm, kde je absolútne minimum strát v vláknina.
Jednomódové vlákno s nulovou disperziou (typ G.653). Nazýva sa tak preto, lebo absolútne minimum chromatickej disperzie sa výberom špeciálneho tvaru profilu indexu lomu posunie do rozsahu vlnových dĺžok λ = 1550 nm absolútneho minima straty vlákna. Vlákno G.653 je optimalizované pre vysokorýchlostný prenos na jednej vlnovej dĺžke a má obmedzené možnosti prenosu na viacerých vlnových dĺžkach.
Jednovidové vlákno s posunutou vlnovou dĺžkouλ = 1550 nm nenulová disperzia (typ G.655). Vlákno je optimalizované pre vysokorýchlostný prenos informácií na viacerých vlnových dĺžkach okolo 1550 nm. Vlákno G.655 je určené pre optické systémy s vlnovým delením multiplexovania - DWDM systémy (pri prevádzke týchto systémov môže nulová disperzia viesť k nelineárnym efektom v OF).
Rozlišujte vidovú disperziu, ktorá je spôsobená veľkým počtom vidov v optickom vlákne a chromatickou disperziou spojenou s nekoherenciou 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
,
n 2– 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 =ϕ λ()). Koeficient rozptylu vlnovodu je určený závislosťou fázy β a frekvencie ( β=ϕ ω() ).
Rozšírenie impulzu v dôsledku chromatickej disperzie sa vypočíta pomocou vzorca:
τ 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)– 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 Δ a použitím trojuholníkového tvaru profilu indexu lomu jadra.
Pri šírení polarizovanej svetelnej vlny 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 polarizačného vidu (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:
Disperzia výrazne obmedzuje šírku pásma optických vlákien. Maximálna šírka pásma na optickej linke 1 km vypočítaná podľa približného vzorca:
τ - rozšírenie pulzu, ps/km.