Хроматическая дисперсия. Дисперсия в оптическом волокне. Поляризационная модовая дисперсия
Distinguish mode dispersion, which is caused by a large number of modes in the optical fiber and the chromatic dispersion associated with the incoherence of light sources actually operating in a certain range of wavelengths.
Consider the propagation of the light beam along the multimode fiber. In this case there are two modes, the two beams. The first extends along the longitudinal axis of the fiber, while the other is reflected from the interfaces of media. Thus the path of the second light beam is greater than the first. As a result, when the two beams carrying the electromagnetic energy are added together, compared oblique beam with an axial beam is the time delay, which is calculated by the following formula:
c
– speed of light
l
– fiber length
n
1
,
n
2
– refractive indices of the core and shell
Gradient mode dispersion of optical fibers, usually two orders of magnitude lower than those fibers with a step refractive index profile. Due to the smooth change of the refractive index of the core of an optical fiber decreases the path of the second beam along the fiber. Thereby reducing second time delay relative to the first beam.
The single mode optical fiber mode dispersion, and no increase in pulse duration is determined by the chromatic dispersion, which, in turn, divided into material and waveguide.
Material dispersion phenomenon is called the absolute dependence of the refractive index n material wavelength of light ( n =ϕ λ() ). The waveguide dispersion coefficient is determined by the dependence of the phase β and of the frequency ( β=ϕ ω() ).
Pulse broadening due to chromatic dispersion is calculated using the formula:
τ
m
– pulse broadening due to material dispersion, ps;
τ
B
– broadening of the pulse due to the waveguide dispersion, ps;
∆λ
– the spectral width of the radiation source, nm;
М(λ)
– coefficient of specific material dispersion, ps / nm · km;
В(λ)
– a coefficient of the waveguide dispersion, ps / nm · km.
Consider the effect of material and waveguide dispersion in single-mode fiber. As seen from the graph, an increase in the wavelength dispersion of the material decreases, and at a wavelength of 1.31 m it becomes equal to zero. The wavelength in this case is considered a zero-dispersion wavelength. At the same time more than 1.31 micron dispersion becomes negative. Unbiased waveguide dispersion of fibers is a relatively small value and is in the range of positive numbers. In the development of optical fiber dispersion-shifted, which is based on the waveguide component, trying to compensate for the dispersion of the material to longer wavelengths, ie, a third transparent window (λ = 1,55 m). This shift is carried out reduction of the core diameter, increasing Δ and using the triangular shape of the refractive index profile of the core.
In the propagation of polarized light wave along the optical fiber polarization dispersion occurs. The light wave from the standpoint of the wave theory is a constantly changing magnetic and electric field vector which is perpendicular to the propagation of electromagnetic (light) waves. An example of a light wave may be natural light whose direction of electric vector varies randomly. If the radiation is monochromatic and vectors oscillate with a constant frequency, they can be represented as the sum of two mutually perpendicular components of x and y. The ideal optical fiber is an isotropic medium in which the electromagnetic properties are the same in all directions, for example refractive indices. Media with different refractive indices in two orthogonal axes x and y are called birefringent. Thus in this case, the fiber remains single mode for as two orthogonally polarized modes have the same propagation constant. But this is true only for ideal optical fiber.
In a real optical fiber two orthogonally polarized modes have non-identical propagation constants, so that there is a time delay occurs and the broadening of the optical pulse.
The broadening of the pulse due to polarization mode dispersion (PMD) is calculated as follows:
Therefore, the polarization mode dispersion is manifested only in the single-mode optical fibers with netsirkulyarnoy (elliptical) core and, under certain conditions becomes comparable with chromatic. Therefore, the resulting dispersion single mode optical fiber is determined by the following formula:
Dispersion significantly limits the bandwidth of optical fibers. The maximum bandwidth on the optical line 1 km calculated by the approximate formula:
τ - pulse broadening, ps / km.
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)
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).
Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом расширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение на приёме.
Дисперсия τ - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала, приводящее к расширению длительности импульса на приёме.
Дисперсия определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе кабеля:
τ(l) = , пс/км. (2.8)
Чем меньше значение дисперсии, тем больше ширина полосы пропускания ОВ, тем больший поток информации можно передать по ОВ.
Максимальная ширина полосы пропускания на 1 километр кабеля обратно пропорциональна дисперсии и приближённо равна:
F
= 0, 44/ τ
, Гц (2.9)
Дисперсию классифицируют по причинам происхождения следующим образом:
Рисунок 2.11 – Виды дисперсии
Результирующая дисперсия определяется из формулы:
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления оптического волокна от длины волны λ .
Волноводная
дисперсия обусловлена зависимостью
коэффициента распространения моды
от длины волны
λ
.
Волноводная дисперсия возникает из-за
ограничения света направляющей структурой
(волокном). Тогда как почти вся энергия
в многомодовом ОВ сконцентрирована в
относительно большой сердцевине, в
одномодовых ОВ свет распространяется
и в сердцевине и в оболочке. Единственная
направляемая мода может рассматриваться
как распространяющаяся со скоростью,
определяемой эффективным показателем
преломления, большим чем показатель
преломления оболочки, но меньшим
показателя сердцевины. С ростом длины
волны всё больше энергии распространяется
в оболочке с малым показателем преломления.
В результате получается расширение
импульса, зависящее от структуры волокна,
т. е.волноводная
дисперсия.
Поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) - это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне.
Рисунок 2.12 – Поляризационно-модовая дисперсия
Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. Луч света от источника излучения попадает на вход ОВ. При этом возникает явление двойного лучепреломления . Это означает, что внутри ОВ образуется две волны (моды), которые поляризуется в двух ортогональных (взаимно-перпендикулярных) плоскостях и распространяется в виде двух мод одной волны. Из-за физической асимметрии показателя преломления ОВ эти моды одной волны движутся с разной скоростью.
ПМД также может быть возникать в местах соединения волокон или изгибах. ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен.
Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. В прошлом (лет 15 назад) влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС - сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС.
В многомодовых ступенчатых волокнах определяющей является межмодовая дисперсия , которая обусловлена наличием большого числа распространяющихся мод и различиями времен их распространения по волокну, обычно в многогодовом ОВ τ =20÷50 нс/км.
В градиентных ОВ происходит выравнивание времени распространения различных мод и определяющей является материальная дисперсия , τ =3÷5 нс/км.
В ступенчатых одномодовых ОВ проявляется хроматическая (волноводная и материальная) дисперсия , но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне (Рис.13) при λ = 1,2 ÷ 1,7 мкм. В одномодовых ОВ τ = 5 -17 пс/км.
Возникновение хроматической дисперсии в материале световода обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход ОВ (светоизлучающий диод – СИД или лазерный диод – ЛД), формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектр определенной ширины (например, для СИД это примерно 35-60 нм, для многомодовых лазерных диодов (ММЛД) – 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) – 0,01-1нм). Различные спектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (к концу волокна) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе.
В области от 800 нм до 1270 нм более длинные волны (более красные) движутся по ОВ быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн (рисунок 2.13). Например, волны длиной 860 нм распространяются быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. Это связано с тем, что коэффициент преломления стекла в диапазоне от 800 нм до 1270 нм уменьшается с ростом длины волны, (этим же самым явлением объясняется возникновение радуги). Такая дисперсия называется положительной .
В области от 1270 нм до 1700 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм, т.е. коэффициент преломления стекла в диапазоне от 1270 нм до 1700 нм увеличивается с ростом длины волны. Это явление называют аномальной (отрицательной) дисперсией. Отрицательная дисперсия выражается в том, что более «медленные» спектральные составляющие импульса ускоряются, а «быстрые», наоборот замедляются. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит на длине волны примерно 1270 нм, на этой длине волны материальная дисперсия равна нулю (См. рисунок 2.13 и таблицу 2.1).
Из рисунка 2.13 видно, что на определённой длине волны материальная и волноводная дисперсия противоположны по знаку и равны по величине, т. е. взаимно компенсируются. На этой длине волны хроматическая дисперсия, являющаяся суммой материальной и волноводной дисперсий, равна нулю. Для ОВ эта длина волны - порядка 1312 нм , её называют длиной волны нулевой дисперсии , Таким образом, для одномодового кварцевого волокна хроматическая дисперсия положительна для длин волн λ <1312 нм и отрицательна для длин волн λ >1312 нм, а в окрестности λ = 1312 нм она нулевая.
Таблица 2.1 – Типичные значения удельной материальной дисперсии одномодового ОВ
|
| |||||||||
|
М ( | |||||||||
|
В
( |
,
мкм
),
пс/нм*км
),
пс/нм*кмМатериальная и волноводная дисперсии ОВ пропорциональны ширине спектра излучения источника Δλ. Значения этих дисперсий можно определить через удельную дисперсию по формулам:
;
(2.11)
(2.12)
где М(λ) – удельная материальная дисперсия, значения которой представлены в таблице 2.1, В(λ) –удельная волноводная дисперсия, значения которой представлены в таблице 2.1,Δλ – ширина спектральной линии источника излучения.Измеряется хроматическая дисперсия в единицах: пс/км.
Известно, что для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны 1,55 мкм и дальность связи на этой длине волны ограничивается хроматической дисперсией. Как следует из рисунка 2.13, обычное одномодовое волокно не обеспечивает минимум дисперсии для λ=1,55 мкм, поэтому были разработаны ОВ со смещенной (Dispersion Shifted) дисперсией, которые отличаются конфигурацией профиля показателя преломления (треугольный профиль).
Рисунок 2.14 – Зависимость материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны для ОВ со смещённой дисперсией
На рисунке 2.14 представлены зависимости материальной, волноводной и результирующей дисперсии от длины волны для ОВ со смещённой дисперсией.
При изменении профиля преломления ОВ волноводная дисперсия увеличивается, и компенсация дисперсии осуществляется на другой длине волны – 1,55 мкм, благодаря чему можно оптимизировать ОВ для работы в третьем окне прозрачности, где затухание ОВ минимально.
В результате исследований волокон со смещенной дисперсией было показано, что наилучшие показатели обеспечивают волокна с треугольным профилем, так как они обладают самофокусирующими свойствами и удерживают распространяющиеся лучи в небольшом объеме, прилегающем к оси ОВ.
Хроматическая дисперсия выбрана международным союзом связистов (INU) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию, существует три типа одномодовых оптических волокон:
Стандартное одномодовое волокно (тип G.652). Это наиболее ходовой тип волокна, используется в мире с 1988 года. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на длину волны 1310 нм (минимум хроматической дисперсии), оно может использоваться и в диапазоне длин волн 1525...1565 нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне.
Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией (тип G.653). Называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путем выбора специальной формы профиля показателя преломления смещен в диапазон длин волн λ = 1550 нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно G.653 оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн.
Одномодовое волокно со смещенной в область длин волн λ = 1550 нм ненулевой дисперсией (тип G.655). Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи информации на нескольких длинах волн в диапазоне около 1550 нм. Волокно G.655 разработано для волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов - DWDM-систем (при работе этих систем нулевая дисперсия может привести к возникновению нелинейных эффектов в ОВ).
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.
