Молекулярная дисперсия

Различные длины волн (цвета) также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Ранее мы видели, что показатель преломления равен

N = c / V, где

с — скорость света в вакууме
V — скорость, соответствующая длине волны в веществе

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 молекулярной дисперсшй, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии зависит от двух факторов:

Диапазон длин волн света, инжектируемого в волокно. Как правило, источник не может излучать одну длину волны; он излучает несколько. Диапазон длин волн, выраженный в нанометрах, называется спектральной шириной источника. Светодиод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной, чем лазер - около 35 нм для светодиода и от 2 и до 3 нм для лазера.
Центральная рабочая длина волны источника. В области 850 им 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.

На длине волны 1300 нм дисперсия равна нулю. В области длин волн, меньших 1300 нм, дисперсия отрицательна - волны отстают и прибывают позднее. В области свыше 1300 нм волны опережают и прибывают раньше.

Молекулярная дисперсия является основным видом дисперсии в одномодовых системах. Напротив, в многомодовых системах наиболее существенной является модовая дисперсия, так что молекулярной дисперсией можно пренебречь. Во многих случаях модовая дисперсия не играет никакой роли при конструировании волоконных систем. Скорости слишком малы или расстояния слишком незначительны.

Ширина полосы пропускания и дисперсия

Многие производители волокна и оптического кабеля не специфицируют дисперсию в многомодовых изделиях. Вместо этого они указывают произведение ширины полосы пропускания на длин), или просто полосу пропускания, выраженную в мегагерцах-километрах. Полоса пропускания в 400 МГц-км означает возможность передачи сигнала в полосе 400 МГц на расстояние 1 км. Это также означает, что произведение максимальной частоты сигнала на длину передачи может быть меньше или равно 400.

Другими словами, можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как показано на рисунке ниже.

Зависимость дистанции передачи от ширины полосы пропускания для 400 ГМц-км волокна

В одномодовых волокнах спецификация дисперсии необходима. В этом случае дисперсия выражается в пикосекундах на километр и на нанометр спектральной ширины источника (псек/км/нм). Иначе говоря, для заданного одномодового волокна дисперсия в основном определяется спектральной шириной источника: чем шире полоса излучения источника, тем больше дисперсия. Выражение полосы пропускания через одномодовую дисперсии является сложным, его приблизительная оценка может быть получена на основе следующего уравнения:

BW=0.178/(Disp)(SW)(L), где

Disp - дисперсия на рабочей длине волны в сек на нанометр и на километр
SW - ширина спектра источника в нм
L - длина волокна в км

Удвоение полосы излучения источника до 4 нм существенно уменьшает полосу пропускания примерно до 535 МГц. Таким образом, спектральная ширина источника оказывает заметное влияние на качество одномодовых систем.

Затухание

Затуханием называется потеря оптической энергии по мере движения света по волокну. Измеряемое в децибелах на километр, оно изменяется oт 3.1 дБ/км для многомодового волокна до примерно 0.21 дБ/км для одномодового волокна.

Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На заре своего развития оптические волокна работали в окне прозрачности oт 820 до 850 нм. Второе окно относится к области нулевой дисперсии вблизи 1300 нм. Третье окно находится в области 1550 нм. Типичное волокно ее структурой показателя преломления 50/125 имеет затухание 2.5 дБ/км при 850 нм и 1 дБ/км при 1300 нм, что соответствует увеличению эффективности передачи в 30%.

Области высокого затухания находятся вблизи 730, 950, 1250 и 1380 нм. Лучше избегать работы в этих диапазонах. Регулирование потерь в волокне может быть достигнуто выбором соответствующей длины волны для передачи.

Снижение потерь в волокне требует, чтобы источник света работал в области длин волн с наименьшим затуханием.

Важнейшей особенностью затухания в оптическом волокне является его независимость от частоты модуляций внутри полосы пропускания. В медных кабелях затухание увеличивается с частотой сигнала: чем больше частота, тем больше затухание. Сигнал с частотой 25 мегагерц имеет большее затухание в медном кабеле, чем сигнал с частотой 10 мегагерц. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, на которое может быть послан сигнал. Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание.

Затухание в волокне определяется двумя эффектами:

Рассеяние
Поглощение

­ Характеристики волокна (часть 2)

Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью волокна и его геометрической структурой. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях (см. рисунок). Свет перестает быть направленным.

Рассеяние

Релеевское рассеяние знакомо нам по эффекту покраснения небосвода на закате. При этом более короткие голубые длины волн рассеиваются и поглощаются сильнее, чем красные длины волн. В результате только красные длины волн достигают наших глаз, и мы видим красный закат.

Релеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе его производства. В идеале чистое стекло имеет совершенную молекулярную структуру и, как следствие, однородную плотность. В действительности же плотность стекла не является однородной. В результате этого и возникает рассеяние.

Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный

2.5 дБ при 820 нм
0.24 дБ при 1300 нм
0.012 дБ при 1550 нм