Оптический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается за счет естественной дисперсии различного рода (линейные искажения), вызывающей уширение импульсов, а также нелинейных эффектов, основные из которых вызваны нелинейным преломлением и генерацией третьей гармоники (нелинейные искажения).
Дисперсия
Под дисперсией в оптике понимают зависимость фазовой скорости световых волн VФ от частоты. Это же относится и к показателю преломления n, n=n(ω). В этом смысле дисперсия в объемной среде единственна и носит в оптике название хроматической дисперсии, подчеркивая факт разложения света на составляющие в хроматический спектр. Дисперсия называется нормальной (или положительной), если n увеличивается с увеличением частоты ω, и аномальной (или отрицательной), если n уменьшается с увеличением ω. Зависимость фазовой скорости от ω (или λ.) для нормальной и аномальной дисперсий - обратная. Понятие "дисперсия" в световоде уже не единственно и приходится различать три ее вида:
· модовая дисперсия - дисперсия, существующая только в многомодовом волокне и вызванная различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих выхода в разное время, что приводит к уширению входного импульса;
· материальная дисперсия - дисперсия собственно материала световода, существующая независимо от типа волокна (ММ или ОМ) и отличающаяся от
хроматической дисперсии только тем, что она соответствует волноводной (а не объемной) среде;
· волноводная дисперсия - дисперсия, существующая в так называемой волноводной среде, сформированной по меньшей мере двумя средами (в нашем случае сердцевиной и оболочкой).
Модовая дисперсия
Этот тип дисперсии может быть уменьшен двумя путями:
· уменьшением диаметра сердцевины dc;
· изменением профиля показателя преломления (как было описано выше для компенсации модовой дисперсии), т.е. использованием многомодового волокна с плавно изменяемым показателем преломления. В настоящее время многомодовые волокна такого типа используются достаточно широко (часто их называют градиентными).
Материальная дисперсия
Материальная дисперсии, или дисперсия материала, зависит (для прозрачного материала) от частоты ω (или длины волны λ и материала оптоволокна, 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 и только вдали от резонансов может быть описано с приемлемой точностью, например, уравнением Селлмейера:
n2(ω) = l + Σ Rj ωj2/(ωj2 - ω2), (2.25)
где ωj - резонансные частоты, Rj - величина j-ro резонанса, а суммирование по j для объемного кварцевого стекла ведется по первым трем резонансам. Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обусловлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход (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 ЛД (ММЛД) - 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) -0,01-0,02 нм, в специальных случаях он может сужаться до нескольких пикосекунд). Различные спектральные компоненты импульса распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (фазу формирования огибающей импульса) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе и, при определенных условиях, к искажению его формы.
Для описания дисперсии в световоде используется разложение постоянной распространения моды β в ряд Тейлора в окрестности несущей частоты ω0. Линейный член этого разложения, или параметр βi, характеризует групповую скорость движения огибающей импульса - Vr = с/nr (здесь nr - групповой показатель преломления), а квадратичньй член, или параметр β2 характеризует собственно дисперсию группошх скоростей ДГС в волокне,
имеющую размерность [пс2/км]. Она и определяет уширение импульса. Интересно отметить, что в диапазоне длин волн 500-1600 нм β2 почти линейно уменьшается от +70 до -40 [пс2/км], см. рис. 3, принимая нулевое значение на длине волны примерно 1270 нм. Эта длина волны λод называется длиной волны нулевой дисперсии для объемной среды. Для оптоволокна эта длина волны сдвигается до значения порядка 1312 нм, чем и объясняется использование источников излучения 1310 нм для одномодового оптоволокна. Для одномодового кварцевого волокна ДГС положительна для λ< 1312 нм и отрицательна для λ> 1312 нм, а в окрестности λ=13I2 нм она нулевая.
Рис. 3. Зависимость дисперсии кварцевого стекла от длины волны
Из описанного ясно, что для уменьшения материальной дисперсии нужно, с одной стороны, переходить при выборе источников от оптических источников типа СИД к ЛД, а при выборе волокна от ММ к ОМ волокну. С другой стороны, необходимо переходить от источников с длинами волн порядка 850 нм к длинам волн порядка 1310 нм для использования эффекта нулевой дисперсии.
Волноводная дисперсия
Дисперсия реальных световодов отличается от дисперсии объемной среды наличием волноводной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. В результате появляется особая волноводная
составляющая дисперсии, которая складывается определенным образом с дисперсией материала, формируя результирующую дисперсию. Вклад волноводной дисперсии зависит от радиуса сердцевины, разности показателей преломления сердцевины и оболочки и числа оболочек Для описания дисперсии в световоде с учетом ее волноводной составляющей вместо параметра β2 используется дисперсионный параметр D:
D = -2 π с β2 / λ2, (2.26)
Во избежание путаницы, возникающей при чтении ряда публикаций, нужно помнить, что для оптических волокон в справочниках в качестве дисперсионной характеристики приводят зависимость именно этого параметра D, имеющего размерность [пс/км/нм], а не [пс2/км], и знак противоположный знаку дисперсии групповых скоростей. Поэтому и наклон зависимости дисперсионного параметра D от β2 называемый часто наклоном ненулевой дисперсии, будет положительным (а не отрицательным). А фразы в публикациях «в области положительных (или отрицательных) дисперсий» могут на самом деле иметь обратный смысл, так как дисперсия, по определению, положительна при положительном β2 (т.е. отрицательном, а не положительном D).
Действие волноводной составляющей дисперсии сдвигает длину волны нулевой дисперсии до величины λод = 1312 нм (см. рис. 2.6-2, кривая 1) [2]. Этот факт используется при выборе длины волны источника (1310 нм) для работы с одномодовыми ОВ. Используя несколько слоев оболочки и тем самым изменяя параметры волноводного тракта, можно сдвинуть длину волны нулевой дисперсии в диапазон 1500-1600 нм. Для этого оказалось достаточным использовать две оболочки (см. рис. 4, кривая 2) - этот тип оптоволокна получил название - оптоволокна со сдвигом дисперсии (DSF). Используя многослойную оболочку (см. рис. 4, кривая 3 - оболочка имеет 4 слоя), можно добиться почти плоской и близкой к нулевой дисперсионной характеристики (/D/=≤ 1-6 пс/км/нм) в диапазоне длин волн от 1300 до 1650 нм. Так появилось волокно с ненулевой (и маломеняющейся) дисперсией (NZDSF).
Рис.4. Зависимость дисперсионного параметра волокна D от длины волны и числа оболочек: SC - одна оболочке, DC - две оболочки, QС - четыре оболочки
Таким образом, вэлокна со смещенное дисперсией имеют дисперсионную xapактеристикунуль которой смещен в область центра третьего окна - 1550 нм (см. рис. 5). Этот тип ОВ с успехом использовался в синхронных оптических системаx SDH. Учитывая широкое использование систем волнового мультиплексирования, требующих оптимизации показателя преломления не в одной точке а в определенном диапазоне длин волн, например 1530-1561 нм и шире, а также учитывая нежелательную возможность влияние четырехволнового смешения, волокна со смещенной нулевой дисперсией уступили место волокнам с ненулевой дисперсией, показатель преломлешя которой не равен нулю, но мал и слабо меняется в указанном диапазоне волн, формируя почти плоскую дисперсионную характеристику. Показатель преломления таких волокон имеет характерную, форму трезубца, амплитуда центрального зубца которого существенно больше боковых зубцов.
Рис. 5. Зависимость дисперсионного параметра D различных одномодовых ОВ в окне 1550 нм