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 ∆δ определяется непосредственно значениями среднеквадратической длительности на передающей δin и δout соответственно:
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 большего числа мод с различным временем распространения и 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 ∆F, МГц-км, значение которого указывается в паспортных данных на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Стандартные полосы пропускания типовых многомодовых оптически волокон составляют 400...2000 МГц-км.
Реализация высокоскоростных многомодовых ВОЛП требует применения одномодовых лазеров в качестве источников излучения оптоэлектронных модулей ОСП, обеспечивающих скорость передан 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, позволяющем 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 хроматическая и поляризационная модовая дисперсии
Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и различием скоростей распространена отдельных спектральных составляющих оптического сигнала. Хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной дисперсии, и проявляется как в одномодовых, так и многомодовых оптических волокнах:
Материальная дисперсия
Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина oптического 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 :
(1.28)
Где Aj и Вj – коэффициенты Селлмейра, 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/(нмкм), который определяется из известного соотношения:
 |
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 λ=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 λ=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)).
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 λ0, происходит совпадение, при этом и короткие, и длинные волны распространяются с одинаковой скоростью (рис. 1.26 (г)). Так, например, для чистого кварца SiО2 точка нулевой материальной дисперсии соответствует длине волны 1280 нм (рис. 1.25).
Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.
Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптических оптического сигнала, которые приводят к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространения его по ОВ.
Уширение импульса определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе оптического волокна по формуле:
причем значенияи берутся на уровне половины амплитуды импульсов (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8
Рисунок 2.8 - Уширение импульса за счет дисперсии
Дисперсия возникает по двум причина: некогерентность источников излучения и существования большого количества мод. Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) , она состоит из двух составляющих – материальной и волноводной (внутримодовой) дисперсий. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны, волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны.
Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) .
Модовая дисперсия свойственна только многомодовым волокнам и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. В ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова и равна: , где С – скорость света. В этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углом к оси в пределах апертурного угла распространяются в сердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при одинаковой скорости распространения достигают приемного конца в разное время, что приводит к увеличению длительности принимаемого импульса. Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при падающем луче , а максимальное при , то можно записать:
где L – длина световода;
Показатель преломления сердцевины ОВ;
С – скорость света в вакууме.
Тогда значение межмодовой дисперсии равно:
Модовая дисперсия градиентных ОВ на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траектории изменяется. Так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных больше. Лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время рапространения лучей выравнивается, и увеличение длительности импульса становится меньше. При параболическом профиле показателя преломления, когда показатель степени профиля q=2, модовая дисперсия определяется выражением:
Модовая дисперсия градиентного ОВ в раз меньше, чем ступенчатого при одинаковых значениях . А так как обычно , то модовая дисперсия указанных ОВ может отличаться на два порядка.
В расчетах при определении модовой дисперсии следует иметь в виду, что до определенной длины линии называемой длиной связи мод, нет межмодовой связи, а затем при происходит процесс взаимного преобразования мод и наступает установившийся режим. Поэтому при дисперсия увеличивается по линейному закону, а затем, при - по квадратичному закону.
Таким образом, вышеприведенные формулы справедливы лишь для длины . При длинах линий следует пользоваться следующими формулами:
- для ступенчатого световода
- для градиентного световода,
где - длина линии;
Длина связи мод (установившегося режима), равная км – для ступенчатого волокна и км – для градиентного (установлено эмпирическим путем).
Материальная дисперсия зависит от частоты (или от длины волны ) и материала ОВ, в качестве которого, как правило, используется кварцевое стекло. Дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный (резонансный) характер.
Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий волокно (светоизлучающий диод – СИД или полупроводниковый лазер ППЛ) формирует световое излучение, имеющее непрерывный волновой спектр определенной ширины (для СИД это примерно нм, для многомодовых ППЛ - нм, для одномодовых лазерных диодов нм). Различные спектральные компоненты светового излучения распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку в разное время, приводя к уширению импульса на приемном конце и, при определенных условиях, к искажению его формы. Показатель преломления изменяется от длины волны (частоты ), при этом уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, введенного в волокно (как правило, источник излучает несколько длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области I окна прозрачности – более длинны волны (850нм) движутся быстрее по сравнению с более короткими длинами волн (845нм). В области III окна прозрачности ситуация меняется: более короткие (1550нм) движутся быстрее по сравнению с более длинными (1560нм). Рисунок 2.9
Рисунок 2.9 – Скорости распространения длин волн
Длина стрелок соответствует скорости длин волн, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению.
В некоторой точке спектра происходит совпадение скоростей. Это совпадение у чистого кварцевого стекла происходит на длине волны нм, называемой длиной волны нулевой дисперсии материала, так как . При длине волны ниже длины волны нулевой дисперсии параметр имеет положительное значение, в обратном случае - отрицательное. Рисунок 2.10
Материальную дисперсию можно определить через удельную дисперсию по выражению:
.
Величина - удельная дисперсия, , определяется экспериментальным путем. При разных составах легирующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от (таблица 2.3).
Таблица 2.3 – Типичные значения удельной материальной дисперсии
Волноводная (внутримодовая) дисперсия – этим термином обозначается зависимость задержки светового импульса от длины волны, связанная с изменением скорости его распространения в волокне из-за волноводного характера распространения. Уширение импульсов, обусловленное волноводной дисперсией, аналогично пропорционально ширине спектра излучения источника и определяется как:
,
где - удельная волноводная дисперсия, значение которой представлены в таблице 2.4:
Таблица 2.4
– обусловлена дифференциальной групповой задержкой между лучами с основными состояниями поляризации. Распределение энергии сигнала по различным состояниям поляризации медленно изменяется со временем, например, вследствие изменения температуры окружающей среды, анизотропия показателя преломления, вызванная механическими усилиями.
В одномодовом волокне распространяется не одна мода, как принято считать, а две перпендикулярные поляризации (моды) исходного сигнала. В идеальном волокне эти моды распространялись бы с одинаковой скоростью, однако реальные волокна имеют не идеальную геометрию. Главной причиной поляризационной модовой дисперсии является неконцентричность профиля сердцевины волокна, возникающая в процессе изготовления волокна и кабеля. В результате две перпендикулярные поляризационные составляющие имеют разные скорости распространения, что и приводит к дисперсии (рисунок 2.11)
Рисунок 2.11
Коэффициент удельной поляризационно-модовой дисперсии нормируется в расчете на 1км и имеет размерность . Величина поляризационно-модовой дисперсии рассчитывается по формуле:
Из-за небольшой величины ее необходимо учитывать исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача высокоскоростного сигнала (2,5Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.
Коэффициент удельной ПМД типового волокна, как правило, составляет 
.
При взаимодействии электромагнитной волны со связанными электронами диэлектрика отклик среды зависит от оптической частоты Это свойство, называемое хроматической дисперсией, проявляется как частотная зависимость показателя преломления и Возникновение хроматической дисперсии связано с характерными частотами, на которых среда поглощает электромагнитное излучение вследствие осцилляций связанных электронов. Вдали от резонансных частот среды поведение показателя среды хорошо описывается уравнением Селлмейера
где - резонансная частота и величина резонанса. Суммирование в уравнении (1.2.6) производится по всем резонансным частотам вещества, которые вносят вклад в интересующей нас области спектра. В случае оптических волокон параметры определяются путем подгонки измеренных дисперсионных критериев к уравнению (1.2.6) при они зависят от состава сердцевины . Для объемного кварцевого стекла эти параметры такие: мкм, где и с - скорость света в вакууме .
Дисперсия в волоконном световоде имеет определяющее значение при распространении коротких оптических импульсов, так как различные спектральные компоненты спектра импульса распространяются с разными скоростями Даже в тех случаях, когда нелинейные эффекты не важны, дисперсионное уширение импульса может быть вредным для оптических линий связи. В нелинейном режиме сочетание дисперсии и нелинейности может привести к качественно другой картине, которая обсуждается в следующих главах. При математическом описании эффекты дисперсии в световоде учитываются разложением постоянной распространения моды в ряд Тейлора вблизи несущей частоты
Как показано в разд. 2.3, огибающая импульса движется с групповой скоростью а параметр определяет уширение импульса. С показателем преломления и его производными параметры связаны соотношениями
где групповой показатель преломления.
На рис. 1.4 и 1.5 показаны зависимости от длины волны X для кварцевого стекла, полученные с использованием уравнений (1.2.6), (1.2.9), (1.2.10). Замечательно то. что стремится к нулю на длине волны приблизительно 1,27 мкм и становится отрицательным для больших длин волн. Длина волны, на которой часто называется длиной волны нулевой дисперсии Тем не менее следует отметить, что при дисперсия не равна нулю. Описание распространения импульсов вблизи требует включения в разложение (1.2.7) кубического слагаемого. Такие дисперсионные эффекты более высокого порядка могут искажать сверхкороткие оптические импульсы как в линейном, так и в нелинейном режимах .
Рис. 1.4. Зависимость показателя преломления и группового показателя преломления кварцевого стекла от длины волны.
Рис. 1.5. Зависимость Для кварцевого стекла от длины волны. Дисперсионный параметр вблизи 1,27 мкм. Параметр представлен как функция при мкм.
Однако их рассмотрение необходимо только тогда, когда длина волны импульса X приближается к значению в пределах нескольких нанометров.
Кривые, представленные на рис. 1.4 и 1.5, построены для объемного кварцевого стекла. Поведение дисперсии для реальных стеклянных световодов, вообще говоря, отличается от показанного на этих рисунках по следующим двум причинам. Во-первых, сердцевина световода может иметь небольшое количество примесей, таких, как Уравнение (1.2.6) в этом случае следует использовать с параметрами, соответствующими определенному количеству примесных уровней . Во-вторых, наличие волноводной структуры несколько уменьшает эффективный показатель преломления моды по сравнению с показателем преломления в объемном материале и причем это уменьшение зависит от частоты . В результате, чтобы получить полную дисперсию в волоконном световоде, к материальной дисперсии нужно добавить волноводную компоненту. Вообще говоря, волноводный вклад в пренебрежимо мал во всей спектральной области, за исключением области вблизи длины волны нулевой дисперсии где волноводная дисперсия и материальная дисперсия становятся сравнимыми. Основной эффект волноводного вклада состоит в небольшом смещении в длинноволновую область; мкм для типичных световодов. На рис. 1.6 показана измеренная полная дисперсия в одномодовом волоконном световоде . Для количественного выражения дисперсии используется дисперсионный параметр обычно используемый в литературе по волоконной оптике вместо Следующее соотношение
Рис. 1.6. Измеренная зависимость дисперсионного параметра D одномодового световода от длины волны. Длина волны нулевой дисперсии смещена к длине волны 1,312 мкм вследствие вклада волноводной дисперсии в полную дисперсию световода .
устанавливает связь между
Интересный чертой волноводной дисперсии является то, что ее вклад в (или зависит от параметров волокна: радиуса сердцевины а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки Этот факт может использоваться для смещения длины волны нулевой дисперсии к 1,55 мкм, где световоды имеют минимальные потери. Такие световоды со смещенной дисперсией могут в перспективе применяться в оптических системах связи. Можно создавать волоконные световоды с весьма пологой дисперсионной кривой, имеющие малую дисперсию в широком спектральном диапазоне мкм. Это достигается путем использования многих слоев оболочки. На рис. 1.7 показаны измеренные дисперсионные кривые для двух таких световодов с несколькими оболочками, имеющих двух- или трехслойные оболочки вокруг сердцевины. Для сравнения дисперсионная кривая для световода с однослойной оболочкой также показана (штриховой линией). Световод с четырехслойной оболочкой характеризуется низкой дисперсией нм) в широкой спектральной области от 1,25 до 1,65 мкм. Световоды с модифицированными дисперсионными характеристиками полезны для изучения нелинейных эффектов, когда в эксперименте требуются специальные дисперсионные свойства.
Нелинейные эффекты в оптических волокнах могут быть качественно совершенно разными в зависимости от знака дисперсионных
Рис. 1.7. Зависимость дисперсионного параметра от длины волны для трех разных типов волоконных световодов. Метки относятся соответственно к световодам с одной, двумя и четырьмя оболочками.
параметров или Поскольку
параметр обычно называют дисперсией групповых скоростей. На длинах волн параметр (см. рис. 1.5), и говорят, что световод обладает нормальной дисперсией. В режиме нормальной дисперсии высокочастотные компоненты (сдвинутые в синюю область) спектра оптического импульса распространяются медленнее, чем низкочастотные компоненты. Обратная ситуация возникает в режиме так называемой аномальной дисперсии, т. е. когда Как видно из рис. 1.5, стеклянные волоконные световоды обладают аномальной дисперсией в области длин волн, больших длины волны нулевой дисперсии Режим аномальной дисперсии представляет значительный интерес для изучения нелинейных эффектов, так как в этом режиме в оптических волокнах могут существовать солитоны - оптические импульсы, для которых дисперсионные и нелинейные эффекты в точности компенсируют друг друга .
В настоящее время одномодовое волокно занимает господствующее положение в технике волоконно-оптической связи. Это связано с тем, что в отличии от многомодового волокна, в одномодовом волокне поддерживается поперечная пространственная когерентность света и отсутствует межмодовая дисперсия. Хроматическая дисперсия ограничивает скорость и дальность передачи информации по одномодовому волокну с использованием одного спектрального канала.
Хроматическая дисперсия это уширение длительности светового импульса при распространении по волокну, связанное с различием групповых скоростей распространения спектральных составляющих импульса. Источником света в высокоскоростных ВОСП обычно являются полупроводниковые лазеры с достаточно узкой, но конечной шириной спектра излучения.
В одномодовом волокне хроматическая дисперсия возникает вследствие взаимодействия двух явлений – материальной и волноводной дисперсии. Материальная дисперсия возникает из-за нелинейной зависимости показателя преломления кварца от длины волны и соответствующей групповой скорости, в то время как причина волноводной дисперсии является зависимость от длины волны отношения к групповой скорости к диаметру сердцевины и отличие показателя преломления сердцевины и оболочки. Третья составляющая дисперсии, так называемая поляризационная модовая дисперсия (PMD) второго порядка, или дисперсия дифференциальная групповой задержки, определяется поляризационными характеристиками волокна и оказывает влияние, сходное с влиянием хроматической дисперсии. PMD второго порядка устанавливают крайний предел, до которого может быть компенсирована хроматическая дисперсия.
Разброс групповых скоростей, т.е. величина уширения за счет хроматической дисперсии τ хр в линейном приближении прямо пропорционально длине волокна L и ширине спектра Δλ светового импульса.
τхр=Dλ·L·Δλ , (10.3.9)
где D λ – коэффициент хроматической дисперсии (chromatic dispersion coefficient). Это малое изменение задержки светового импульса на участке волокна единичной длины (1 км) при единичном изменении длины волны (1 нм) несущей этого импульса. Единица измерения – пс/(нм·км). Его величина определяется как производная от спектральной зависимости групповой задержки τ д (λ):
Скорость передачи информации волоконно-оптической системы по одному каналу связи максимальна в случае, если групповая задержка не зависит от длины волны, т.е. D λ =0. Длина волны λ 0 , соответствующая этому условию, называется длиной волны нулевой дисперсии . При этой длине волны коэффициент хроматической дисперсии принимает нулевое значение. Единица измерения - нм.
В близи точки нулевой дисперсии зависимость коэффициента хроматической дисперсии от длины волны можно аппроксимировать линейной зависимостью:
, (10.3.11)
где S 0 – наклон спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии (zero-dispersion siope) на длине волны нулевой дисперсии, измеряемый в пс/(нм 2 ·км).
· фазовый метод измерения (Phase shift technique);
· интерферометрический метод (Interferometric technique);
· импульсный метод измерения (Pulse delay technique).
Наиболее распространенным методом измерения дисперсии является фазовый метод и его разновидность, дифференциальный фазовый метод. Эти методы дают наибольшую точность измерений и удобство реализации[Д3].
Сущность фазового метода состоит в сравнении фазы прошедшего через измеряемый световод сигнала с фазой опорного сигнала. Полученные значения сдвига фаз φ(γ)связаны с групповыми задержками формулой:
τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)
где f – частота модуляции сигнала. Измерения задержки должны быть проведены на нескольких длинах волн. Реализовать измерения можно несколькими способами:
· использовать несколько источников излучения с фиксированными длинами волн и широкополосный фотоприемник;
· использовать источник с перестраиваемой длиной волны (перестраиваемый лазер или широкополосный источник с селектором длин волн) и широкополосный фотоприемник;
· использовать широкополосный источники фотоприемник с селектором длин волн.
В случае использования измерителя хроматической дисперсии с перестраиваемой рабочей длиной волны необходимо установить границы спектрального диапазона и шаг изменения длины волны. Структурная схема фазового метода измерения хроматической дисперсии с использованием широкополосного источника излучения и фотоприемника с селектором длин волн представлена на рисунке 10.19.
Сигнал с задающего генератора модулирует мощность излучения источника. Модулированное световое излучение, прошедшее по тестируемому волокну, используется в качестве измеряемого сигнала, подаваемого на фазометр. Тот же сигнал с опорного генератора, подаваемый на фазометр по другому каналу, служит опорным сигналом. Фазометр измеряет сдвиг фаз между опорным и измеряемым сигналом. Измерения повторяются на каждой из выбранных длин волн. Из полученных значений относительного сдвига фаз по формуле (10.3.12) рассчитывается величина относительной задержки для всех длин волн, на которых проводились измерения. Обработка результатов измерения заключается в подборе функциональной зависимости τ(γ), значения которой на измеряемых длинах волн наиболее близки к измеренным значениям.
Международные стандарты рекомендуют для каждого типа волокна и спектрального диапазона измерений выбирать функциональные зависимости в виде некоторых многочленов, представляющих собой степенные функции длины волны γ с неизвестными коэффициентами. В процессе математической обработки измерений вычисляются значения этих коэффициентов. Широко используются, например, трех- или пятичленные функции Солмейера. Развитием фазового метода является дифференциальный фазовый метод (Differential Phase Shift method), когда измеряются относительные фазовые сдвиги и относительные задержки τ 1 и τ 2 двух сигналов на соседних близкорасположенных длинах волн λ 1 и λ 10.
Значение величины дисперсии на длине волны λ 1/2 , равной полусумме длин волн λ 1 и λ 2 , определяется линейной аппроксимацией по формуле:
. (10.3.13)
Интерференционный метод является альтернативным и реализуется по структурной схеме, использующей интерферометр Маха–Цандера и представленный на рисунке 10.20.
Излучение от широкополосного источника после селектора длин волн попадает в интерферометр Маха–Цандера. При линейном перемещении конца волокна, входящего в состав опорного плеча интерферометра, в опорный канал вносится известная разность оптических длин, значение которой позволяет вычислить групповую задержку светового сигнала в тестируемом волокне, расположенном в измерительном плече интерферометра. Интерферометрический метод применяется при измерении характеристик коротких отрезков волокна длиной несколько метров и в основном используется для контроля производственного процесса при изготовлении волокон и компонентов систем передачи.
Импульсный метод измерения хроматической дисперсии. Стандарт ITUT G650 регламентирует также метод, основанный на прямом измерении задержки световых импульсов с различными длинами волн при прохождении через волокно заданной длины (time offlight). В этом методе можно проводить измерения времени задержки оптических импульсов лазеров при прохождении заданного участка волокна «туда и обратно», т.е. при отражении от удаленного конца волокна. Точность измерения CD в этом методе ниже, чем точность измерения фазовым методом из-за меньшей точности измерения временных задержек. Схема установки для проведения измерений при этом остается почти такой же, как и при измерении фазовым методом. Вместо фазометра при измерении импульсным методом необходимо использовать другое устройство, позволяющее измерять относительную временную задержку двух импульсов.
Поскольку точность импульсного метода обратно пропорционально длительности используемых импульсов, то необходимо, чтобы их длительность была не более 400 пс.
Аппаратура для измерения хроматической дисперсии. Поскольку измерения хроматической дисперсии производятся не только на смонтированных линиях для точной компенсации, но и при производстве и разработке компонентов систем передачи, ОВ и ОК, а также для научных исследований, то на рынке существуют устройства различных категорий, предназначенные для измерения значений CD. Их технические параметры варьируются в очень широком диапазоне. Однако сравнение такого большого количества приборов выходит за рамки настоящей статьи, поэтому мы ограничимся здесь лишь измерителями CD, предназначенными для контроля ВОЛС.В настоящее время на рынке представлены приборы ведущих производителей измерительной техники, таких, как Acterna, Anritsu,EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer и белорусского предприятия ИИТ (Институт информационных технологий). Сравнительные характеристики приборов представлены в таблице приложения 7. Приборы, представленные в таблице, условно можно разделить на полевые и стационарные. К категории полевых были отнесены сравнительно небольшие устройства, имеющие автономное питание наряду с питанием от сети. Измерение хроматической дисперсии на основе прямого измерения задержки распространения коротких световых импульсов разных фиксированных длин волн (импульсный метод измерений) представлено в приборе ν-CD1 швейцарской компании Luciol. Постоянство длины волны источников излучения обеспечивается решетками Брэгга, играющими роль узкополосного (0,1 нм) оптического фильтра излучателя. Количество источников может быть произвольным. Погрешность временных измерений составляет 5 пс. Для достижения высокой чувствительности (до 42 дБ) в приборе применяется техника счета фотонов с регистрацией сигналов на уровне 100 дБм. Единственным отечественным производителем измерителей хроматической дисперсии является компания ИИТ (Институт информационных технологий, Беларусь). В приборах этой компании ИД21 (для кабельных заводов и испытательных лабораторий) и ИД22 (для измерения проложенных линий) применяется фазовый метод с 7 источниками излучения для измерения разности фаз синусоидально модулированного сигнала на фиксированных длинах волн. При этом реализовано техническое решение с использованием лавинного фотодиода в качестве смесителя высокочастотных сигналов, что дает возможность применить низкочастотный оптический приемник для регистрации сигнала разности фаз опорного и сигнального каналов и существенно увеличить отношение сигнал/шум. Последующая цифровая обработка сигнала с помощью преобразования Фурье позволяет минимизировать искажения сигналов в приемной части устройства. Приборы ИД21и ИД22 обладают высокими техническими характеристиками (большой динамический диапазон, высокая скорость измерений, батарейное питание, малый вес) и выгодно отличаются низкой стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.
К типичным представителям полевых приборов для измерения CD следует отнести оптические рефлектометры Anritsu (MW9076D1) иActerna (MTS5000e), а также универсальные измерительные платформы CMA5000 компании Nettest и FTB400 с модулем FTB5800компании EXFO. Особый интерес для операторов связи представляют полевые приборы, построенные на модульной основе, так называемые портативные модульные измерительные платформы. Принцип построения таких платформ основан на использовании портативного индустриального компьютера и сменных блоков, выполняющих широкий спектр измерений, таких, как рефлектометрия, измерение вносимых потерь и потерь на обратное отражение, спектральных измерений в системах WDM, измерение ПМД и CD и т.д. Идеология построения полевых приборов на модульной основе впервые была представлена компанией EXFO в 1996 году (FTB300); в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция построения приборов на этом принципе. Приборы компаний Anritsu (MW9076D1),Acterna (MTS5000 c модулем 5083 CD) и Nettest (CMA5000 OTDR/CD) позволяют произвести оценку хроматической дисперсии с использованием излучения лазеров на 4 фиксированных длинах волн: 1310, 1450, 1550 и1625 нм, при этом используется метод измерения временных интервалов прохождения световых импульсов через волокно. Несомненным достоинством этих приборов является малый вес, высокая скорость измерений и дополнительная возможность измерения рефлектограмм. К недостаткам следует отнести несколько меньшую точность измерения дисперсии, связанную не только с применением всего 4 фиксированных источников излучения, но и с меньшей точностью определения временных задержек импульсным методом по сравнению с фазовым, особенно в участках волокна небольшой длины(несколько км).Портативная модульная измерительная система компании Nettest CMA5000, представленная осенью 2002 года, может включать в себя также и модуль измерения хроматической дисперсии, характеристики которого приведены в таблице. Принцип измерения построен на методе измерения сдвига фаз при перестройке длины волны излучающего лазера. В полевом приборе компании EXFO также применяется метод измерения фазового сдвига сигнала, причем в качестве опорной длины волны используется выделенная фильтром компонента широкополосного излучения светодиода. Такое решение обеспечивает процесс измерения с использование модного волокна, без обратной связи с источником излучения для спектральной привязки результатов измерения. В результате появляется возможность измерения длинных участков волокна с однонаправленными элементами, такими, как изоляторы и усилители (до30 усилителей). В частности, сообщалось об успешном измерении 500километровой линии связи с восемью усилителями EDFA. Заметим, что в настоящее время несколько компаний предлагают приборы, выполненные на модульном принципе, что позволяет проводить комбинированные измерения CD и ПМД на основе одной платформы в полевых условиях (см. таблицу). В такой комплектации можно проводить весь комплекс измерений дисперсионных параметров ВОЛС в полевых условиях на базе одного переносного устройства. В заключение можно сделать вывод, что в современных телекоммуникационных системах измерение и компенсация хроматической дисперсии становятся все более насущной задачей. Большой выбор приборов на рынке измерительной техники позволяет успешно решать эту, казалось бы, не простую задачу. Следует отметить, что все основные производители измерительного оборудования, перечисленные выше, представлены в России либо напрямую, либо через российские компании, осуществляющие продажи в рамках дистрибьюторских соглашений.
Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рисунок 3.2).
Примерный ход запаздывания импульсов и коэффициента дисперсии от длины волны излучения показан на рисунке 3.3. Коэффициент дисперсии () рассчитывается по зависимости удельного запаздывания от длины волны излучения, где L - длина волокна.
Рисунок 3.2 - Материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне
Рисунок 3.3 - Зависимость запаздывания и коэффициента дисперсии в SM волокне т длины волны
Изменение ширины импульсов (в отсутствие потерь или усиления) неизбежно сопровождается изменением их пиковой амплитуды (рисунок 3.4). При этом в первом приближении сохраняется произведение амплитуды импульса на его ширину (площадь импульса не изменяется):
Рисунок 3.4 - Изменение ширины импульсов сопровождается изменением их пиковой мощности и характеризуется штрафом по мощности
Изменение пиковой амплитуды импульсов принято характеризовать величиной штрафа по мощности:
Это же понятие удобно использовать и для характеристики относительной величины уширения импульсов
При этом за пороговое значение штрафа по мощности часто принимают уровень q = 2 дБ, что соответствует увеличению ширины импульса примерно в 1,6 раза.
Хроматическая дисперсия представляет собой сумму материальной и волноводной дисперсий: . Пояснить это можно следующим образом. Как уже говорилось, хроматическая дисперсия возникает из-за того, что скорость распространения волны меняется при изменении длины волны. В однородной среде скорость распространения волны может изменяться только из-за зависимости показателя преломления среды от длины волны, что и приводит к появлению материальной дисперсии. В волокне волна распространяется в двух средах - частично в сердцевине, а частично - в кварцевой оболочке, и для нее показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки (рисунок 3.5).
Этот средний показатель преломления может изменяться по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки зависят от длины волны (примерно одинаково). Эта зависимость приводит к появлению материальной дисперсии. Материальная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. Величину материальной дисперсии можно найти из выражения
где - удельная материальная дисперсия.
Во-вторых, потому, что при изменении длины волны, меняется глубина проникновения поля в кварцевую оболочку и, соответственно, меняется среднее значение показателя преломления (даже если значения показателей преломления сердцевины и кварцевой оболочки не меняются). Это чисто волноводный эффект, и поэтому возникающую из-за него дисперсию называют волноводной. Величину волноводной дисперсии можно найти из выражения
где - удельная волноводная дисперсия.
Рисунок 3.5 - Волноводная дисперсия возникает из-за того, что усредненный по диаметру моды показатель преломления изменяется при изменении длины волны
Волноводная дисперсия зависит от формы профиля показателя преломления. В SM волокнах форма профиля показателя преломления ступенчатая с относительно большим диаметром сердцевины и малым скачком показателя преломления. В DS и NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии смещена по сравнению с SM волокнами в длинноволновую сторону.
Для того чтобы сместить длину волны нулевой дисперсии, необходимо уменьшить либо материальную, либо волноводную составляющую хроматической дисперсии. Сделать это можно, изменяя состав примесей, вводимых в сердцевину. Материальная дисперсия слабо зависит от состава легирующих примесей. В больших пределах меняется волноводная дисперсия (за счет изменения формы профиля показателя преломления) (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 - Профили показателя преломления DS и NZDS волокон: а) треугольник на пьедестале, б) трезубец (или W)
