СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ МОДОВОЙ ЗАДЕРЖКИ МНОГОМОДОВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ В РЕЖИМЕ ПЕРЕДАЧИ МАЛОМОДОВЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF COMPENSATING FOR DIFFERENTIAL MODAL DELAY IN MULTIMODE FIBRE-OPTIC LINE IN LOW-MODE SIGNAL TRANSMISSION

Изобретение относится к волоконно-оптической технике связи и может быть использовано для компенсации дифференциальной модовой задержки многомодовой волоконно-оптической линии в режиме передачи маломодовых сигналов.
Известны способы [1, 2] увеличения полосы пропускания многомодовой волоконно-оптической линии передачи, заключающиеся в том, что последовательно основному многомодовому оптическому волокну линии передачи включают компенсирующее многомодовое оптическое волокно, градиентный профиль показателя преломления которого имеет провал в центре сердцевины. За счет выбора параметров данного провала добиваются уменьшения дифференциальной модовой задержки и увеличения полосы пропускания линии передачи. Применение указанных способов ограничено линиями передачи с многомодовыми оптическими волокнами первого поколения с градиентными профилями показателя преломления, имеющими дефект в виде провала в центральной области сердцевины волокна.
комп
лин
лин
комп
лин
комп
комп
комп
лин
комп
комп
экв
лин
комп
лин
комп
Известен способ [3] компенсации модовой дисперсии многомодовой волоконно-оптической линии передачи, заключающийся в том, что последовательно основному градиентному многомодовому оптическому волокну линии передачи включают компенсирующее многомодовое оптическое волокно, профиль показателя преломления которого выбирают в зависимости от параметров основного многомодового оптического волокна линии передачи, а именно параметр α, описывающий градиентный степенной профиль показателя преломления компенсирующего многомодового оптического волокна, выбирается относительно параметра α основного многомодового оптического волокна линии передачи, значение которого лежит в диапазоне 0,8≤α<2,1, следующим образом: для компенсации модовой дисперсии многомодовой волоконно-оптической линии передачи в области длин волн λ=850 нм параметр α профиля компенсирующего волокна должен удовлетворять неравенству α≤α≤8; в то время как для компенсации модовой дисперсии многомодовой волоконно-оптической линии передачи в области длин волн λ=1300 нм параметр α профиля компенсирующего волокна выбирается из диапазона 0,8≤α≤α. Для последующего определения оптимального значения параметра α из указанного диапазона, а также длины L компенсирующего волокна, осуществляется переход от последовательно соединенных основного и компенсирующего волокон к некоторому эквивалентному многомодовому волокну, градиентный профиль показателя преломления которого описывается параметром α, который непосредственно связан с параметрами профилей α и α и протяженностью L и L основного и компенсирующего волокон следующим соотношением:
.
экв(опт)
комп(опт)
комп(опт).
комп
Далее по соответствующей методике рассчитывается оптимальное значение параметра α профиля показателя преломления эквивалентного многомодового оптического волокна, при котором достигается его максимальная полоса пропускания в заданном диапазоне длин волн, и, соответственно, определяется оптимальное значение параметра α профиля компенсирующего волокна, обеспечивающего искомый α При этом длина компенсирующего волокна L оценивается по формуле
.
Область применения данного способа ограничена компенсацией модовой дисперсии градиентных многомодовых оптических волокон линии передачи с классическим степенным профилем показателя преломления. При этом форма профиля компенсирующего многомодового оптического волокна также ограничивается классическим степенным профилем показателя преломления. Это, учитывая, что профили показателя преломления реальных оптических волокон отличаются от идеальных степенных, ограничивает область применения данного способа.
Известен способ [4] компенсации модовой дисперсии многомодовой волоконно-оптической линии передачи, заключающийся в том, что последовательно многомодовому оптическому волокну линии передачи включают компенсирующее многомодовое оптическое волокно, профиль показателя преломления которого выбирают в зависимости от параметров основного многомодового оптического волокна линии передачи так, чтобы выполнялось соотношение:
комп
опт
опт
лин
Δ(r)=Δ+R·[Δ(r)-Δ(r)],
комп
лин
опт
где Δ(r) - значение параметра высоты профиля компенсирующего многомодового оптического волокна на расстоянии r от центра сердцевины; Δ(r) - значение параметра высоты профиля основного многомодового оптического волокна линии передачи на расстоянии r от центра сердцевины; Δ(r) - значение параметра высоты оптимального профиля градиентного многомодового оптического волокна на расстоянии r от центра сердцевины, при котором обеспечивается максимальная пропускная способность; R - константа (параметр компенсации). Здесь, по аналогии с [3], также рассматривается эквивалентное многомодовое оптическое волокно с оптимальным градиентным профилем показателя преломления, которому соответствует максимальная полоса пропускания многомодового волокна в заданном диапазоне длин волн, реализуемое путем последовательного соединения основного и компенсирующего волокон. Однако в отличие от [3] при построении профиля показателя преломления компенсирующего многомодового волокна учитываются локальные отклонения профиля основного волокна от оптимального, при этом длина компенсирующего волокна определяется из соотношения:
комп
лин
комп
лин
где L - длина компенсирующего многомодового оптического волокна; L- длина основного многомодового оптического волокна линии передачи; a- радиус сердцевины компенсирующего волокна; a - радиус сердцевины основного волокна. Областью применения данного способа является компенсация модовой дисперсии, а также дифференциальной модовой задержки. Однако формирование профиля компенсирующего многомодового оптического волокна ограничивается только подбором параметров относительно локальных отклонений профилей основного многомодового волокна линии передачи от оптимального, при этом весь модовый состав, распространяющийся в основном многомодовом волокне, условно разбивается на две группы мод низшего и высшего порядков с точки зрения траектории их распространения - ближе к центру сердцевины или, напротив, ближе к границе раздела сердцевина/оболочка, а включением компенсирующего волокна в линию, учитывающего отклонения основного профиля от оптимального, которому соответствует максимальная полоса пропускания и минимальное отличие скоростей указанных двух групп мод низших и высших порядков, достигается выравнивание их скоростей.
Разделение модового состава на две группы мод справедливо, если оптическое волокно работает в многомодовом режиме, сигнал переносится большим (по крайней мере, более 100) числом направляемых мод, при этом модовая дисперсия проявляется как увеличение длительности оптического импульса без существенных изменений его формы. Однако при подключении к многомодовому оптическому волокну когерентного источника излучения - лазера - в волокне возбуждается ограниченное число направляемых мод (как правило, менее 30) и, как следствие, распространяется маломодовый сигнал. Другими словами линия работает в режиме передачи маломодовых сигналов (маломодовом режиме). Число возбуждаемых мод зависит от профиля показателя преломления оптического волокна, характеристик источника излучения и условий ввода. При этом с точки зрения маломодового режима отличие скоростей отдельных модовых составляющих является существенным, даже если эти моды относятся к одной группе в многомодовом режиме, и проявляется в виде эффекта дифференциальной модовой задержки, который приводит к значительным искажениям формы оптического импульса, в частности наличию нескольких локальных максимумов. Оптимальный с точки зрения многомодового режима передачи профиль показателя преломления может не быть таковым с точки зрения маломодового режима передачи. В свою очередь, оптимальный, с точки зрения компенсации дифференциальной модовой задержки при передаче маломодового сигнала в условиях равномерного возбуждения модового состава лазерным источником, профиль показателя преломления компенсирующего волокна может не быть таковым в условиях строго соосного ввода сигнала, при котором подавляющее большинство мощности излучения, поступающее с выхода лазера, перераспределяется между намного меньшим, по сравнению с равномерным возбуждением, числом направляемых мод. Таким образом, возможности способа [4] компенсации модовой дисперсии многомодовой волоконно-оптической линии передачи ограничены с точки зрения компенсации дифференциальной модовой задержки. Он применим только в случае, когда профиль показателя преломления основного многомодового оптического волокна линии передачи близок к степенному и не позволяет учитывать особенности ввода, в частности строго соосного ввода.
Сущностью предлагаемого изобретения является расширение области применения.
Эта сущность достигается тем, что согласно способу компенсации дифференциальной модовой задержки многомодовой волоконно-оптической линии в режиме передачи маломодовых сигналов, заключающемуся в том, что последовательно основному многомодовому оптическому волокну линии передачи включают компенсирующее многомодовое оптическое волокно, параметры которого выбирают в зависимости от параметров основного многомодового оптического волокна линии передачи, при этом профиль показателя преломления и длину компенсирующего многомодового оптического волокна выбирают из условия минимизации величины F, рассчитываемой по формуле:
,
g(j)
lm
lm
(j)
(j)
где М - число направляемых мод, переносящих мощность маломодового оптического сигнала в основном многомодовом оптическом волокне линии передачи, для которых нормированная амплитуда составляет не менее 0,1; ν - значение групповой скорости j-й моды LP , распространяющейся в основном многомодовом оптическом волокне линии передачи;  - значение групповой скорости моды LP  этого же порядка, распространяющейся в компенсирующем многомодовом оптическом волокне, которое определяется по формуле:
; j=1…M,
g(max)
g(min)
лин
комп
где ν, ν - максимальное и минимальное значение групповых скоростей М модовых составляющих маломодового сигнала (j=1…M), распространяющегося в основном многомодовом оптическом волокне линии передачи; Q=L/L - параметр компенсации, определяющий длину компенсирующего многомодового оптического волокна.
lm
lm
lm
lm
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа. На фиг.2(а) приведен градиентный профиль показателя преломления основного многомодового оптического волокна линии передачи с характерным технологическим дефектом в центре сердцевины в виде провала, на фиг.2(б) представлен полученный для него в результате минимизации указанной величины F профиль показателя преломления компенсирующего оптического волокна для компенсации дифференциальной модовой задержки 24 модовых компонентов сигнала LP (l=0…3; m=1…6), возбуждаемых в основном волокне лазером (длина волны λ=850 нм) при осевом смещении 10…15 мкм. На фиг.3(а) приведен градиентный профиль показателя преломления основного многомодового оптического волокна линии передачи с характерным технологическим дефектом в центре сердцевины в виде пика, на фиг.3(б) представлен полученный для него в результате минимизации указанной величины F профиль показателя преломления компенсирующего оптического волокна для компенсации дифференциальной модовой задержки 24 модовых компонентов сигнала LP (l=0…3; m=1…6), возбуждаемых в основном волокне лазером (длина волны λ=850 нм) при осевом смещении 10…15 мкм. На фиг.4(а) приведен градиентный профиль показателя преломления основного многомодового оптического волокна линии передачи, оптимизированного для работы с лазерами, на фиг.4(б) представлен полученный для него в результате минимизации профиль показателя преломления компенсирующего оптического волокна для компенсации дифференциальной модовой задержки 24 модовых компонентов сигнала LP (l=0…3; m=1…6), возбуждаемых в основном волокне лазером (длина волны λ=850 нм) при осевом смещении 10…15 мкм, а на фиг.4(в) приведен полученный в результате минимизации указанной величины F профиль показателя преломления компенсирующего оптического волокна для компенсации дифференциальной модовой задержки 12 модовых компонентов сигнала LP (l=0…3; m=1…3), возбуждаемых в основном волокне лазером (длина волны λ=850 нм) в условиях соосного ввода.
Устройство содержит основное многомодовое оптическое волокно 1 линии передачи 2, которое последовательно соединено с компенсирующим многомодовым оптическим волокном 3 (место стыка 4).
Устройство работает следующим образом.
01
lm
lm
g(j)
(j)
При подключении когерентного источника излучения в многомодовом оптическом волокне возбуждается ограниченное число направляемых мод, реализуется маломодовый режим, а число модовых составляющих оптического сигнала определяется условиями ввода и модовым составом излучения, которое формируется непосредственно на выходе источника, что в свою очередь зависит от типа лазера и его характеристик. Так, например, излучение на выходе одномодового лазерного диода с резонатором Фабри-Перо (рабочая длина волны λ=1310 нм) содержит одну основную моду LP, в то время как сигнал с выхода лазера с вертикальным объемным резонатором содержит (рабочая длина волны λ=850 нм) 6 модовых составляющих. При этом число направляемых мод, возбуждаемых в многомодовом волокне в условиях соосного ввода, для которых значение нормированной амплитуды составляет более 0,1, практически в два раза меньше по сравнению с равномерным возбуждением. Таким образом, для заданного типа лазера и соответствующих условий ввода в основном многомодовом волокне линии передачи большая часть мощности оптического сигнала переносится ограниченным набором из М направляемых мод LP, условно пронумерованных как LP  (j=1…М), например, в порядке возрастания азимутального и радиального порядков. На основе введенной нумерации можно построить диаграмму распределения групповых скоростей направляемых мод основного многомодового волокна линии передачи, значения которых ν полностью определяются непосредственно формой и параметрами, а также локальными дефектами градиентного профиля показателя преломления основного волокна. Соответственно, выбирая форму и параметры профиля многомодового оптического волокна, можно добиться искомого вида диаграммы распределения значений групповых скоростей заданного числа направляемых мод определенного порядка. Форма и параметры профиля показателя преломления компенсирующего волокна выбираются таким образом, чтобы обеспечить реверсивное воспроизведение диаграммы распределения значений групповых скоростей М направляемых мод основного многомодового волокна линии передачи, что позволяет уменьшить (компенсировать) дифференциальную модовую задержку в последовательном соединении таких волокон при заданных условиях возбуждения и характеристиках источника. Таким образом, в многомодовой волоконно-оптической линии передачи 2, в которой последовательно соединены основное 1 и компенсирующее волокна 3, за счет компенсации дифференциальной модовой задержки увеличивается полоса пропускания линии передачи.
В отличие от известного способа компенсации модовой дисперсии, которым является прототип и в котором выбор параметров компенсирующего многомодового оптического волокна осуществляется с точки зрения коррекции формы профиля показателя преломления относительно локальных отклонений профиля основного волокна от некоторого оптимального профиля, при котором должна достигаться максимальная полоса пропускания, в предлагаемом способе компенсации дифференциальной модовой задержки форма и параметры профиля показателя преломления компенсирующего многомодового волокна выбираются на основе исходных значений групповых скоростей только тех направляемых мод основного многомодового волокна линии передачи, которые осуществляют перенос основной мощности маломодового сигнала при заданных условиях ввода и типе когерентного источника излучения, тем самым, обеспечивая наиболее глубокое подавление дифференциальной модовой задержки в маломодовом режиме передачи. Предлагаемый способ в отличие от прототипа позволяет учитывать условия ввода, что и расширяет область его применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. US 4723828.
2. RU 2264638 C1.
3. WO 99/22471.
4. US 2006/0034573 A1.