3.7. Эффекты при передаче оптического сигнала

Оптические волокна имеют ряд неотъемлемых физических характеристик. Они влияют на полосу пропускания, затухание и качество сигнала при передаче. В многомодовых волокнах главным фактором, воздействующим на качество сигнала, является модовая дисперсия. Она подробно обсуждалась в разделе 3.4.2.. Следующие разделы подробно рассматривают другие факторы, влияющие на параметры передачи оптического волокна.

Потери, которым подвержены оптические волокна, во многом ведут себя так же, как потери, которым подвержены многие другие физические среды, проводящие электромагнитную энергию. Указанный феномен заключается в экспоненциальном росте потери энергии, которая прямо пропорциональна длине волокна. Это показано на рис. 3.23. Эта диаграмма показывает, что с каждым новым приращением длины волокна выходная мощность уменьшается вдвое, то есть оно поглощает энергию по экспоненциальной зависимости. Здесь стоит заметить, что радиоволны испытывают подобное же затухание при распространении по воздуху или в свободном пространстве.

3.7.1. Хроматическая дисперсия

Главной составляющей дисперсии в многомодовых волокнах является модовая дисперсия. В одномодовых волокнах нет составляющих модовой дисперсии. В одномодовых волокнах, а также многомодовых волокнах с плавным профилем показателя преломления имеют место более сложные проблемы с дисперсией.

Рис.3.23. Кривая затухания для оптического волокна

Есть еще два вида дисперсии, которые нужно обсудить:

• дисперсия материала;
• дисперсия волновода.

Их объединяют вместе и называют хроматической дисперсией.

Причина появления других видов дисперсии заключается в том, что показатель преломления стекла является функцией от длины волны. Следовательно, согласно обсуждавшемуся ранее в данном разделе закону Снелла скорость света также будет функцией от длины волны. Поэтому общие результаты прохождения мод в зависимости от показателя преломления зависят также и от длины волны.

Феномен дисперсии материала возникает из-за того, что источники света излучают сигнал, содержащий набор различных длин волн. Ни один источник света не может произвести лишь одну частоту (длину волны). Он будет производить спектр, распределенный вокруг центральной частоты. Поскольку различные длины волн проходят по одному и тому же материалу, они в действительности будут иметь дело с различными показателями преломления. Касательно закона Снелла это означает, что различные лучи света будут двигаться с различными скоростями. Результат этого сходен по природе (но меньше по значению) с модовой дисперсией, когда лучи света достигают конца волокна в различное время.

Этот феномен особенно заметен при использовании в качестве источников света светодиодов, поскольку они излучают очень широкий спектр длин волн. Однако дисперсия материала значительно меньше по величине по сравнению с модовой дисперсией и обычно не является проблемой при использовании светодиодов, если только система не работает на сравнительно высоких скоростях с длиной волны 850 мкм. Использование в качестве источников света лазеров значительно снижает дисперсию материала, поскольку лазер предоставляет когерентный пучок света с очень узким размахом спектра (то есть диапазоном длин волн).

При производстве одномодовых волокон снижается не только диаметр, но и разница в показателях преломления сердечника и оболочки. Здесь исчезает эффект модовой дисперсии, но значительной проблемой становится материальная дисперсия. Действие материальной дисперсии становится более значительным из-за большей полосы пропускания (скорости передачи данных), ожидаемых от такого волокна. Например, дисперсия в несколько пикосекунд при скорости передачи данных 10 Гбит/с может вызвать серьезные искажения данных. Эту проблему можно частично компенсировать, допустив в одномодовом волокне некоторую долю модовой дисперсии таким образом, что более быстрые , лучи проходят большие расстояния и поэтому прибывают примерно в то же время, что и более медленные лучи. В данном случае более быстрые длины волн проходили бы по модам большего порядка, а более медленные длины волн по модам меньшего порядка.

Второй разновидностью, образующей хроматическую дисперсию, является волноводная дисперсия. Она имеет место в одномодовых волокнах (которые имеют ступенчатый профиль показателя преломления), когда часть световой энергии передается через оболочку. Дисперсия возникает из-за большей скорости прохождения света по оболочке с меньшим показателем преломления, чем по сердечнику с большим показателем преломления. Степень дисперсии волновода зависит от доли световых лучей, проходящих по оболочке.

Хроматическая дисперсия в реальных условиях является мерой изменения показателя преломления в зависимости от длины волны (пс/нм/км). По этой причине меру дисперсии можно рассматривать как положительную или отрицательную. То есть в результате изменения длины волны показатель преломления может возрастать или уменьшаться. Дисперсия v материала имеет положительный наклон, а дисперсия волновода - отрицательный наклон кривой изменения. При длине волны примерно 1300 нм эти два вида дисперсии имеют тенденцию компенсировать друг друга. Это называют длиной волны с нулевой дисперсией. Данный феномен проиллюстрирован на рис. 3.24.

В физическом смысле можно представить, что материальная дисперсия заставляет импульс распространяться быстрее (по сравнению с другими длинами волн), а волноводная дисперсия заставляет импульс распространяться медленнее, поэтому суммарным эффектом является частичное прекращение этого движения.

Рис.3.24. Хроматическая дисперсия и длина волны с нулевой дисперсией

В связи с этим в настоящее время высокоскоростные волоконно-оптические системы связи с наиболее умеренными ценами имеют тенденцию работать на длине волны 1300 нм. Если требуется работа с очень высокими скоростями на длинных дистанциях, используется длина волны 1550 нм. Эти системы связи стоят дороже, поскольку необходимо установить специальное волокно (обсуждаемое далее).

Важно помнить, что хроматическая дисперсия является главным образом функцией от длины волны и не зависит от того, является ли кабель многомодовым или одномодовым.

Поставщики кабелей обычно указывают в технических характеристиках значение ароматической дисперсии. Единица измерения дается в пикосекундах расширения импульса на километр волокна на нанометр спектрального диапазона источника света (полосы пропускания источника). Детали вычисления хроматической дисперсии см. в разделе 8.3.3.

Обычно более предпочтительным является работа на длине волны 1550 нм, поскольку та этой длине волны по сравнению с 1300 нм затухание сигнала меньше. Но, как показано на рис. 3.24, при работе на этой длине волны возникает дисперсия. До некоторой степени можно преодолеть использованием лазерного источника света, излучающего в узком спектральном диапазоне, то есть с очень узкой полосой частот. Этот тип лазера обычно используется на дальних расстояниях. Отметим, что это снижает расширение импульса, возникающее из-за числа передаваемых частот, но не из-за присущей самому волокну хроматической дисперсии.

Другим методом является использование так называемых "волокон со смещенной дисперсией". При этой методике используются волокна, имеющие меньшую хроматическую дисперсию при 1550 нм. Невозможно изменить общее влияние материальной дисперсии, так как она зависит от самого материала стекла: Однако, поскольку волноводная дисперсия образуется за счет того, что некоторая часть световых лучей проходит по оболочке, можно изменить строение сердечника и оболочки (а также добавить дополнительные слои оболочки) таким образом, что волноводная дисперсия сместится ниже и сдвинет длину волны нулевой дисперсии в направлении к 1550 нм. Эта методика хорошо работает лишь при чрезвычайно низком увеличении затухания, но стоимость производства волокон значительно возрастает.

Типичным используемым сегодня волокном со смещенной дисперсией является волокно со смещенной ненулевой дисперсией (non-zero dispersion shifted fiber - NZ DSF). Оно интенсивно используется для систем DWDM, работающих на расстояниях свыше 70 км в диапазоне от 1440 до 1625 нм. Оно помогает также компенсировать другие нелинейные искажения, возникающие в одномодовых системах, такие, как смешивание волн и фазовая модуляция. Типичное для волокна NZ DSF значение дисперсии составляет менее 8 пс/нм/км. Большинство главных производителей волокон имеют коммерчески доступную версию NZ DSF.

Волокна NZ DSF разработаны для использования на высоких скоростях передачи данных и интенсивно используются совместно с 40 Гбит/с лазерами. Обычно устанавливают линии связи без повторителей на расстояниях до 300 км для скорости 2,5 Гбит/с.