X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Межмодовая дисперсия - уширение светового импульса при распространении в волокне, связанное с различием времени распространения его компонент (см. рис.1). Межмодовая дисперсия обычно происходит в многомодовом оптоволокне. Когда короткий световой импульс вводится в волокно в пределах числовой апертуры, вся энергия не достигает конца оптоволокна одновременно. Разные моды переносят энергию по разным длинам. Например, многомодовое волокно с сердечником в 50 мкм имеет несколько сотен мод. Это импульс, распространяясь по разным длинам светового пути вызывает межмодовую дисперсию, или более просто, многомодовую дисперсию.

Рис.1 – Ход лучей в оптическом волокне для различных мод

Межмодовая дисперсия преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Расчетные соотношения для указанной дисперсии наглядно и про­сто получаются при лучевом подходе. Следует раздельно рассматривать процесс возникновения модовой дисперсии в ступенчатых и градиентных волокнах. Уширение импульса, передаваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае определяется как разность длин пути лучей, распространяющихся по наи­кратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, введенные в ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рисунок 1), из-за многократных внутренних отражений на границе сердцевина-оболоч­ка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, распространяющимися вдоль оси ОВ.

Отсюда уширение импульса:

где

– максимальное время прохождения лучом, распространяющимся под максимальным к оси волокна углом, расстояния L в волокне,

– минимальное время прохождения лучом, распространяющимся под минимальным углом, расстояния L в волокне,

– показатель преломления сердцевины,

– показатель преломления оболочки волокна,

с – скорость света в вакууме.

Как видно из выражения (1), уширение импульсов тем меньше, чем меньше относительная разность Δ коэффициентов преломления сердцевины и оболочки ОВ. Из этой же формулы следует, что модовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Однако последнее справедливо только при отсутствии взаимодействия между модами. В реальных световодах при значительных длинах линии такое предположение ведет к большим погрешностям расчета модовой дисперсии. Связь между модами в реальном ОВ, вызванная неоднородностями показателя преломления, нерегулярностями геометрических размеров, напряжениями изгиба и растяжения, микротрещинами, разъемными и не­разъемными соединениями отрезков ОВ, всегда имеет место и проявляется обменом энергии между модами. При лучевом подходе это эквивалентно изменению углов наклона лучей к оси световода при их распространении вдоль него.

У входного торца световода наблюдается довольно интенсивное излучение мод, и соответственно стабилизируется модовая структура в сердечнике световода. При этом лишь на некотором расстоянии от входного торца световода, называемом длиной установившейся связи между модами (L_у), наступает относительно постоянное (равновесное) распределение мод, не зависящее от условий ввода излучения в световод.

Модовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется. Так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а удаленных – естественно, больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше. При этом время распространения оптических лучей определяется законом изменения показателя преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, влечет к уменьшению дисперсии.

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия и она достигает больших значений (20-50нс/км).

Вывод:

Модовая дисперсия может быть уменьшена следующими тремя способами:

- использованием ОВ с меньшим диаметром сердцевины, поддерживающей меньшее количество мод. Например, сердцевина диаметром 50 мкм поддерживает меньшее число мод, чем сердцевина в 100 мкм;

- использованием волокна со сглаженным ППП, чтобы световые лучи, распространяющиеся по более длинным траекториям, имели большую скорость и достигали противоположного конца волокна в тот же момент времени, что и лучи, распространяющиеся по коротким траекториям;

- использованием одномодового волокна, позволяющего избежать модовой дисперсии.

Литература

Технологии и кабельные измерения линий связи. [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://izmer-ls.ru – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.03.2018).

Лазерный Портал - коллекция научных материалов о лазерах, оптике, спектроскопии и лазерной технике. [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: www.laserportal.ru – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 20.03.2018).

Код для цитирования: Скопировать