Імпульси світла, послідовність яких визначає інформаційний потік, в процесі поширення розпливаються. При досить великому розширенні імпульси починають перекриватися, так що стає неможливим їх виділення на прийомі.
дисперсія # 964; - це розсіювання в часі спектральних і модових складових оптичного сигналу, що приводить до розширення тривалості імпульсу на прийомі.
Дисперсія визначається як квадратична різниця тривалості імпульсів на виході і вході кабелю:
Чим менше значення дисперсії, тим більше ширина смуги пропускання ОВ, тим більший потік інформації можна передати по ОВ.
Максимальна ширина смуги пропускання на 1 кілометр кабелю обернено пропорційна дисперсії і приблизно дорівнює:
F = 0, 44 / # 964 ;. Гц (2.9)
Дисперсію класифікують за причинами походження наступним чином:
Малюнок 2.11 - Види дисперсії
Результуюча дисперсія визначається з формули:
1) межмодовой дисперсія виникає внаслідок різної траєкторії поширення у різних мод по ОВ (рисунок 2.3). Ця дисперсія має місце тільки в багатомодового волокна, величина її може досягати # 964; = 20 - 50 нс / км (більше, ніж у будь-якого іншого виду дисперсії в тисячі разів).
2) Хроматична (частотна) дисперсія, виникає через те, що джерело випромінювання випромінює замість однієї моди кілька мод з різними довжинами хвиль. Ця дисперсія складається з матеріальної і хвилеводної складових і має місце, як в одномодовом ОВ, так і в многомодовом ОВ. Найвиразніше вона проявляється в одномодовом волокні через відсутність межмодовой дисперсії.
Матеріальна дисперсія обумовлена залежністю показника заломлення оптичного волокна від довжини хвилі # 955 ;.
Волноводная дисперсія обумовлена залежністю коефіцієнта поширення моди від довжини хвилі # 955 ;. Волноводная дисперсія виникає через обмеження світла направляючої структурою (волокном). Тоді як майже вся енергія в многомодовом ОВ сконцентрована у відносно великий серцевині, в одномодових ОВ світло поширюється і в серцевині і в оболонці. Єдина спрямовується мода може розглядатися як розповсюджується зі швидкістю, яка визначається ефективним показником заломлення, більшим ніж показник заломлення оболонки, але меншим за показник серцевини. З ростом довжини хвилі все більше енергії поширюється в оболонці з малим показником заломлення. В результаті виходить розширення імпульсу, залежне від структури волокна, т. Е.волноводная дисперсія.
3) Поляризаційно-модів дисперсія (ПМД) - це дисперсія, що викликається різницею в швидкостях поширення двох основних ортогонально-поляризованих мод, існуючих в одномодовом волокні.
Малюнок 2.12 - Поляризаційно-модів дисперсія
Наявність ПМД призводить до того, що результуючий вихідний імпульс світла уширяется в порівнянні з вхідним. Промінь світла від джерела випромінювання потрапляє на вхід ОВ. При цьому виникає явище подвійного променезаломлення. Це означає, що всередині ОВ утворюється дві хвилі (моди), які поляризується в двох ортогональних (взаємно-перпендикулярних) площинах і поширюється у вигляді двох мод однієї хвилі. Через фізичну асиметрії показника заломлення ОВ ці моди однієї хвилі рухаються з різною швидкістю.
ПМД також може бути виникати в місцях з'єднання волокон або вигинах. ПМД впливає на роботу ВОЛЗ так само, як і хроматична дисперсія, але механізм розширення імпульсів в цих випадках різний.
Істотною відмінністю ПМД від хроматичної дисперсії є той факт, що вплив хроматичної дисперсії в лінії можна компенсувати, в той час як методів компенсації впливу ПМД в даний час не існує. У минулому (років 15 тому) вплив ПМД не приймалося до уваги, оскільки швидкості передачі, а також відстані між регенераторами в ВОЛЗ були відносно невеликі. В даний час, коли швидкості передачі досягають сотень Гбіт / с, а відстані між оптичними регенераторами в ВОЛЗ - сотень кілометрів, ПМД стає обмежуючим фактором при розробці ВОЛЗ.
Вмногомодових східчастих волокнах визначальною є межмодовая дисперсія. яка обумовлена наявністю великого числа поширюються мод і відмінностями часів їх поширення по волокну, зазвичай в багаторічних ОВ # 964; = 20 ÷ 50 нс / км.
В градієнтних ОВ відбувається вирівнювання часу поширення різних мод і визначальною є матеріальна дисперсія, # 964; = 3 ÷ 5 нс / км.
У східчастих одномодових ОВ проявляється хроматична (волноводная і матеріальна) дисперсія. але вони майже рівні за абсолютною величиною і протилежні по фазі в широкому спектральному діапазоні (Рис.13) при # 955; = 1,2 ÷ 1,7 мкм. В одномодових ОВ # 964; = 5 -17 пс / км.
Виникнення хроматичної дисперсії в матеріалі світловода обумовлено тим, що оптичний джерело, збудливий вхід ОВ (світловипромінювальних діод - СІД або лазерний діод - ЛД), формує світлові імпульси, які мають безперервний хвильовий спектр певної ширини (наприклад, для СІД це приблизно 35-60 нм, для багатомодових лазерних діодів (ММЛД) - 2-5 нм, для одномодових ЛД (ОМЛД) - 0,01-1нм). Різні спектральні компоненти імпульсу поширюються з різними швидкостями і приходять в певну точку (до кінця волокна) в різний час, приводячи до розширення імпульсу на виході.
В області від 800 нм до 1270 нм довші хвилі (більш червоні) рухаються по ОВ швидше в порівнянні з більш короткими (більш блакитними) довжинами хвиль (рисунок 2.13). Наприклад, хвилі довжиною 860 нм поширюються швидше по скляному волокну, ніж хвилі довжиною 850 нм. Це пов'язано з тим, що коефіцієнт заломлення скла в діапазоні від 800 нм до 1270 нм зменшується з ростом довжини хвилі, (цим же самим явищем пояснюється виникнення веселки). Така дисперсія називається позитивною.
В області від 1270 нм до 1700 нм ситуація змінюється: коротші хвилі рухаються швидше в порівнянні з більш довгими; хвиля 1560 нм рухається повільніше, ніж хвиля 1540 нм, тобто коефіцієнт заломлення скла в діапазоні від 1270 нм до 1700 нм збільшується з ростом довжини хвилі. Це явище називають аномальною (негативною) дисперсією. Негативна дисперсія виражається в тому, що більш «повільні» спектральні складові імпульсу прискорюються, а «швидкі», навпаки сповільнюються. В деякій точці спектра відбувається збіг, при цьому більш блакитні і більш червоні довжини хвиль рухаються з однієї і тієї ж швидкістю. Це збіг швидкостей відбувається на довжині хвилі приблизно 1270 нм, на цій довжині хвилі матеріальна дисперсія дорівнює нулю (Див. Рисунок 2.13 і таблицю 2.1).
З малюнка 2.13 видно, що на певній довжині хвилі матеріальна й хвильова дисперсія протилежні за знаком і рівні за величиною, т. Е.взаімно компенсуються. На цій довжині хвилі хроматична дисперсія, яка є сумою матеріальної і хвилеводної дисперсій, дорівнює нулю. Для ОВ ця довжина хвилі - близько 1312 нм. її називають довжиною хвилі нульової дисперсії. Таким чином, для одномодового кварцового волокна хроматична дисперсія позитивна для довжин хвиль # 955; <1312 нм и отрицательна для длин волн λ>1312 нм, а в околиці # 955; = 1312 нм вона нульова.
Таблиця 2.1 - Типові значення питомої матеріальної дисперсії одномодового ОВ
Матеріальна і хвильова дисперсії ОВ пропорційні ширині спектра випромінювання джерела # 916; # 955; .Значенія цих дисперсій можна визначити через питому дисперсію по формулах:
де М (# 955;) - питома матеріальна дисперсія, значення якої представлені в таблиці 2.1, В (# 955;) - питома волноводная дисперсія, значення якої представлені в таблиці 2.1, # 916; # 955; - ширина спектральної лінії джерела випромінювання. Вимірюється хроматична дисперсія в одиницях: пс / км.
Відомо, що для кварцових ОВ мінімум загасання відповідає довжині хвилі 1,55 мкм і дальність зв'язку на цій довжині хвилі обмежується хроматичної дисперсією. Як випливає з малюнка 2.13, звичайне одномодове волокно не забезпечує мінімум дисперсії для # 955; = 1,55 мкм, тому були розроблені ОВ зі зміщеною (Dispersion Shifted) дисперсією, які відрізняються конфігурацією профілю показника заломлення (трикутний профіль).
Малюнок 2.14 - Залежність матеріальної, хвилеводної і
результуючої дисперсії від довжини хвилі для ОВ зі зміщеною дисперсією
На малюнку 2.14 представлені залежності матеріальної, хвилеводної і результуючої дисперсії від довжини хвилі для ОВ зі зміщеною дисперсією.
При зміні профілю заломлення ОВволноводная дисперсія збільшується, ікомпенсація дисперсії здійснюється на інший довжині хвилі - 1,55 мкм, завдяки чому можна оптимізувати ОВ для роботи в третьому вікні прозорості, де загасання ОВ мінімально.
В результаті досліджень волокон зі зміщеною дисперсією було показано, що найкращі показники забезпечують волокна з трикутним профілем, так як вони мають самофокусірующімі властивостями і утримують поширюються промені в невеликому обсязі, що прилягає до осі ОВ.
Хроматична дисперсія обрана міжнародним союзом зв'язківців (INU) в якості критерію для класифікації одномодових оптичних волокон. Згідно з цим критерієм, існує три типи одномодових оптичних волокон:
1) Стандартне одномодове волокно (тип G.652). Це найбільш ходовий тип волокна, використовується в світі з 1988 року. Параметри (втрати і дисперсія) цього волокна оптимізовані на довжину хвилі 1310 нм (мінімум хроматичної дисперсії), воно може використовуватися і в діапазоні довжин хвиль 1525. 1565 нм, де має місце абсолютний мінімум втрат в волокні.
2) Одномодовое волокно зі зміщеною нульовою дисперсією (тип G.653). Називається так тому, що абсолютний мінімум хроматичної дисперсії шляхом вибору спеціальної форми профілю показника заломлення зміщений в діапазон довжин хвиль # 955; = 1550 нм абсолютного мінімуму втрат в волокні. Волокно G.653 оптимізовано для високошвидкісної передачі на одній довжині хвилі і має обмежені можливості для передачі на декількох довжинах хвиль.
3) Одномодовое волокно зі зміщеною в область довжин хвиль # 955; = 1550 нм ненульовий дисперсією (тип G.655). Волокно оптимізовано для високошвидкісної передачі інформації на декількох довжинах хвиль в діапазоні близько 1550 нм. Волокно G.655 розроблено для волоконно-оптичних систем зі спектральним ущільненням каналів - DWDM-систем (при роботі цих систем нульова дисперсія може привести до виникнення нелінійних ефектів в ОВ).