Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой
, материальной и волноводной дисперсийС учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем для многомодовых волокон уширение импульсов
, а для одномодовых волокон .Величина уширения импульса в многомодовых волокнах за счет модовой дисперсии, которая характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода в сечение световода на расстоянии I от начала, может быть рассчитана для ступенчатого и градиентного световода соответственно по формулам
и ,где
— показатель преломления сердцевины; — показатель преломления оболочки; l — длина линии; c— скорость света; — длина связи мод, при которой наступает установившийся режим (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км градиентного волокон);Соответственно пропускная способность градиентного световода в 2/
раз меньше, чем ступенчатого, при одинаковых значениях . Учитывая, что, как правило, , различие пропускной способности указанных световодов может достигать двух порядков.Уширения импульса
в одномодовых волокнах могут быть определены по формулам ; ,где
— относительная ширина спектра излучения; l —длина линии; с — скорость света; — длина волны; — показатель преломления.Для расчета
можно воспользоваться также упрощенными формулами игде
— ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1...4 Нм для лазера и 15...80 Нм для световода; l— длина линии; и — удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно.Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр (длины световода) и нанометр (ширины спектра). Зависимости материальной и волноводной дисперсий для кварцевого стекла приведены на (рис.21).
Как видно из рисунка, с увеличением длины волны
уменьшается и проходит через нуль, а несколько растет. Вблизи мкм происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия приближается к нулевому значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получает широкое применение в одномодовых системах передачи. Однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходится варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.В табл. 4 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.
Таблица 4
Вид дисперсии | Величина дисперсии световода | ||
многомодового | одномодового | ||
ступенчатого | градиентного | ||
Волноводная | Малое значение | Взаимная компенсация | |
Материальная | 2...5 нс/км | 0,1...0,3 нс/км | Малые значения |
Межмодовая | 30...50 нс/км | 2...4 нс/км | — |
Полоса частот | Десятки мегагерц | Сотни мегагерц | Тысячи мегагерц |
Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов.
Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности не является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией.
Затухание ОК растет по закону
. В широкой полосе частот оно весьма стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает за счет дисперсии. Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот. Из рисунка видно, что полоса пропускания одномодовых световодов существенно больше, чем ступенчатых и градиентных.Рис. 9. Зависимость дисперсии (
) и пропускной способности ( ) ОК от длины линииНа рис.9 показан характер зависимостей дисперсии (
) и пропускной способности ( ) оптических кабелей от длины линии. Дисперсия приводит как к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности передачи по ним (l). Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами:для коротких линий (
), у которых уширение импульсов с длиной растет линейно,для длинных линий (
), у которых действует закон изменения величины ширины импульсов,где
— дисперсия на 1 км; — искомое значение дисперсии; —длина линии; —длина линии устанавливающего режима (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км для градиентного волокна).Километрическое значение полосы пропускания определяется величиной уширения импульсов:
Физические процессы в волоконных световодах
В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости
, ОК имеют совершенно другой механизм — они обладают токами смещения , на основе которых действует также радиопередача. Отличие от радиопередачи состоит в том, что волна не распространяется в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис.10).Рис.10 Процесс передачи:
а—радиосвязь; б—волоконно-оптическая связь
Передача волны по световоду осуществляется за счет отражений ее от границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления
. В обычных кабелях носителем передаваемой информации является электрический ток, а в ОК—лазерный луч.