5.1. Определение и виды дисперсии
5.3. Хроматическая (частотная) дисперсия
5.4. Поляризационная модовая дисперсия
5.5. Полоса пропускания оптического волокна
5.6. Измерение полосы пропускания и дисперсии оптических волокон
5.1. Определение и виды дисперсии
Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.
Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ, рисунок 5.1.
Рисунок 5.1 – Искажение формы импульсов вследствие дисперсии
Дисперсия определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ
, (5.1.1)
где значения tивых и tивх определяются на уровне половины амплитуды импульсов.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов. Она в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено. В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (модовая или межмодовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (Δλ) (хроматическая дисперсия). Модовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Механизм появления хроматической дисперсии удобно описать с помощью преобразований Фурье.
Отсутствие искажений при распространении импульсов в одномодовом световоде имеет место, если постоянная распространения b основной моды типа НЕ11 является линейной функцией частоты. Это можно показать следующим образом. Обозначим импульсный сигнал на входе световода gi(t), его преобразование Фурье Gi(t). Тогда импульс после распространения по световоду на расстояние z будет иметь вид:
g0(t)= 
Gi(w) exp [j(wt — b(w)z)]dw . (5.1.2)
После распространения в световоде длины z каждая спектральная компонента получит фазовое приращение b(w)z. Если допустить (как это имеет место на практике), что спектральная ширина сигнала мала по сравнению с частотой оптической несущей w/2π, то функцию b(w) можно разложить в ряд Тейлора в окрестности центральной частоты спектра импульса wc:
b(w)=b(wc)+½w=wc (w – wc) + ½w=wc (w — wc)2/ 2 + … (5.1.3)
Если предположить, что постоянная распространения b(w) есть линейная функция частоты, то ряд Тейлора содержит только два члена и
g0(t)= Gi(w) exp[jw (t — z)]dw = gi(t — z) . (5.1.4)
Из (5.1.4) следует, что при линейной зависимости b(w) от частоты сигнал на выходе световода является неискаженным откликом на входной сигнал (имеется лишь задержка сигнала). Постоянные члены опущены, так как они не влияют на форму импульса.
Нелинейности в постоянной распространения, которые ответственны за этот тип искажений, определяются двумя факторами. Первый из них обусловлен тем, что коэффициенты преломления материала сердечника и оболочки являются функциями частоты (материальная дисперсия). Второй фактор проявляется даже тогда, когда материалы сердечника и оболочки имеют коэффициенты преломления, не зависящие от частоты. В данном случае b сохраняет нелинейную зависимость от частоты вследствие волноводного эффекта (волноводная дисперсия). Иногда ее называют геометрической дисперсией, тем самым подчеркивая его зависимость от геометрии световода как направляющей структуры.
В реальных оптических волокнах, которые могут быть регулярными (например, с регулярной, геликоидальной структурой), нерегулярными (например, нерегулярное изменение границы раздела электрических сред) и неоднородными (например, наличие инородных частиц). Помимо перечисленных выше материальной и волновой составляющих дисперсии присутствует также профильная составляющая. К примерам ее возникновения относятся поперечные и продольные малые отклонения (флуктуации) геометрических размеров и формы волокна, например: небольшие эллиптичности поперечного сечения волокна; изменения границ профиля показателя преломления (ППП); осевые и внеосевые провалы ППП, вызванные особенностями технологии изготовления ОВ [11].
При распространении поляризованной световой волны вдоль оптического волокна при некоторых условиях может наблюдаться ее полная деполяризация. Явление деполяризации усиливается при дифференциальной задержке световых волн, распространяющихся вдоль быстрой и медленной осей волокна. Для оценки дисперсии, возникающей вследствие задержки распространения ортогонально поляризованных световых волн, используется понятие поляризационной модовой дисперсии.
Полная классификация составляющих дисперсии оптического волокна представлена на рисунке 5.2.
