Прежде чем рассматривать понятие анализатора хроматической дисперсии, обозначим, какие бывают виды дисперсий в оптическом волокне, что такое хроматическая дисперсия (ХД), из каких составляющих она слагается, какие существуют методы ее измерения.
Виды дисперсий
Различают следующие виды дисперсий в световоде:
модовая или межмодовая;
хроматическая (материальная, волноводная);
поляризационная.
Их сумма образует полную дисперсию в оптоволокне.
Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия оказывает влияние на производительность системы. Явление хроматической дисперсии возникает по причине того, что распространение длин волн в оптическом волокне происходит с немного отличной друг от друга скоростью. Как результат, возникает затянутый, а потому неэффективный импульс. Когда значение ХД слишком большое, происходят перекрестная модуляция и потери сигнала. В то же время небольшие контролируемые значения хроматической дисперсии нужны, чтобы устранять нежелательные нелинейные эффекты, такие как четырехволновое смешение.
Для стекла, которое используется при изготовлении оптического волокна, важная характеристика – дисперсия показателя преломления (материальная дисперсия). Она проявляется в зависимости скорости распространения оптического сигнала от длины волны. Помимо того, в момент производства при вытягивании кварцевой нити из стеклянной заготовки возникают различной степени отклонения как по геометрии волокна, так и в радиальном профиле показателя преломления. Геометрия + отклонения от идеального профиля вносят свой существенный вклад в вышеназванную зависимость скорости распространения оптического сигнала от длины волны – это уже называется волноводной дисперсией.
Хроматическая дисперсия является совместным влиянием материальной и волноводной дисперсий.
ХД наблюдается при распространении светового сигнала как в одно-, так и в многомодовом волокне. Но наиболее четко проявляется она в одномоде по причине отсутствия в нем межмодой дисперсии.
Методы измерения ХД
Стандартом ГОСТ Р МЭК 60793-1-42-2013 определяются следующие методы:
фазового сдвига;
спектральной групповой задержки во временной области;
дифференциального фазового сдвига;
интерферометрии.
Анализатор хроматической дисперсии
Анализаторы ХД можно условно разделить на стационарные и полевые.
В настоящее время измерение хроматической дисперсии становится все более критичным для телекомкомпаний и провайдеров, ищущих способы улучшения своих систем путем модернизации их скорости передачи. Современные анализаторы хроматической дисперсии отличаются высокой производительностью, позволяя проводить все виды измерений ХД, в том числе в полевых условиях.
Например, анализатор хроматической дисперсии FTB-5800 производства компании EXFO для всестороннего тестирования ХД в полевых условиях определяет ее посредством метода фазового сдвига . От источника, расположенного с одной стороны линии связи, в оптическое волокно посылается модулированный световой сигнал. На другую сторону данной линии связи различные длины волн приходят с разными сдвигами фаз. Путем измерения этих сдвигов происходит вычисление соответствующих временных задержек и определение значения ХД.
Другие методы измерения ХД
Различают также такой метод, как измерение времени полета (FOTR-168). Например, на нем основана измерительная система CD-OTDR на базе , что позволяет проводить оценку хроматической дисперсии отдельных волокон. При тестировании используется одно волокно и множество длин волн, что определяет увеличение точности измерения, а также сокращение времени тестирования.
Еще один метод – импульсный , регламентированный стандартом ITUT G650. Импульсный метод характеризуется прямым измерением задержки импульсов света с различными длинами волн при прохождении через оптическое волокно заданной длины.
Хроматическая дисперсия
Слово «хроматическая» указывает на то, что этот вид дисперсии связан с цветом или имеет к нему какое-то отношение. Поняв это, вы могли бы предположить, что хроматическая дисперсия должна означать расплывание или диспергирование цвета. В этом случае вы были бы недалеки от истины. Любой световой импульс, как бы точно ни был настроен лазер, содержит в себе целый спектр волн с различными частотами, которые в случае видимого диапазона мы назвали бы различными цветами. Эти лучи будут распространяться вдоль оптического кабеля с различными скоростями, поскольку испытываемое ими сопротивление вещества, для выражения которого используется показатель преломления R, оказывается различным для волн различной длины. Чем больше длина волны, тем больше значение R. Результатом всего этого является то, что по мере распространения сигнала вдоль кабеля волновой пакет расплывается. При достаточно большом расплывании волнового пакета сигнал становится неразборчивым .
При определенной длине волны эти два фактора -- дисперсия в веществе и дисперсия в световоде -- взаимно погашают друг друга. И этой длиной волны, как вы, конечно же, догадались, является 1310 нм. Перейдите на эту длину волны, и дисперсия сведется к минимуму.
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.
Материальная дисперсия
Материальная дисперсия (D M) вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями.
Известно соотношение, определяющее показатель преломления:
где с -- скорость света в вакууме, a v - скорость исследуемой волны в данном материале. Конечно, интересующим нас материалом является кварцевое стекло (SiO2). Проблема в том, что каждая волна распространяется в данном материале со скоростями, несколько отличающимися друг от друга.
Длина волны нулевой дисперсии для оптических волокон зависит также от диаметра сердечника и вклада шага D показателя преломления в сечении волновода в полную дисперсию.
Следует указать, что волноводная дисперсия сдвигает длину волны нулевой дисперсии на 30-40 нм, так что полная дисперсия оказывается равной нулю около 1310 нм для промышленных волокон.
Материальная дисперсия - главная составляющая дисперсии в системах с одномодовым волокном. Для систем с многомодовым волокном вклад материальной дисперсии в полную дисперсию фактически незначителен. Основной здесь является модовая дисперсия.
В процессе эволюции ВОСП работа на длине волны вблизи нуля дисперсии была очень привлекательной. Однако системы с меньшими скоростями работали в полосе прозрачности 1550 нм, где потери на километр кабеля были минимальны. Было бы замечательно, если бы мы смогли перенести область нулевой дисперсии в полосу прозрачности 1550 нм.
Волноводная дисперсия
Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны г = ш(л). Являясь составной частью хроматической дисперсии (так же, как и материальная дисперсия), волноводная дисперсия зависит от ширины передаваемого спектра частот.
Удельная волноводная дисперсия так же, как и удельная материальная дисперсия, выражается в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра (таблица 1).
Таблица 1 - Удельная волноводная дисперсия
Вблизи длины волны л? 1,35 мкм происходит взаимная компенсация материальной и волноводной дисперсии. Из-за этого волна 1,3 мкм получает широкое применение при передаче по одномодовым волокнам, однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм . Поэтому для достижения минимума дисперсии приходится варьировать профиль показателя преломления и диаметр сердечника. При сложном трехслойном профиле показателя преломления можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.
Поляризованная модовая дисперсия
Поляризационной модовой дисперсии (ПМД) можно дать следующее пояснение. В одномодовом ОВ в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации исходного сигнала (две ортогонально поляризованные волны LP 01). В идеальном однородном по геометрии волокне распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ООВ имеют неидеальные геометрические параметры и при внешних воздействиях на них в кабеле, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации, и как следствие к появлению ПМД. Итак ПМД возникает вследствие задержки распространения ортогонально поляризованных световых волн в ООВ с овальным (нециркулярным) профилем сердцевины.
Рисунок 8 - Появление поляризационной модовой дисперсии
Поляризационной модовая дисперсия растет с ростом расстояния по закону:
ф pmd =k pmd (11)
где k pmd -- коэффициент удельной поляризационной дисперсии, который нормируется в расчете на 1 км.
В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь. Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых ОВ с эллиптической (нециркулярной) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (2,5 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной линией излучения 0,1 нм и менее. Проблема поляризационной модовой задержки возникает, например, при обсуждении проектов построения супермагистралей (>100 Гбит/с) городского масштаба.
3.3 ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
Можно выделить четыре основные явления в оптическом волокне, ограничивающие характеристики систем WDM - это хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия первого и второго порядка и нелинейные оптические эффекты.
3.3.1 Хроматическая дисперсия
Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовления волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны - материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это - волноводная дисперсия.
Совместное влияние материальной и волноводной дисперсий называют хроматической дисперсией волокна, рис. 3.16.
Рис.3.16 Зависимость хроматической дисперсии от длины волны
Явление хроматической дисперсии ослабевает по мере уменьшения спектральной ширины излучения лазера. Даже если бы можно было использовать идеальный источник монохроматического излучения с нулевую шириной линии генерации, то после модуляции информационным сигналом произошло бы спектральное уширение сигнал, и тем больше уширение, чем больше скорость модуляции. Есть и другие факторы, приводящие к спектральному уширению излучения, из которых можно выделить чирпирование источника излучения.
Таким образом, исходный канал представлен не единственной длиной волны, а группой длин волн в узком спектральном диапазоне - волновым пакетом. Так как различные длины волн распространяются с разными скоростями (или точнее, с разными групповыми скоростями), то оптический импульс, имеющий на входе линии связи строго прямоугольную форму, по мере прохождения по волокну будет становиться все шире и шире. При большом времени распространения в волокне этот импульс может смешаться с соседними импульсами, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины линии связи влияние хроматической дисперсии возрастает.
Хроматическая дисперсия, как уже говорилось, зависит от материальной и волноводной составляющих. При некоторой длине волны λ o хроматическая дисперсия обращается в ноль - эту длину волны называют длиной волны нулевой дисперсии.
Одномодовое кварцевое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления обладает нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм. Такое волокно часто называют волокном с несмещенной дисперсией.
Волноводная дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. В волокне со сложным профилем показателя преломления, изменяя соотношение между дисперсией среды и дисперсией волновода, можно не только сместить длину волны нулевой дисперсию, но и подобрать нужную форму дисперсионной характеристики, т.е. форму зависимости дисперсии от длины волны.
Форма дисперсионной характеристики является ключевой для систем WDM, в особенности, по волокну со смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.653).
Кроме параметра λ o используют параметр S o , описывающий наклон дисперсионной характеристики на длине волны λ o , рис. 3.17. В общем случае, наклон на других длинах волн отличается от наклона при длине волны λ o . Текущее значение наклона S o определяет линейную составляющую дисперсии в окрестности λ o .
Рис. 3.17 Основные параметры зависимости хроматической дисперсии от длины волны: λ o - длина волны нулевой дисперсии и S o - наклон дисперсионной характеристики в точке нулевой дисперсии
Хроматическую дисперсию τ chr (обычно измеряется в пс) можно рассчитать по формуле
τ chr = D(λ) · Δτ · L ,
где D(λ) - коэффициент хроматической дисперсии (пс/(нм*км)) , а L - протяженность линии связи (км). Заметим, что данная формула не точна в случае ультра узкополосных источников излучения.
На рис. 3.18 раздельно показаны зависимости волноводной дисперсии для волокна с несмещенной (1) и смещенной (2) дисперсией и материальной дисперсии от длины волны.
Рис. 3.18 Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется как сумма материальной и волноводной дисперсий.)
Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к:
увеличению длины и числа участков линии связи;
увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника).
На нее в меньшей степени влияют:
уменьшение частотного интервала между каналами;
увеличение числа каналов.
Хроматическая дисперсия уменьшается при:
уменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна;
компенсации дисперсии.
В системах WDM с обычным стандартным волокном (Рек. ITU-T G.652) хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так как она велика в области длины волны 1550 нм.
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).
Важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его информационную пропускную способность.
По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме (рисунок 3).
Рисунок 3 - Влияние дисперсии
Дисперсия -- это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе 0В:
Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:
Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией),
Направляющими свойствами оптического волокна (волноводной дисперсией),
Параметрами материала, из которого оно изготовлено (материальной дисперсией).
Рисунок 4 - Виды дисперсии
Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны - некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).
Межмодовая дисперсия
Она преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова для всех мод.Различие путей распространения направляемых мод на фиксированной частоте (длине волны) излучения оптического источника приводит к тому, что время прохождения этих мод по ОВ различно. В результате образуемый ими импульс на выходе ОВ уширяется. Величина уширения импульса равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой мод. Указанное явление носит название межмодовой дисперсии.
Формулу расчета межмодовой дисперсии можно получить, рассматривая геометрическую модель распространения направляемых мод в ОВ. Любая направляемая мода в ступенчатом ОВ может быть представлена световым лучом, который при движении вдоль волокна многократно испытывает полное внутреннее отражение от поверхности раздела «сердцевина-оболочка». Исключением является основная мода НЕ 11 , которая описывается световым лучом, движущимся без отражения вдоль оси волокна.
При длине ОВ, равной L, длина зигзагообразного пути, пройденного лучом света, распространяющимся под углом и z к оси волокна, составляет L/cos и z (рисунок 5).
Рисунок 5 - Пути распространения световых лучей в двухслойном ОВ
Скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны л одинакова в рассматриваемом волокне и равна:
где с - скорость света, км/с.
Обычно в ОВ n 1 ? n 2 , поэтому принимает вид:
где - относительное значение показателей преломления сердцевина-оболочка.
Из формулы видно, что уширение импульсов, обусловленное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ эту разность стремятся сделать как можно меньше.
На практике же из-за наличия неоднородностей (главным образом, микроизгибов) отдельные моды при прохождении по ОВ воздействуют друг на друга и обмениваются энергией.
Межмодовую дисперсию в ступенчатых ОВ можно полностью исключить, если соответствующим образом подобрать структурные параметры ОВ. Так, если сделать размеры сердцевины и? настолько малыми, то по волокну будет распространяться на несущей длине волны только одна мода, т. е. модовая дисперсия будет отсутствовать. Такие волокна называются одномодовыми. Они имеют наибольшую пропускную способность. С их помощью могут быть организованы большие пучки каналов на магистралях связи.
Дисперсия импульсов может быть также существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля преломления по сечению сердцевины ОВ. Так, дисперсия уменьшается при переходе к градиентным ОВ. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, ниже на порядок и более чем у ступенчатых волокон .
В таких градиентных ОВ в противоположность ОВ со ступенчатым профилем распространения, лучи света распространяются уже не зигзагообразно, а по волно- или винтообразным спиральным траекториям.