Дисперсия в одномодовых волокнах

ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей

Сообщения

 

Кафедра "Оптические системы связи"

 

Прокопович М.Р.

 

РАСЧЕТ КОМПЕНСАЦИИ ДИСПЕРСИИ НА УЧАСТКЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

 

Методические указания по выполнению курсовой работы

Хабаровск 2008

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Дисперсия в одномодовых волокнах

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия и дисперсия в це­лом сказывается существенно меньше. Здесь проявляются волноводная и материальная диспер­сии и при длине волны порядка 1,3 мкм происходит их взаимная компенсация .

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды, а именно: зависимостью группо­вой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоро­стей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому внутримодо­вая дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и про­порциональна ширине спектра излучения источника , т.е.

, (1)

 

где — удельная внутримодовая дисперсия.

При отсутствии значений его оценка характеризуется выражением:

, (2)

 

а - ширина спектральной линии источника излучения, равная 1 - 3 нм для лазера и 20 - 40 нм для светоизлучающего диода; L - длина линии, км; с - скорость света, км/с.

Материальная дисперсия в ОВ обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны . В реальном ОВ распространение волн дисперсионно, т.е. скорость распространения зависит от частоты (длины волны). Волны различной длины волн (цвета) также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Ранее мы ви­дели, что показатель преломления равен . Он зависит от длины волны.

Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости v в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, ин­жектируемого в волокно (как правило, источник излучает несколько, длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области 850 нм более длинные волны (бо­лее красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм. 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 в области 1300 нм, на­зываемой длиной волны с нулевой дисперсией.

Как и волноводную диспер­сию, материальную дисперсию можно определить через удельную дис­персию по выражению:

 

. (3)

 

Величина определяется экспериментальным путем. Типич­ная картина удельной волноводной и материальной диспер­сии вещества одномодового во­локна приведена на рис. 1. На длине волны 1300 нм равна нулю. В области длин волн выше 1300 нм она отрицательна - волны отстают и прибывают позднее. В области менее 1300 нм волны опе­режают и прибывают раньше.

При разных составах леги­рующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от . Поэтому при ин­женерных расчетах для определения можно использовать выражение:

 

, (4)

 

где можно определить из зависимости .

Поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие разной скорости распро­странения двух взаимоперпендикулярных поляризаций основной моды ОВ. Для оценки это­го вида дисперсии используется выражение:

, (5)

 

где - коэффициент удельной поляризационной дисперсии.

По определению поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной и при определенных услови­ях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше.

Поляризационной дисперсии можно дать следующее пояснение. В ООВ распространяется не одна мода, а две фундаментальные моды - две взаимно перпендикулярные поляризации входного сигнала. В идеальном, т.е. однородном по геометрии, волокне две моды распростра­няются с одинаковой скоростью. Однако реальные ОВ имеют неидеальные геометрические размеры, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными со­стояниями поляризации и, как следствие, к появлению поляризационной модовой дисперсии.

Поэтому результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в со­ответствии с выражением:

 

. (6)

 

В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия достаточно ма­ла и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь и хроматическая дисперсия

 

. (7)

 

где C – коэффициент хроматической дисперсии.

В одномодовых ОВ модовая дисперсия отсутствует, так как по таким волокнам распро­страняется только одна мода или, как отмечалось ранее, две моды в двух разных со­стояниях поляризации, но с одной дисперсионной зависимостью фазового коэффициента(в приближении линейно-поляризованных мод - LP₀, мода в двух взаимоортогональ­ных поляризациях). Другими словами, расширение импульсов в ООВ определяется хрома­тической дисперсией в пределах этой моды.

 

1.2 Одномодовые оптические волокна

 

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, диаметр сердцевины и соотношение показателей преломле­ния сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем может распространять­ся только одна мода. Межмодовая дисперсия в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно (SSF) предназначено для работы в диапазоне длин волн 1285 + 1330 нм, в котором величина хроматической дисперсии достигает минимального, близкого к нулю, значения. Можно также использовать это ОВ в спектральном диапазоне 1525+1565 нм, затухание на этих длинах волн очень мало (-0,2 дБ/км), а коэффициент хроматической дисперсии составляет 16+18 пс/нм-км. Параметры стандартного одномодового ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-T G.652. Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно, применяемое с 1983 г.

Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного одномодового волокна. Первой модификацией ООВ стало волокно со смещенной в область 1550 нм длиной волны ну­левой дисперсии (DSF). В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с об­ластью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого ОВ регламентируются Ре­комендацией ITU-T G.653. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с опти­ческими усилителями, поскольку интервал длин волн, в котором ОВ имеет наилучшие пара­метры по затуханию и дисперсии, совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне. Такой тип волокна предпочтителен как для высокоскорост­ных линий связи с большой длиной регенерационного участка, так и для технологий оптиче­ского уплотнения. Возможно также применение этого ОВ в системах со спектральным уплот­нением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент. Однако эти волокна имеют недостаток, связанный с возникновением нелинейных эффектов (так на­зываемый эффект смешивания некоторых волн), возникающих при использовании оптиче­ского усилителя на основе волокна, легированного эрбием EFDA, в середину рабочего диа­пазона которого попадает длина волны нулевой дисперсии этого волокна.

Второй модификацией ООВ стало волокно с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм, соответствующее Рекомендации ITU-T G.654. Волокна этой модификации на сетях электросвязи не нашли применения.

Следующей модификацией ООВ стало волокно со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF). Внедрение технологии «плотного» частотного уплотнения (DWDM) совместно с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке такого типа опти­ческих волокон. При использовании технологии DWDM в ОВ одновременно вводится большое количество (до 100 и более) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других, информационный поток. Применение этой технологии позволяет радикально повысить пропускную способность оптических линий, но при этом накладывает определенные требования на само ОВ, как на среду передачи оптиче­ского излучения. Основным из них является отсутствие искажений сигнала передаваемого каждой спектральной компонентой по отдельности, что в данном случае эквивалентно от­сутствию хроматической дисперсии, поскольку именно она приводит к искажению цифро­вого сигнала и соответственно возникновению битовых ошибок. Однако при отсутствии хроматической дисперсии возникает проблема нелинейных эффектов, обусловленная высокой мощностью оптических сигналов в волокне, что связано с необходимостью передачи на боль­шие расстояния и применением оптических усилителей при высокой плотности спектральных компонент. Наиболее важным для систем, использующих DWDM-технологии, является эффект четырехволнового смешивания, приводящий через взаимодействие отдельных спектральных компонент со средой (сердцевиной ОВ) к взаимодействию спектральных компонент друг с дру­гом. Из-за этого эффекта после прохождения DWDM сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Как выяснилось, наличие в ОВ некоторого уровня хроматической дисперсии эф­фективно подавляет влияние нелинейных эффектов.

NZDSF-волокно, отвечающее вышеперечисленным требованиям, используется в линиях с большой протяженностью регенерационного участка с DWDM-уплотнением сигнала. Парамет­ры этого волокна регламентируются Рекомендацией ITU-T G.655. Рабочий диапазон для та­ких ОВ 1530÷1565 нм, уровень коэффициента хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1÷6 пс/(нм·км) обеспечивает достаточно низкое значение дисперсии оптического сигнала в волокне. В свою очередь, такой уровень дисперсии достаточно низок для обеспечения скорости передачи до 10 Гбит/с в каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий. Даже без использования DWDM-технологии этот тип волокон обеспечивает большую пропускную способность и протяженность регенерационного участка, чем стандартное одномодовое волок­но. Интересной особенностью является возможность получения волокон с одинаковой по вели­чине, но разной по знаку дисперсией (NZDSF+ и NZDSF- волокна), что дает возможность по­строения линий с близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств.

Выпуск волокон со смещенной ненулевой дисперсией налажен фирмами Fujikura, Lucent Technology и Corning. Волокно TrueWave фирмы Lucent Technologies и волокно SMF-LS фирмы Corning имеют ненулевую дисперсию во всем диа­пазоне полосы пропускания эрбиевого усилителя. Первое волокно обеспечивает положи­тельную величину коэффициента хроматической дисперсии, имея точку нулевой дисперсии вблизи 1523 нм, а второе - отрицательную величину, имея точку нулевой дисперсии не­сколько выше 1560 нм (рис. 2).

При дальнейшем технологическом усовершенствовании фирмой Coming было выпущено волокно NZDSF марки LEAF с большой эффективной площадью для светового поля, предна­значенное для систем спектрального уплотнения с большим числом каналов в диапазоне 1550 нм и внутриканальной скоростью передачи 10 Гбит/с. За счет увеличения эффективной площади для светового потока волокно LEAF увеличвает уровень оптической мощности в сис­теме на 2 дБ по сравнению с обычными волокнами с ненулевой смещенной дисперсией. Это, в свою очередь, приводит к существенным системным преимуществам, улучшению отношения сигнал-шум, снижению уровня ошибок, более длинным усилительным участкам.

Для систем передачи DWDM, использующих не только третье окно прозрачности (от 1530 до 1565 нм), но и четвертое окно (от 1565 до 1620 нм), фирмой Lucent Technologies было предло­жено волокно True Wave RS с уменьшенным наклоном дисперсионной кривой. Это волокно име­ет ненулевую смещенную дисперсию NZDF, что позволило увеличить пропускную способность.

Дальнейшие разработки в области производства оптических волокон позволили открыть пятое окно прозрачности 1350 ÷ 1450 нм, недоступное ранее из-за свойственного ему большо­го затухания, вносимого ионами ОН. Фирма Lucent Technologies представила волокно All-Wave, в котором практически исключается наличие ионов ОН, что позволяет использовать его во всем диапазоне длин волн от 1280 до 1625 нм. Спектральные зависимости затухания в волокнах TrueWave RS, AllWave приведены на рис. 3 и 4 соответственно.

В волокное AllWave в отличие от стандартного одномодового волокна (рис. 4) нет так называемого «водяного пика», т.е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соот­ветствующей спектру поглощения ионов ОН. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км. Данный тип ОВ предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностью регенерационных участков, при одновременном использова­нии всего спектрального диапазона от 1,3 до 1,6 мкм. Пока, правда, нет полной ясности в вопросе долговременной стабильности характеристик данного ОВ, т. е. не решен вопрос появления водяного пика в процессе эксплуатации.

Фирма Corning представила иной тип волокна MetroCor, у него также как и у AllWave отсутствует водяной пик, а смещенная ненулевая дисперсия и в третьем и четвертом окнах прозрачности имеет отрицательный знак. Это волокно предназначено, в основном, для ме­стных и локальных сетей передачи с использованием второго - пятого окон прозрачности.

Перечисленные выше виды волокон относятся к так называемой группе промышленно выпускаемых волокон. В последнее время с развитием оптических усилителей, систем с WDW появились такие специальные виды волокон, как:

• с компенсацией дисперсии DCF (Dispersion Compensating Fiber), используемое в специальных модулях для компенсации дисперсии;

• легированное эрбием EDF (Erbium Doped Fiber), используемое в оптических усилителях типа EDFA;

• легированное неодимом NDF (Neodim Doped Fiber), используемое в оптических усилителях типа NDFA;

• сохраняющее поляризацию на протяжении всего пути распространения излуче­ния, известное как PMF (Polarization Maintaining Fiber) или hi-bi волокна;

• с большой площадью сечения сердечника - порядка 300 * 800 мкм для созда­ния световых потоков большой яркости и мощности, используемое для измере­ний и специальных приложений.