Особенности распространения различных видов дисперсий в волоконно-оптических линиях передач

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДИСПЕРСИЙ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ

ПЕРЕДАЧ

Бойцов Илья Владимирович

Курсант 5 курса ФВА РВСН им. Петра Великого,

Россия, г. Серпухов

Научный руководитель: Гвозд И.И,

к.т.н, доцент

Понимание физических механизмов и закономерностей, возникающих в процессе распространения сигналов в оптическом волноводе, приобрело особую актуальность в связи с решением одной из важнейших задач в сфере оптических телекоммуникаций — задачи уменьшения дисперсионных и нелинейных искажений оптических сигналов.

Интерес к новым способам ослабления деградации сигналов сильно возрос в последнее десятилетие из-за постоянно увеличивающихся объемов и, как следствие, скоростей передачи информации, ведь искажения из-за поляризационной модовой дисперсии растут пропорционально битовой скорости, а искажения из-за хроматической дисперсии — пропорционально квадрату скорости передачи.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных проблеме дисперсионных и нелинейных искажений сигналов, ряд важных фундаментальных вопросов оказываются неизученными. Данная статья позволяет восполнить этот недостаток, следовательно, необходимо рассмотреть основные виды дисперсий.

Межмодовая дисперсия — уширение светового импульса при распространении в волокне, связанное с различием времени распространения его компонент рис.1.

[ 1

21

22

Рис.1. Явление временного запаздывания лучей разных мод в волоконных световодах

Лучи, падающие под углом, равным критическому углу 0пр, проходят в 1^п9пр раз большее расстояние, чем аксиальные лучи. Из-за большей длины пути, которые проходят эти лучи, они отстают от аксиальных лучей на интервал времени ДТ, определяемый отношением:

ДТ /Т = 1/ sin9пр -1,

где: Т — время распространения импульса вдоль волновода по кратчайшему пути; ДТ — время задержки луча, распространяю-щегося под углом, близким к критическому.

Обратная ДТ величина называется шириной спектра пропускания (1/ДТ) и определяет ширину

спектра модулирующего сигнала, который может быть передан по волокну с малыми потерями. Ширина спектра пропускания уменьшается с увеличением длины волновода. Максимальная скорость передачи информации в ОВ с малыми искажениями определяется шириной спектра пропускания модулирующего сигнала (в зарубежной технической литературе модулирующий сигнал называют электрическим сигналом).

Хроматическая дисперсия — зависимость групповой скорости распространения моды от длины волны передаваемого сигнала.

Рис.2. Хроматическая дисперсия вызывается различными длинами волны в источнике света

Расширение световых импульсов из-за хроматической дисперсии может быть скомпенсировано. Принцип компенсации заключается в том, что излучение проходит два участка: с положительной и отрицательной дисперсией. Световой импульс после прохождения отрезка волокна с положительной дисперсией расширяется т.к. его различные спектральные компоненты распространяются с разной скоростью. В результате импульс становится частотно модулированным: на фронте сосредоточены коротковолновые спектральные компоненты, а на спаде — длинноволновые компоненты. Это связано с тем, что в волокне с положительной дисперсией коротковолновые компоненты распространяются с большей скоростью, чем длинноволновые.

Во втором волокне с отрицательной дисперсией фронт импульса распространяется с меньшей скоростью, чем спад, и это приводит к сжатию импульса.

Волноводная дисперсия — это дисперсия реальных свето-водов, отличающаяся от дисперсии объёмной среды по причине наличия волноводной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды.

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью эффективного показателя преломления от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра.

где: АЛ — ширина спектра источника излучения;I — длина световода; лу — показатель преломления сердцевины;А — относительный показатель преломления;с — скорость света в вакууме; Л — длина волны излучения.

Типичная зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого одномодового волокна от длины волны приведена на рис. 3.

25

О

1,0 1,2 1,4 1,6 X, мкм

Рис.3. Зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого волокна от длины волны

Как видно из рисунка, удельная волноводная дисперсия Ы(Л) всегда больше нуля, т. е. положительная.

Вклад волноводной дисперсии зависит от:

1. Радиуса сердцевины.

2. Разности показателей преломления сердцевины и оболочки.

3. Числа оболочек.

При рассмотрении разновидностей дисперсий, были изучены различные виды дисперсий. Особенностями их распространения является тот факт, что короткий световой импульс вводится в волокно в пределах числовой апертуры, но не вся энергия достигает конца оптоволокна одновременно. Разные моды переносят энергию по разным длинам. Таким образом импульс, распространяясь по разным длинам светового пути, в оптическом волокне вызывает модовую дисперсию, которая влияет на затухание сигнала. Хроматическая дисперсия происходит, потому что световой импульс имеет разные длины волн, за счет своего уширения и перемещается по волокну с различными скоростями. Хроматическая дисперсия также уменьшает уровень сигнала и искажает его. Волноводная дисперсия представляет собой одну из составных частей хроматической дисперсии, которая обусловлена определенной зависимостью распространения моды от величины длины волны. Этот специфичный вид дисперсии относится к числу важнейших в одномодовых волокнах.

Основными особенностями распространения дисперсии в волоконно-оптических линиях передач является тот факт, что она оказывает большое влияние на снижение уровня сигнала. При рассмотрении данного вопроса можно сделать вывод, что все виды дисперсий приводят к битовым ошибкам и перекрёстным помехам.

Используемая литература:

1. Гвозд И.И., Соловьёв В.В., Хрусталев Р.Н. Теория электрической связи. Учебник (рек. ФГК ВОУ ВО «ВА РВСН»). — Серпухов: ФВА РВСН, 2019.

2. Биккенин Р.Р., Чесноков М.Н. Теория электрической связи. Учебное пособие для ВУЗов (рек. УМО в области телекоммуникаций). — М.: ИНФРА. М, 2016.

3. Клюев Л.Л. Теория электрической связи. Учебник. (Утв. МО) — М.: ИНФРА. М, 2016.

4. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. — М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2008.