Геометрические параметры оптических волокон. Влияние дисперсии на пропускную способность канала и ширину полосы пропускания. Волокна со смещенной и несмещенной дисперсией. Межмодовая, хроматическая, поляризационная модовая дисперсии, их особенности.
Аннотация к работе
В оптических волокнах импульсы передаются по световодам. В световодах при передаче импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга. В курсе физики дисперсией называется распространение синусоидальных волн разных частот с различными фазовыми скоростями. Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивают длину участка регенерации. Дисперсия также ограничивает ширину полосы пропускания световода.Оптическое волокно представляет собой элемент, переносящий сигнал, подобный металлическому проводнику в проводе.Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки. Оболочка покрыта защитным слоем из акрилатного лака. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8 - 10 мкм.Начнем рассмотрение данного вопроса с волокон с несмещенной дисперсией (стандартные одномодовые волокна). Для их обозначения используют несколько различных сокращений: 1) NDSF - No Dispersion Shifted Fiber (волокно с несмещенной дисперсией). Кроме SM волокон применяются также волокна со смещенной дисперсией (DS - Dispersion Shifted) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS - Non Zero Dispersion Shifted). SM волокна имеют наиболее простую (ступенчатую) форму профиля показателя преломления, а длина волны нулевой дисперсии нм, в них попадает в один из локальных минимумов потерь. Кроме того, среди всех типов одномодовых волокон SM волокна обладают наиболее совершенными геометрическими параметрами и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет достигать минимальных потерь в сростках таких волокон (типичное значение 0,02 ДБ).Дисперсия в оптическом волокне определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено.Основной причиной возникновения межмодовой дисперсии является разность групповых скоростей для разных мод, распространяющихся в световоде (рисунок 3.1). В итоге при отправке одного импульса на приемном конце происходит наложение многих импульсов, поскольку лучи опаздывают на разное время. Опаздывание определяется временем распространения луча, прямо пропорциональным косинусу угла падения. Согласно геометрической интерпретации распространения оптических лучей по оптическому волокну, время распространения луча зависит от угла падения и определяется выражением Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при , а максимальное при ( - критический угол, при котором происходит полное внутреннее отражение), соответствующие им значения времени распространения можно записать как .Хроматическая дисперсия возникает изза того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рисунок 3.2). Примерный ход запаздывания импульсов и коэффициента дисперсии от длины волны излучения показан на рисунке 3.3. Изменение ширины импульсов (в отсутствие потерь или усиления) неизбежно сопровождается изменением их пиковой амплитуды (рисунок 3.4). Рисунок 3.4 - Изменение ширины импульсов сопровождается изменением их пиковой мощности и характеризуется штрафом по мощности В волокне волна распространяется в двух средах - частично в сердцевине, а частично - в кварцевой оболочке, и для нее показатель преломления принимает некое среднее значение между значением показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки (рисунок 3.5).Как и у плоских волн, у поляризационных мод состояние поляризации может быть также любым, однако обычно используют линейно поляризованные моды . Показатель преломления у телекоммуникационных волокон хоть и слабо, но зависит от состояния поляризации света, т.е. эти волокна обладают двулучепреломлением, причем в основном линейным. В нем можно возбудить быструю и медленную поляризационные моды, которые будут распространяться вдоль волокна, не обмениваясь при этом мощностью. Если возбудить одновременно обе поляризационные моды, то состояние света будет периодически изменяться вдоль волокна с периодом, равным длине биений (рисунок 3.9). Двулучепреломление приводит не только к появлению разности фазовых запаздываний поляризационных мод, но и к появлению у них разности групповых запаздываний (DGD - Differential Group Delay) и, соответственно, к уширению импульсов (рисунок 3.10): , (3.14) где - разности групповых запаздываний поляризационных мод на единице длины волокна.Дисперсия, будь то хроматическая, межмодовая или поляризационная модовая, отрицательно влияе
План
Содержание
Введение
1. Понятие дисперсии света
2. Оптическое волокно
2.1 Геометрические параметры оптических волокон
2.2 Волокна со смещенной и несмещенной дисперсией
3. Дисперсия в оптическом волокне
3.1 Межмодовая дисперсия
3.2 Хроматическая дисперсия
3.3 Поляризационная модовая дисперсия
4. Влияние дисперсии на пропускную способность канала и ширину полосы пропускания
Заключение
Список использованных источников
Введение
В межконтинентальных линиях связи и других магистральных линиях, где требуется высокое качество передаваемой информации, применяются одномодовые оптические волокна. В оптических волокнах импульсы передаются по световодам.
В световодах при передаче импульсных сигналов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга. Уширение импульсов обусловлено дисперсией волокон. Дисперсия является также и причиной уменьшения амплитуды импульсов. Таким образом дисперсия является одной из основных оптических характеристик волокон.
В курсе физики дисперсией называется распространение синусоидальных волн разных частот с различными фазовыми скоростями. Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации по световоду при импульсно-кодовой модуляции и при малых потерях ограничивают длину участка регенерации. Дисперсия также ограничивает ширину полосы пропускания световода.
Целью данной работы является изучение влияние дисперсии на оптическое волокно.
Рассмотрим следующие вопросы: 1) Что такое дисперсия света?
2) Принципиальное устройство оптического волокна, его геометрические характеристики; волокна со смещенной и несмещенной дисперсией.
4) Влияние дисперсии на пропускную способность канала и ширину полосы пропускания.
1. Понятие дисперсии света в оптике
Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины) световой волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией
(1.1) где - длина световой волны в вакууме.
Первое экспериментальное исследование дисперсии света было выполнено Ньютоном в 1672 году по способу преломления в стеклянной призме.
Рисунок 1.1 - Исследование дисперсии
Характер дисперсии становится особенно наглядным, если применить метод скрещенных призм. Первая (вспомогательная) стеклянная призма разворачивает пучок света вдоль одного направления (пунктирная полоса на рисунке 1.1, а и б). Вторая призма, изготовленная из исследуемого вещества, отклоняет каждый из лучей в другом направлении. Это отклонение определяется значением для данного вещества, так что получающаяся на экране искривленная радужная полоса наглядно передает ход показателя преломления с длиной волны .
Для всех прозрачных бесцветных веществ функция (1.1) имеет в видимой части спектра вид, показанный на рисунке 1.1, «в». С уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается со все возрастающей скоростью, так что величина , называемая дисперсией вещества, также увеличивается по модулю с уменьшением . Такой характер дисперсии называют нормальным. Рисунок 1.1, «а» соответствует случаю нормальной дисперсии.
Зависимость n от в области нормальной дисперсии может быть представлена приближенно формулой: , (1.2) где a, b, c, … - постоянные, значения которых для каждого вещества определяются экспериментально. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы, полагая
. (1.3)
В этом случае дисперсия вещества изменяется по закону: . (1.4)
Если вещество поглощает часть лучей, в области поглощения и вблизи от нее ход дисперсии обнаруживает аномалию (рисунок 1.1, б). На некотором участке более короткие волны преломляются меньше, чем более длинные. Такой ход зависимости n от называется аномальной дисперсией. [1]
В оптике понятие «дисперсия» обычно связывают с зависимостью показателя преломления от длины волны, а в оптической связи - с явлением уширения световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду.
Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле: . (1.5)
Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон оптического волокна, но и существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов. [2]