Модів дисперсія - відмінність швидкостей поширення направляються мод (велике число мод). Модовая дисперсія переважає в багатомодових ОВ і обумовлена відмінністю часу проходження мод по ОВ від його входу до виходу. Розрахункові співвідношення для зазначеної дисперсії наочно і про-сто виходять при променевому підході. Слід окремо розглядати процес виникнення модовой дисперсії в східчастих і градієнтних волокнах. Розширення імпульсу, переда-ваемого по ОВ, за рахунок модовой дисперсії в цьому випадку визначається як різниця довжин шляху променів, що поширюються по най-найкоротшою і наідліннейшей траєкторіях. Промені світла, введені в ОВ із ступінчастим профілем під кутом до осі (рисунок 4.5), через багаторазових внутрішніх відображень на кордоні серцевина-оболоч-ка проходять довший шлях в порівнянні з променями, розпрощався-ранящих уздовж осі ОВ.
Звідси розширення імпульсу
Малюнок 4.5 - Найкоротший і довжелезний шлях променя в оптичному волокні зі
Як видно з виразу (4.2), розширення імпульсів тим менше, чим менше відносна різниця # 916; коефіцієнтів заломлення серцевини і оболонки ОВ. З цієї ж формули випливає, що модів дисперсія зростає зі збільшенням довжини волокна. Однак останнім спра-ведливо тільки при відсутності взаємодії між модами. У реальних световодах при значних довжинах лінії таке предпол-ються веде до великих погрішностей розрахунку модовой дисперсії. Зв'язок між модами в реальному ОВ, викликана неоднородностями по-казника заломлення, нерегулярні геометричних розмірів, на-пряжене вигину і розтягування, микротрещинами, роз'ємними і не-рознімними сполуками відрізків ОВ, завжди має місце і проявляється обміном енергії між модами. При променевому підході це еквівалентно изме-рівняно кутів нахилу променів до осі світловода при їх розпрощався-пораненні уздовж нього.
У вхідного торця світловода спостерігається досить інтенсивне випромінювання мод, і відповідно стабілізується модовая структура в осерді світловода. При цьому лише на деякій відстані від вхід-ного торця світловода, званому довжиною усталеною зв'язку між модами (Lу), настає відносно постійне (рівноважний) распреде-ня мод, яке залежить від умов введення випромінювання в світловод.
Модовая дисперсія градієнтних ОВ. як правило, на порядок і більше нижче, ніж у східчастих волокон. Це обумовлено тим, що за рахунок зменшення показника заломлення від осі ОВ до оболонки швидкість поширення променів уздовж їх траєкторій змінюється. Так, на траєкторіях, близьких до осі, вона менше, а віддалених - природно, більше. Отже, промені, що поширюються найкоротшими траєкторіями (ближче до осі), мають меншу швидкістю, а промені, що поширюються по більш протяжним траєкторіях, мають велику швидкість. В результаті час поширення променів вирівнюється і збільшення тривалості імпульсу стає менше. При цьому час поширення оптичних променів визначається законом зміни показника заломлення і при певних умовах вирівнюється, що, природно, спричиняє до зменшення дисперсії.
У східчастих световодах при багатомодовою передачі домінує модів дисперсія і вона досягає великих значень (20-50нс / км).
Модовая дисперсія може бути зменшена наступними трьома способами:
· Використанням ОВ з меншим діаметром серцевини, що підтримує меншу кількість мод. Наприклад, серцевина діаметром 50 мкм підтримує менше число мод, ніж серцевина в 100 мкм;
· Використанням волокна зі згладженим ППП, щоб світлові промені, що поширюються по довшим траєкторіях, мали велику швидкість і досягали протилежного кінця волокна в той же момент часу, що і промені, що поширюються по коротким траєкторіях;
· Використанням одномодового волокна, що дозволяє уникнути модовой дисперсії.
2. Хроматична дисперсія (у багатьох текстах матеріальна і хромати-чна дисперсії на розділяються).
Хроматична дисперсія обумовлена некогерентного джерел випромінювання, реально працюють в діапазоні довжин хвиль (# 916; # 955;). Механізм появи хроматичної дисперсії зручно описати за допомогою перетворень Фур'є.
Хроматична дисперсія, в свою чергу, ділиться на матеріальну, хвилевідну і профільну (для реальних волокон).
Взяті разом, матері-альна дисперсія (Dм) і хвильове дисперсія (DW) дають те, що носить назву хроматична дисперсія.
Хроматична дисперсія вимірюється в пікосекунди / нанометр-кілометр (пс / (нм · км), теж що і пс / нм / км). Це розширення в пс, що відбувається в імпульсі шириною в 1 нм при про-ходінні по волокну довжиною в 1 км.
Нас, фактично, цікавить дисперсійний параметр D, виражений в пс / нм / км:
Хроматична дисперсія лінії передачі накопичується з ростом прой-денного відстані, це характеризується зміною груповий затримки, віднесеним до одиничної довжині хвилі (пс / нм). Хроматична дисперсія лінії передачі чутлива до:
- збільшення числа ланок тандемного з'єднання і довжиною лінії пе-редачі;
- збільшення швидкості передачі (зауважимо, що збільшення швидкості передачі збільшує швидкість модуляції лазера, збільшуючи, тим са-мим, ширину бічних смуг).
У системах WDM на хроматичну дисперсію впливає (хоча і не настільки істотне):
- зменшення кроку між каналами;
- збільшення числа каналів.
Вплив хроматичної дисперсії зменшується:
- зі зменшенням абсолютної величини хроматичної дисперсії волокна (зменшення величини D);
- при використанні компенсації дисперсії.
Управління хроматичної дисперсією особливо критично в системах WDN.
Матеріальна дисперсія (DМ) викликана тим, що різні довжини хвиль про-ходять через певні матеріали з різними швидкостями. Матеріальна дисперсія, або дисперсія матеріалу, залежить (для прозорого матеріалу) від частоти # 969; (Або довжини хвилі # 955;) і матеріалу ОВ, в якості якого, як правило, використовується кварцове скло.
Все скло. включаючи те, що використовується для виробництва ОВ, демон-стрірует матеріальну дисперсію. тому що його коефіцієнт Ломлячи-ня змінюється з довжиною хвилі.
Матеріальна дисперсія є основним механізмом, що впливає на хроматичну дис-персію в одномодових і градієнтних багатомодових волокнах.
Виникнення дисперсії в матеріалі світловода навіть для одномодових волокон обумовлено тим, що оптичний джерело, збудливий вхід (світловипромінювальних діод - СІД або лазерний діод -ЛД), формує світлові імпульси, які мають безперервний хвильовий спектр певної ширини (наприклад, для СІД це приблизно 35-60 нм, для багатомодових ЛД (ММЛД) - 2-5 нм, для одномодових ЛД (ОМЛД) - 0,01-0,02 нм).
Малюнок 4.6 - Вплив матеріальної дисперсії
Показник заломлення змінюється від довжини хвилі. При цьому рівень дисперсії залежить від діапазону довжин хвиль світла, інжектіруемого в волокно (як правило, джерело випромінює кілька довжин хвиль), а також від центральної робочої довжини хвилі джерела. В області 850 нм довші хвилі (більш червоні) рухаються швидше в порівнянні з більш короткими (більш блакитними) довжинами хвиль. Хвилі довжиною 860 нм поширюються швидше по скляному волокну, ніж хвилі довжиною 850 нм. В області 1550 нм ситуація змінюється: коротші хвилі рухаються швидше в порівнянні з більш довгими; хвиля 1560 нм рухається повільніше, ніж хвиля 1540 нм, (рисунок 4.7).
Малюнок 4.7 - Швидкості поширення довжин хвиль
Довжина стрілок відповідає швидкості довжин хвиль, отже, більш довга стрілка відповідає більш швидкого руху.
Якщо джерело випромінювання має ширину спектра # 916; # 955 ;, щодо # 955 ;, то розширення імпульсу
де - питома дисперсія матеріалу.
Коли одномодове волокно витягується зі скла. геометрична форма і профіль коефіцієнта заломлення вносять суще-жавного внесок в хвильову залежність швидкості імпульсу, поширюючи-ющегося по волокну, тобто в хвилевідну дисперсію.
Волноводная (внутрімодовая) дисперсія обумовлена процесами всередині моди. Вона характеризується напрямними властивостями серцевини ОВ, а саме: залежністю групової швидкості моди від довжини хвилі оптичного випромінювання, що призводить до різниці швидкостей поширення частотних складових випромінюваного спектра. Волноводная дисперсія - це розширення імпульсу, походячи-ний при обмеженні світла направляючої структурою (волокном). Тоді як майже вся світлова енергія в багатомодового волокна Скон-центрована у відносно великий серцевині, в одномодових волокнах світло поширюється і в серцевині і в оболонці. Єдін-ного спрямовується мода тому може розглядатися як рас-ється зі швидкістю, яка визначається ефективним показу-телем заломлення, більшим ніж показник оболонки, але меншим за показник серцевини. Так як діаметр модового поля увеличива-ється з ростом довжини хвилі, то все більше енергії поширюється в оболонці з малим показником заломлення. В результаті получа-ється розширення імпульсу, залежне від структури волокна, тобто - волноводная дисперсія. У волокні хвиля поширюється в двох середовищах - частково в серцевині, а частково - кварцовою оболонці, і для неї показник заломлення приймає якесь середнє значення між значенням показника заломлення серцевини і кварцової оболонки, малюнок 4.8.
Малюнок 4.8 - Виникнення хвилеводної дисперсії
У дисперсійному середовищі фазова швидкість поширення направ-ється мод в межах спектра випромінювання джерела неоднакова, що призводить до різної тимчасової затримки частотних складаючи-чих цих мод. Вже згадана складова дисперсії обумовлюються лена хвилеводними властивостями волокна в припущенні, що зна-чення n1 і n2 не залежить від # 955 ;, і розширення імпульсу
де В (# 955;) - питома волноводная дисперсія.
У реальних ОВ, які можуть бути регулярними (наприклад, з регулярною, спіральної структурою), нерегулярними (наприклад, нерегулярне зміна кордону розділу електричних середовищ) і неоднорідними (наприклад, наявність сторонніх часток). Крім перерахованих вище матеріальної і хвильової складових дисперсії присутній також профільна складова. До прикладів її виникнення ставляться поперечні і поздовжні малі відхилення (флуктуації) геометричних розмірів і форми волокна, наприклад: невеликі еліптичності поперечного перерізу волокна; зміни меж профілю показника заломлення (ППП); осьові і внеосевой провали ППП, викликані особливостями технології виготовлення ОВ.
Поздовжні флуктуації можуть виникати в процесі виготовлення ОВ і ОК, будівництва та експлуатації ВОЛЗ. У ряді випадків профільна дисперсія може зробити істотний вплив на загальну дисперсію. Профільна дисперсія може з'являтися як в багатомодових, так і в одномодових ОВ.
Величина розширення через профільної дисперсії # 964; пр може бути оцінена за формулою
де n-ефективний показник заломлення []; b -нормірованная постійна поширення; m1 -групові показник заломлення серцевини; Г-коефіцієнт локалізації по потужності; v -нормірованная частота; С0-швидкість світла; ; n1 і n2 -Показники заломлення серцевини і оболонки; # 955; -довжина переданої хвилі; L - довжина лінії.
Цей вислів справедливо для одномодових волокон при реальній флуктуації кордону розділу ППП. При наявності інших зовнішніх факторів, що впливають її величина може значно збільшуватися.
Питома профільна дисперсія, виражається в пікосекунди на кілометр довжини світловода і на нанометр ширини спектра.
Результуюче значення розширення імпульсів за рахунок модовой, матеріальної, хвилеводної і профільної дисперсій визначається виразом
3. Поляризаційна модів дисперсія (PMD).
У протяжних ВОЛЗ, в яких досягається компенсація хроматичної дисперсії волокна, основне лінійне спотворення переданого сигналу пов'язано з поляризационной модовой дисперсією (PMD). Вона обумовлена диференціальної групової затримкою між променями з основними станами поляризації. Більш того, розподіл енергії сигналу по різним станам поляризації повільно змінюється з часом, наприклад, внаслідок змін температури навколишнього середовища, що в свою чергу викликає зміну в часі і вимагає запасу потужності через PMD. Крім волокна, PMD може виникнути і в інших компонентах, які використовуються в мережі.
У одномодовом волокні в дійсності може поширеною-няться не одна мода, а дві фундаментальні моди - дві перпенд-кулярние поляризації вихідного сигналу. В ідеальному волокні, в якому відсутні неоднорідності по геометрії, дві моди рас-ється б з однією і тією ж швидкістю. Однак на практиці волокна мають не ідеальну геометрію, що призводить до різної швидкості поширення двох поляризаційних склад-ляющих мод.
Головною причиною виникнення поляризационной модовой дис-персии (# 964; п) є некруглість серцевини одномодового волокна, що виникає в процесі виготовлення або експлуатації волокна, малюнок 4.9.
Малюнок 4.9 - Поява PMD при поширенні світлових імпульсів в ОВ
При виробництві ОВ провідні виробники нормують коефіцієнт поляризаційної модової дисперсії (Т). Він має розмірність (пс /), a tn зростає зі збільшенням рассто-яния L за законом # 964; п = Т.
Частка різних складових в загальній дисперсії залежить від типу волокна. У східчастих ОВ при багатомодовою передачі преоб-ладает межмодовая дисперсії. В одномодових волокнах матеріальних-ва і волноводная дисперсія при певних умовах можуть вза-імно компенсуватися, що обумовлює велику пропуск-ву здатність одномодового волокна. В градієнтних багатомодових ОВ необхідно враховувати межмодовую дисперсії і дисперсію матеріалу.