Раздел IV

ХРОМАТИЧЕСКАЯ ДИСПЕРСИЯ

§ 16. Понятие дисперсии в оптической связи

В оптике слово «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. В одномодовых волокнах уширение импульсов вызывается двумя эффектами - хроматической дисперсией (D) и поляризационной модовой дисперсией (PMD).

Как правило, превалирует хроматическая дисперсия, а поляризационная модовая дисперсия начинает проявляться при скоростях передачи выше 10 Гбит/с и расстоянии между ретрансляторами в несколько сот километров. Поэтому рассмотрим вначале хроматическую дисперсию. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рис. 1.23).

Примерный ход запаздывания импульсов τ (λ) и коэффициента дисперсии D(λ) от длины волны излучения показан на рис. 1.24 Коэффициент дисперсии D(λ) = (1/L) Δτ/Δλ) рассчитывается по зависимости удельного запаздывания τ (λ) /L от длины волны излучения, где L - длина волокна.

Рис. 1.23. материальная и волновая дисперсии в одномодовом волокне

Рис. 1.24. Зависимость запаздывания τ(λ) и коэффициента дисперсии D(λ) в SM волокне от длины волны λ.

Изменение ширины импульсов (в отсутствие потерь или усиления) неизбежно сопровождается изменением их пиковой амплитуды (рис. 1.25). При этом в первом приближении сохраняется произведение амплитуды импульса на его ширину: P₁Δt₁ = Р₂Δt₂ (площадь импульса не меняется). Изменение пиковой амплитуды импульсов принято характеризовать величиной штрафа по мощности: q = 10 log(Р₁/Р₂). Это же понятие удобно использовать и для характеристики относительной величины уширения импульсов q = 10 log(P₁/P₂) = 10 log(Δt₂/Δt₁). При этом за пороговое значение штрафа по мощности часто принимают уровень q = 2 дБ, что соответствует увеличению ширины импульса примерно в 1.6 раза.

Рис. 1.25. Изменение ширины импульсов сопровождается изменением их пиковой мощности и характеризуется штрафом по мощности: q = 10 log(P₁/P₂) = 10 log(Δt₂/Δt₁)

§ 17. Коэффициент наклона и длина волны нулевой дисперсии

На длине волны нулевой дисперсии А₀ запаздывание минимально (рис. 1.24), и в окрестности этой точки зависимость запаздывания от времени можно приближенно описать положительной параболой

τ(λ)/L = (S/2) (λ – λ₀)². (1.15)

В этом приближении коэффициент дисперсии D(A) линейно зависит от длины волны

D(λ) = (1/L) Δτ(λ) /Δλ = S (λ – λ₀) (1.16)

Знак наклона коэффициента дисперсии (S) положительный. Знак коэффициента дисперсии при λ > λ₀ положительный, а при λ – λ₀ отрицательный.

Размерность коэффициента дисперсии определяется исходя из размерности элементов в формуле: D(λ) = (1/L) Δτ/Δλ. Приращение запаздывания Δt обычно измеряется в пикосекундах (1пс = 10^-12c), длина волокна L — в километрах, ширина спектрального интервала Δλ – в нанометрах (1нм = 10 ^-9 м). Отсюда получаем, что коэффициент дисперсии измеряется в единицах [пс/(нм∙км)]. Соответственно, наклон коэффициента дисперсии S = D(λ) / (λ - λ₀) измеряется в единицах [пс/(нм2∙км)].

Терминология. Параметр D(λ) следует понимать не как дисперсию, а как коэффициент дисперсии или удельную дисперсию (в соответствии с его размерностью). Однако в литературе параметр D(λ) для краткости принято называть дисперсией. Прилагательное в термине «хроматическая дисперсия» также часто опускается. Когда же говорят о дисперсии в линии, то употребляют термин «полная дисперсия».