. Волноводное уширение в волокне

, (2.3)

где Мg – волноводная дисперсия и Dl – ширина спектра источника. Типичные значения Мg приведены на рис. 2.2. Таким образом, . Видно что в интервале длин волны 800…900 нм волноводная дисперсия имеет намного меньшую величину, чем материальная дисперсия. Например, на волне 0,82 мкм материальная дисперсия равна 110 пс/(нм×км), а волноводная дисперсия – приблизительно 2 пс/(нм×км). Уширением из-за волноводной дисперсии можно без опаски пренебречь для всех систем, кроме работающих в области 1200…1600 нм.

Уширение импульса вследствие материальной и волноводной дисперсии пропорционально ширине спектра источника излучения. Лазерный диод с узкой линией генерации минимизирует это уширение. Однако модовое искажение обычно доминирует в многомодовом волокне со ступенчатым показателем преломления, что делает лазерный диод в значительной степени малоэффективным для снижения уширения импульсов. По этой причине для систем, использующих многомодовые СОВ, обычно выбираются менее дорогие источники типа светоизлучающего диода.

Искажение в одномодовых волоконных световодах

Одномодовые волоконные световоды имеют только волноводную и материальную дисперсию. Как следует, большее влияние на уширение импульсов оказывает материальная дисперсия. Это особенно справедливо для области 0,8…0.9 мкм. Уширение импульса на единицу расстояния (MDl) приведено на рис. 2.3 для одномодового волоконного световода. Отметим, что уширение импульса становится меньшим для более длинных волн и источников излучения с узкой шириной линии. Этот рисунок показывает преимущества лазерных диодов. Произведение длины на ширину полосы пропускания по уровню –3 дБ, указано на правой вертикальной оси рисунка 2.3.

Волноводная дисперсия должна учитываться, если рабочая длина волны близка к 1,3 мкм. При длине волны, на которой материальная дисперсия исчезает, волноводная дисперсия значительна. При 1,3 мкм материальная дисперсия становится отрицательной, в то время как волноводная дисперсия остается положительной.

Компенсация двух видов дисперсии дает нулевое уширение импульса на длине волны, близкой к 1,3 мкм. В этой точке, материальная дисперсия заставляет волны с более короткой длиной перемещаться быстрее, в то время как волноводная дисперсия заставляет волны той же самой длины замедляться. В области, где дисперсия очень низкая, затухание волокна также мало. Системы дальней связи с высокой скоростью передачи информации могут быть созданы при использовании одномодовых волоконных световодов, работающих в интервале длин волн 1,3…1,6 мкм.

Ранее в этой главе было отмечено, что волокна имеют самое низкое затухание в области 1550 нм. Желательно, чтобы на этой длине волны волокно также обладало и самой малой дисперсией. Только что описанное суммирование волноводной и материальной дисперсии указывает, как это можно сделать. Необходимо модифицировать волновод так, чтобы его волноводная дисперсия точно компенсировалась материальной на необходимой длине волны. Это было выполнено путем создания одномодового волокна с треугольной формой изменения показателя преломления (а не со ступенчатым или градиентным изменением). Зависимость дисперсии от длины волны для волокна, созданного таким образом и названного волокном со смещенной дисперсией, показана на рис. 2.4. На рисунке также приведена спектральная зависимость дисперсии для волокна со сглаженной (уплощенной) дисперсией, в котором также использована частичная компенсация волноводной и материальной составляющих дисперсии путем соответствующего видоизменения профиля показателя преломления волокна. Одним из профилей показателя преломления, производящего сглаживание дисперсии, является волокно с депрессированной оболочкой. Это волокно, в котором сердцевина окружена тонкой промежуточной оболочкой, имеющей показатель преломления меньший, чем внешняя оболочка, которая имеет немного больший показатель преломления. Волокно со сглаженной дисперсией может использоваться в широком диапазоне длин волны в области 1330…1600 нм имея равномерное небольшое значение дисперсии.

Желательно разработать одномодовый волоконный световод, имеющий значение n1 близкое к n2, но с большим диаметром сердцевины. Это упростило бы изготовление волокна и увеличило бы допуски, регламентируемые при сварных и разъемных соединениях.

Искажения в градиентном волокне

ГОВ производят намного меньшие многомодовые искажения, чем СОВ. Можно объяснять это, рассматривая траектории и скорости лучей в ГОВ. Осевые лучи перемещают по самому короткому пути. Лучи, которые пересекают волоконную ось под большими углами проходят более длинный путь, но они ускоряются при распространении через области, далекие от оси, где показатель преломления более низкий (вспомним, что v = c/n). В течение времени, затраченного на распространение вдали от оси, внеосевые лучи догоняют осевые. Этот процесс минимизирует многомодовое уширение импульсов. Стандартные многомодовые ГОВ имеют уширение импульсов всего несколько наносекунд на километр или менее. Это намного меньше, чем уширение импульсов в СОВ.

Приближенное выражение для модового уширения импульсов в ГОВ равно

. (2.4)

Как и в случае с СОВ, материальная дисперсия доминирует над волноводной дисперсией в коротковолновой области. Как следует из рисунка 2.2.2, показывающего уширение импульса за счет материальной дисперсии, уширение составляет около наносекунды на километр (или менее) в спектральной области 0,8…0,9 мкм при использовании светодиодного источника. Такой источник губит многие из преимуществ ГОВ, в частности низкие модовые искажения в коротковолновой области спектра. Лазерные диоды с узким спектром излучения более совместимы с многомодовыми волокнами. На длинах волн, близких к 1,3 мкм, дисперсия мала, что делает целесообразным использование светодиода совместно с ГОВ.

2.3 Математическая модель опто-оптического преобразователя (ООП)

ООП будем характеризовать коэффициентом передачи мощности (см. рис. 2.5)

Рисунок 2.5 – Функциональная схема ООП.

Ко = Ро вых(Вт)/Ро вх(Вт) , kо(дБ) = ро вых(дБм) – ро вх(дБм),

где Ро вх и Ро вых – средние значения мощности оптического излучения на входе и выходе соответственно. Для активного ООП, например, оптического усилителя Ко > 1 (kо > 0 дБ), в то время как для пассивного (оптическое волокно, соединитель, аттенюатор, вентиль и др.) Ко < 1 (kо < 0 дБ). В табл. 2.1 приведены значения коэффициента затухания a кварцевого ОВ (основной тип ООП) на различных длинах волн . Например, для ОВ длиной l(км) находим kо(дБ) = a(дБ/км)l(км).