1.7. Дисперсия оптических волокон

Общие положения

Дисперсией оптического волокна называют рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Основная причина дисперсии – разные скорости распространения отдельных составляющих оптического сигнала. Дисперсия проявляется как уширение, увеличение длительности распространяющихся по волокну оптических импульсов.

В общем случае указанная величина уширения оптического импульса Ds определяется непосредственно значениями среднеквадратической длительности на передающей sin и sout, соответственно:

с.

(1.26)

В свою очередь дисперсия создает переходные помехи, приводит к межсимвольной интерференции и, соответственно, ошибкам при приеме сигналов, что ограничивает скорость передачи в линии или, иными словами, длину регенерационного участка (РУ).

Межмодовая дисперсия

Межмодовая дисперсия характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в многомодовых световодах из-за наличия большого числа мод с различным временем распространения за счет различной длины пути, который отдельные моды проходят в сердцевине волокна (рис. 1.10 – 1.11).

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

Реализация высокоскоростных многомодовых ВОЛП требует применения одномодовых лазеров в качестве источников излучения оптоэлектронных модулей ОСП, обеспечивающих скорость передачи данных свыше 622 Мбит/с (STM-4). В свою очередь, основным фактором искажения оптических сигналов одномодовых ОСП, распространяющихся по волокнам многомодовых ВОЛП является уже не многомодовая дисперсия, а дифференциальная модовая задержка (DMD). DMD носит случайный характер и зависит непосредственно от параметров конкретной пары «источник–волокно», а также от условий ввода излучения с выхода лазера в линейный тракт многомодовой ВОЛП. Поэтому в паспортных данных на новый тип многомодовых волоконных световодов – волокон, оптимизированных для работы с лазерами – помимо значений коэффициента широкополосности, позволяющего оценить величину межмодовой дисперсии при передаче сигналов многомодовых ОСП по многомодовым ВОЛП, также указываются дополнительные сведения, полученные в результате измерений DMD в процессе изготовления волокна, – например, предельная длина ЭКУ одномодовой ОСП Gigabit Ethernet.

Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется. Одними из основных факторов искажений сигналов, распространяющихся по одномодовым оптическим волокнам являются хроматическаяи поляризационная модовая дисперсии.

Хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и различием скоростей распространения отдельных спектральных составляющих оптического сигнала. Хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной дисперсии, и проявляется как в одномодовых, так и многомодовых оптических волокнах:

(1.27)

Материальная дисперсия

Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина оптического волокна – кварца и легирующих добавок. Спектральная зависимость показателя преломления материала сердцевины и оболочки (рис. 1.24) вызывает изменения с длиной волны и скорости распространения.

Достаточно часто данная зависимость описывается известным уравнением Селлмейера, которое имеет следующий вид [48, 49]:

(1.28)

где Aj и Bj – коэффициенты Селлмейера, соответствующие заданному типу материала, легирующей примеси и ее концентрации.

Рис. 1.24. Спектральная зависимость показателя преломления
чистого кварца (сплошная кривая) и кварца, легированного 13,5% германием (штриховая кривая).

Очевидно, что эту характеристику для кварцевых волокон можно считать неизменной. Материальная дисперсия характеризуется коэффициентом Dmat пс/(нм.км), который определяется из известного соотношения:

(1.29)

Рис. 1.25. Спектральная зависимость коэффициента
материальной дисперсии чистого кварца (сплошная кривая) и кварца, легированного 13,5% германия (штриховая кривая).

В качестве примера, на рис. 1.25 представлены спектральные характеристики коэффициентов материальной дисперсии чистого кварца и кварца, легированного 13,5% германия.

Очевидно, что характер проявления материальной дисперсии зависит не только от ширины спектра излучения источника, но и от его центральной рабочей длины волны. Так, например, в области третьего окна прозрачности l=1550 нм менее длинные волны распространяются быстрее, чем более длинные, а материальная дисперсия больше нуля (Dmat>0). Данный диапазон получил название области нормальной или положительной дисперсии (рис. 1.26 (б)).

В области первого окна прозрачности l=850 нм, напротив, более длинные волны распространяются быстрее, чем короткие, а материальной дисперсии соответствует отрицательное значение (Dmat<0). Данный диапазон называется областью аномальной или отрицательной дисперсии (рис. 1.26 (в)).

(а)

(б)

(в)

(г)

Рис. 1.26. Хроматическая дисперсия: (а) импульс на входе ВОЛП; (б) нормальная дисперсия; (в) аномальная дисперсия; (г) область нулевой дисперсии.

В некоторой точке спектра, называемой точкой нулевой материальной дисперсии l0, происходит совпадение, при этом и короткие, и длинные волны распространяются с одинаковой скоростью (рис. 1.26 (г)). Так, например, для чистого кварца SiO2 точка нулевой материальной дисперсии соответствует длине волны 1280 нм (рис. 1.25).

Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины волны, характер которой определяется формой профиля показателя преломления оптического волокна. Указанная зависимость определяется пространством, занимаемым модой по отношению к профилю показателя преломления волокна. Так, в ряде случаев в световодах с большим диаметром сердцевины волноводной дисперсией можно пренебречь. В одномодовых оптических волокнах из-за малого радиуса сердцевины, напротив, волноводная дисперсия достаточно велика. Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение [48]:

(1.30)

где V – нормированная частота, значение которой определяется по формуле (1.11);

b – нормированная постоянная распространения, которая связана с b следующим соотношением:

(1.31)

при этом составляющая формулы (1.29) получила название нормированный параметр волноводной дисперсии.

Спектральные характеристики хроматической дисперсии одномодовых оптических волокон действующих рекомендаций МСЭ-Т

Результирующее значение хроматической дисперсии Dch, которое складывается из материальной Dmat и волноводной Dw составляющих (1.27), непосредственно связано с первой и второй производной постоянной распространения следующим соотношением [48]:

(1.32)

Рис. 1.27. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических
волокон рек. МСЭ-Т G.652.

Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет соответствующим образом изменить итоговую спектральную характеристику хроматической дисперсии.

Так, в волокнах SSF, которые характеризуются типовым ступенчатым профилем показателя преломления, преобладает положительная материальная дисперсия, которая и формирует минимум хроматической дисперсии в области длины волны 1300 нм (рис. 1.27, 1.28) [48, 50].

Рис. 1.28. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических
волокон SSF (рек. МСЭ-Т G.652)

Профили показателя преломления волокон DSF и NZDSF сформированы таким образом, чтобы компенсировать материальную дисперсию отрицательной волноводной. В волокнах DSF при сложении материальной и волноводной составляющих дисперсии длина волны нулевой дисперсии смещается в область третьего окна прозрачности l=1550 нм. Для волокон NZDSF длина волны нулевой дисперсии не нормируется. Она обычно находится за пределами диапазона длин волн третьего окна прозрачности (диапазона C).

Дисперсионные параметры одномодовых оптических волокон

Хроматическая дисперсия характеризуется коэффициентом хроматической дисперсии D, имеющим размерность пс/(нм.км), значение которого в паспортных данных достаточно часто указывается на длинах волн, соответствующих второму и третьему окнам прозрачности (1310 и 1550 нм). В качестве примера, в табл. 1.7 приведены типовые значения коэффициента хроматической дисперсии D волокон рек. МСЭ-Т G.652 и G.653.

Таблица 1.7.

D, пс/(нм.км)

SSF (G.652)

DSF (G.653)

l=1310 нм

£ 2,7…3,5

£ 25

l=1550 нм

£ 17…18

£ 2,7

Кроме параметра D в качестве характеристик хроматической дисперсии оптических волокон также используют коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0, который имееет размерность пс/(нм2.км) и относительный коэффициент наклона дисперсионной характеристики RDS=S0/D с размерностью 1/нм. Последняя величина однозначно связана с полосой пропускания оптического волокна и характеризует поведение дисперсионной характеристики в заданном диапазоне длин волн.

Выше было отмечено, что на сегодняшний день, благодаря усовершенствованию технологии производства оптических волокон стала доступна вся область низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. В общем случае значение коэффициента хроматической дисперсии D волокон SSF на конкретной несущей l из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей формуле [48, 54]:

(1.33)

Значения коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0 и длины волны нулевой дисперсии также указываются в паспортных данных на оптические волокна. Например, указанные параметры одномодового оптического волокна CorningÒ SMF-28eÔ составляют: S0=0,092 пс/(нм2.км); l0=1301,5…1321,5 нм [48].

Для волокон со смещенной дисперсией (DSF) величина D на определенной несущей l из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей интерполяционной формуле [48, 50]:

,

(1.34)

В ряде случаев (в частности, для одномодовых оптических волокон NZDSF) указываются значения коэффициентов хроматической дисперсии на длинах волн l1и l2, соответствующих границам спектральных диапазонов (l1l2) – например, диапазонам С и L, и формула вычисления D(l) (l1<l<l2) определяется непосредственно значениями D(l1) и D(l2):

(1.35)

В качестве примера в табл. 1.8 приведены значения коэффициента хроматической дисперсии D для волокон CorningÒ LEAFÒ на границах диапазонов C и L [48].

Таблица 1.8.

D, пс/(нм.км)

Диапазон C

Диапазон L

1530 нм

1565 нм

1565 нм

1625 нм

2,0

6,0

4,5

11,2

Максимально допустимое значение хроматической дисперсии на РУ ВОЛП при передаче сигналов со скоростью B, Гбит/с, при условии приращения уровня помех не более чем на 1 дБ, приближенно определяется из следующего соотношения:

пс/нм

(1.36)

Результаты оценки дисперсии ВОЛП и максимальная протяженность РУ, в пределах которого не требуется проведение дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии, для волокон SSF и NZDSF на длине волны l=1550 нм представлены в табл. 1.9 [48].

Таблица 1.9.

B, Гбит/с

2,5

10

40

SDH: STM–

16

64

256

Дисперсия, DРУ max пс/нм

16640

1040

65

Lmax, км: ОВ SSF

(l=1550 нм, D=17 пс/(нм.км))

980

62

4

Lmax, км: ОВ NZDSF

(l=1550 нм, D=4,4 пс/(нм.км))

3782

236

14

Допустимая величина дисперсии на выходе ВОЛП при скорости передачи 2,5 Гбит/с составляет 16640 пс/км. Данной величине соответствуют предельные значения длины РУ 980 км для волокон SSF и 3782 км для волокон NZDSF. Таким образом, сигналы ОСП уровня STM-16 на рабочей длине волны, соответствующей третьему окну прозрачности, можно передавать по волокнам особенно со смещенной дисперсией практически на неограниченное расстояние. Но уже при скорости передачи 10 Гбит/с (STM-64) допустимая величина дисперсии уменьшается до 1040 пс/нм, и если для волокон NZDSF значение Lmax уменьшается до 236 км, то максимальная длина РУ ВОЛП на основе волокон SSF не превышает 62 км. В этом случае увеличение протяженности РУ потребует проведения дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии.

Проектирование, строительство и техническая эксплуатация ВОЛП


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.