dispersia in fibra optica

33
Introdu cere Fibra optică este un mediu de unde ghidat, foloseşte pentru transmisie lumina (unde optice) şi oferă lăţime de bandă foarte mare. Unda optică purtătoare este modulată la o frecvenţă de 10 13 - 10 16 Hz, adică de 3 pană la 6 ori mai mare decat frecvenţele microundelor. Cu toate acestea, atmosfera este săracă din punct de vedere al mediului de transmisie pentru undele luminoase. Semnalul optic, in formă de impulsuri de lumină generate de o sursă laser, este transmis prin fibra optică. Fibra optică are diametrul cu dimensiuni tipice de la 1000 μm pană la 1500 μm. In condiţii de laborator in cadrul unei fibre au fost formate 512 canale, fiecare din care cu viteza de transfer date OC- 48 (2,488 Gbps); adică pe o singură fibră optică se asigură o viteză sumară de transfer date de 1,27 Tbps = l,27*10 12 bps. Dupa descoperirea fibrelor optice, oamenii de stiinta credeau ca prin fibra se pot transmite o infinitate de lungimi de unda, si astfel satisfacind nevoile omenirii de a comunica de la orce distante cu un flux oricit de mare de informatie. Cercetatorii din domeniul fibrelor optice cautau noi “ferestre” de transparente. Regiunea cu = 1,55 m 3

Upload: rusu-alexandru

Post on 11-Jul-2016

327 views

Category:

Documents


17 download

DESCRIPTION

Dispersia in Fibra Optica

TRANSCRIPT

Introducere

Fibra optică este un mediu de unde ghidat, foloseşte pentru transmisie

lumina (unde optice) şi oferă lăţime de bandă foarte mare. Unda optică purtătoare

este modulată la o frecvenţă de 1013- 1016 Hz, adică de 3 pană la 6 ori mai mare

decat frecvenţele microundelor. Cu toate acestea, atmosfera este săracă din punct

de vedere al mediului de transmisie pentru undele luminoase. Semnalul optic, in

formă de impulsuri de lumină generate de o sursă laser, este transmis prin fibra

optică. Fibra optică are diametrul cu dimensiuni tipice de la 1000 μm pană la 1500

μm. In condiţii de laborator in cadrul unei fibre au fost formate 512 canale, fiecare

din care cu viteza de transfer date OC-48 (2,488 Gbps); adică pe o singură fibră

optică se asigură o viteză sumară de transfer date de 1,27 Tbps = l,27*1012 bps.

Dupa descoperirea fibrelor optice, oamenii de stiinta credeau ca prin fibra se pot

transmite o infinitate de lungimi de unda, si astfel satisfacind nevoile omenirii de a

comunica de la orce distante cu un flux oricit de mare de informatie. Cercetatorii

din domeniul fibrelor optice cautau noi “ferestre” de transparente. Regiunea cu

= 1,55 m cu o atenuare de doar 0.2 dB/km a venit ca un raspuns la asteptarile

lor . Milioane de km de fibra au fost instalate in jurul pamintului creind retele de

comunicatii “high-speed”. Insa odata ce fluxul de date creste, si lungimea fibrelor

creste, este imposibil de evitat pierderile in fibra.

Pierderi in fibra optica

Asa dar exista totusi pierderi de semnal in fibra optica. Principalele

fenomene legate de propagarea undelor electromagnetice prin fibra optica sunt

cele de dispersie si atenuare (difuzia si absorbtia undei electromagnetice )

1. Difuzia (imprastierea) radiatiei in fibra optica optice este determinata in mod

special de diferite neregularitati in mediu, cu dimensiuni mai mici decat lungimea

de unda (difuzia Rayleigh); Atenuarea intensitatii undei in acest caz este

3

proportionala cu -4, ceea ce reprezinta unul din motivele pentru care se lucreaza la lungimi de unda mari (IR).

2. Absorbtia radiatiei electromagnetice se produce ca urmare a interactiunii

dintre fotonii componenti ai fasciculului de radiatie cu electronii din mediul de

propagare. In fibra optica se intalnesc treitipuri de absorbtie:

- absorbtii fotonice urmate de tranzitii electronice intre benzile de energie situate

in domeniul ultraviolet (ca urmare a acestora, fibrele optice sunt opace in acest

domeniu spectral);

- absorbtii fotonice excitand vibratii moleculare in siliciu, care prezinta un spectru

complex in IR (numeroase picuri de absorbtie intre 2 si 25 m); ca urmare a

acestor procese, atenuarea in fibra optica din sticla creste rapid pentru lungimi de

unda mai mari decat 1,7 m, aceasta valoare limita fiind insa mai ridicata pentru

fibrele din materiale cum sunt halogenurile;

- absorbtii pe impuritati: ioni ai metalelor de tranzitie si ioni OH, provenind din

urme de apa; picul de absorbtie cel mai important, datorat ionilor OH, este situat

la 1,39 m, ceea ce impune o concentratie reziduala maxima in apa de ordinul a

10-7 . Din considerentele prezentate mai sus, legate de fenomenele de dispersie si

atenuare in fibra optica, dar si in functie de performantele dispozitivelor

optoelectronice, s-au conturat trei domenii (ferestre) de transmisie utilizate in

comunicatiile optice:

1. 0,8 m < < 0,9 m.

Acest domeniu nu prezinta un minim de atenuare sau dispersie (atenuarea fiind de

2 . 3 dB/km) ci unui optim de utilizare a materialelor cele mai des folosite (SiO2

si aAs),

pentru care tehnologia este cel mai bine pusa la punct;

2. = 1,3

Aceasta fereastra este situata la un minim relativ de atenuare (0,4 . 0,5 dB/km) si

la un minim de dispersie cromatica;

3. = 1,55 m

4

In aceasta fereastra se obtine minimul absolut al atenuarii (0,15 . 0,2 dB/km)

insa dispersia cromatica se poate reduce numai folosind tehnologii costisitoare si

foarte moderne. In afara fenomenelor analizate mai sus, in fibra optica se mai pot

produce pierderi si ca urmare a curburii si a microcurburilor acesteia, precum si la

racordul ei cu alte elemente ale sistemului de transmisie.

Dispersia semnalului in fibra optica. Tipurile de dispersie

De rând cu coeficientul de atenuare în fibrele optice un parametru foarte

important este dispersia, care determină capacitatea de transmisiune pentru

transmiterea informaţiei.

Dispersia este împrăştierea în timp a componentelor spectrale sau modale a

semnalului optic, care duce la mărirea duratei impulsului radiaţiei optice la

propagarea lui prin fibra optică (fig.1) şi se determină prin diferenţa pătratului

duratelor impulsurilor la ieşirea şi intrarea fibrei optice :

(1)

unde valorile ies şi in se determină la nivelul jumătăţii amplitudinii impulsurilor.

Legătura dintre dispersie şi banda de frecvenţă, transmise prin fibra optică,

aproximativ se determină cu relaţia . Deci, dacă , atunci

.

Dispersia nu numai limitează intervalul de frecvenţă în fibra optică, dar

micşorează esenţial distanţa de transmisiune a semnalelor, deci cu cât este mai

lungă linia, cu atât mai mult se măreşte durata impulsurilor. În caz general

dispersia este determinată de trei factori: diferenţa vitezelor de propagare a

modelor direcţionate, proprietăţile de direcţionare a fibrei optice şi parametrii

materialului din care este fabricată fibra optică. În legătura cu acestea cauzele de

bază de apariţie a dispersiei sunt, pe de o parte, numărul mare de mode în fibra

optică (dispersia intermodală), iar pe de altă parte – incoerenţa surselor de radiaţie,

care lucrează real în spectrul lungimilor de undă , (dispersia cromatică).

5

Dispersia intermodală (sau modală) apare în fibrele multimod. Ea este

condiţionată de existenţa numărului mare de mode, timpul de propagare al cărora

este diferit. Pentru fibrele optice cu profilul indicelui de refracţie în trepte viteza de

propagare a undelor electromagnetice cu lungimea de undă este aceeaşi:

(2)

unde c – viteza luminii, km/s.

În acest caz toate razele, care cad la capătul fibrei optice sub unghiurile în

limitele unghiului de apertură a, se transmit în miezul fibrei optice după liniile în

formă de zigzag şi la o aceeaşi viteză de propagare ele ajung la capătul de recepţie

într-un timp diferit, ce evident, duce la mărirea duratei impulsului de recepţie

(fig.1).

Fig.1. Propagarea semnalului prin fibra multimod gradient şi în trepte şi fibra

monomod

6

Impulsul la intrare

Impulsul la ieşire

Fibra optică multimodRaza cu cea mai

mică vitezăRaza cu cea mai

mare viteză

Fibra optică în trepte

Fibra optică gradient

Fibra optică monomod

Toate razele, care cad la capătul fibrei optice sub unghiurile în limitele <n

<а faţă de axă, ajung la dispozitivul de recepţie cu o oarecare abatere de timp, ce

evident, duce la mărirea duratei a impulsului de recepţie.

Dispersia intermodală a fibrelor optice gradient, de regulă, este mai mică în

comparaţie cu fibrele cu profilul indicelui de refracţie în trepte. Aceasta este

condiţionat de faptul, că din cauza micşorării indicelui de refracţie de la axa fibrei

optice spre înveliş viteza de propagare a razelor de-a lungul traiectoriei lor se

schimbă – deci, pe traiectoriile, mai aproape de axă ea este mai mică, iar cele mai

îndepărtate, corespunzător, mai mare. Prin urmare, razele care se propagă cu

traiectorii minime (mai aproape de axă), posedă o viteză mai mică, iar razele, care

se propagă pe traiectorii mai lungi, au o viteză mai mare. În rezultat timpul de

propagare al razelor se egalează şi mărirea duratei impulsului devine mai mică.

Durata impulsului din cauza dispersiei modale se caracterizează prin timpul

de creştere al semnalului şi se determină ca diferenţa între timpul maxim şi minim

de trecere a razei prin secţiunea ghidului de undă la distanţa l de la început.

Conform legilor opticii geometrice timpul de propagare al razei în fibra

optică multimod în trepte depinde de unghiul de cădere n şi se determină prin

expresia:

(3)

unde L – lungimea ghidului de undă, km; п1 – indicele de refracţie al miezului

fibrei optice; c – viteza luminii, km/s.

Deoarece timpul minim de propagare al razei optice are loc pentru n = 0, iar

maximum pentru n =cr, valorile corespunzătoare ale timpului de propagare pot fi

scrise în felul următor:

şi (4)

din unde rezultă valoarea dispersiei intermodale:

, (5)

unde mod – dispersia intermodală, ps.

7

Din ultima expresie rezultă, că dispersia intermodală creşte cu mărirea

lungimii fibrei. Însă această dependenţă are loc numai pentru fibra ideală, în care

interacţiune între mode lipseşte. În condiţii reale existenţa neomogenităţilor,

răsucirea şi îndoirea fibrei duc la treceri permanente a energiei din unele mode în

altele, adică la interacţiunea modelor, în legătură cu care fapt dispersie devine

proporţională cu . Această influenţă nu apare de odată, dar la o anumită distanţă

de trecere a undei de lumină, care poartă denumirea de lungimea de influenţă a

modelor şi este egală cu 5 – 7 km pentru fibrele cu profilul indicelui de refracţie în

trepte şi 10 –15 km pentru fibra gradient. Ea este stabilită pe cale empirică.

În fibrele multimod gradient timpul de propagare a razelor optice se

determină cu ajutorul legii de variaţie a indicelui de refracţie şi la anumite condiţii

ea se egalează, ce, evident, micşorează dispersia. Deci, la un profil al indicelui de

refracţie parabolic, când parametrul profilului indicelui de refracţie ia valoarea u =

2,

. (6)

Cele mai mici întârzieri de grup din toate profilurile indicelui de refracţie se

obţin pentru parametrul profilului indicelui de refracţie и = иоpt, adică иоpt = 2(1-

). Cu aceasta mod obţine cea mai mică valoare (fig.2), egală cu:

(7)

Din figură se observă că mod poate fi reprezentat sub forma

(8)

Caracterul curbei din figură demonstrează faptul, că pentru minimizarea

dispersiei este necesar de a dirija foarte minuţios cu valoarea lui u, ce în practică

este un lucru foarte greu. Dar orice schimbare a profilului, care se apropie de forma

parabolică, micşorează esenţial dispersia modală într-o astfel de fibră gradient.

La analiza expresiilor (5) şi (6) se observă, că dispersia intermodală a fibrei

optice gradient este de /2 ori mai mică, decât pentru fibrele optice cu profilul

indicelui de refracţie în trepte pentru aceleaşi valori ale lui n1 şi . Dar deoarece de

8

obicei 1%, atunci dispersia intermodală a fibrelor optice menţionate pot să

difere de două ori.

Fig.2. Dependenţa dispersiei modale sp de parametrul profilului indicelui de

refracţie u în fibrele optice gradient

În calculele inginereşti la determinarea dispersiei intermodale trebuie de luat

în vedere, că pentru o anumită lungime a liniei Lc nu există o influenţă intermodală,

iar mai apoi la L>Lc are loc procesul de transformare a modelor şi apare regimul

stabilit. De aceea cum se observă din fig.3, la început pentru L<Lc, dispersia creşte

după o lege liniară, iar mai apoi, pentru L>Lc – după o lege pătratică. Prin urmare,

formulele arătate mai sus pentru calculul dispersiei modale sunt corecte numai

pentru lungimea liniei L<Lc.

La lungimile liniei L>Lc trebuie de folosit următoarele expresii:

(9)

unde L – lungimea liniei, km; Lc – lungimea de legătură a modelor (regimul

stabilit), km (5-7 km – pentru fibra cu profilul indicelui de refracţie în trepte şi 10-

15 km – pentru fibra cu profilul indicelui de refracţie gradient).

9

Fig.3. Lungimea de interacţiune a modelor

Proprietăţile de dispersie a diferitor tipuri de fibre optice, care sunt obţinute

după recomandaţiile ITU-TG.651 şi G.652, sunt reprezentate în tab.1. În ghidurile

de undă în trepte la o transmisiune multimod domină dispersia modală şi ea atinge

valori foarte mari (20 – 50 ns/km).

Dispersia modală poate fi micşorată prin următoarele trei metode:

- folosirea fibrelor optice cu un diametru mai mic a miezului, care asigură un

număr mai mic de mode. De exemplu, miezul cu diametrul de 100 m conţine un

număr mai mic de mode, decât miezul de 200 m;

- folosirea fibrelor optice cu profilul indicelui de refracţie atenuat, pentru ca

razele de lumină, care parcurg traiectorii mai lungi, să aibă viteza, care întrece

valoarea medie, şi să ajungă la celălalt capăt a fibrei în acelaşi moment de timp, ca

şi razele, care se propagă pe traiectoriile scurte;

- folosirea fibrei optice monomod, care permite de a înlătura dispersia

modală.

În ghidurile de undă în trepte monomod dispersia modală lipseşte şi în

general valoarea dispersiei are o valoare foarte mică. Aici apare dispersia materială

10

şi ondulatorie (ghid de undă) şi la lungimea de undă 1,3 m are loc

intercompensarea ( ).

Dispersia intramodala (cromatica) se produce pentru fiecare mod in parte,

ca urmare a diferentei dintre viteza de faza si cea de grup a undei. Ea este

datorata pe de o parte mediului optic al fibrei (dispersie de material) si, pe de alta parte, ghidului, mai exact caracteristicilor geometrice ale acestuia (dispersia de

ghid).

Dispersia cromatica duce la limitarea debitului prin faptul ca, cu cat acesta

este mai ridicat, cu atat impulsurile sunt mai scurte si mai apropiate unele de altele,

ducand pana la suprapunerea acestora si la imposibilitatea decelarii lor

individuale.

Fig.4. Dispersia cromatica

Dispersia neliniara nu permite cresterea arbitrara a energiei semnalului

pentru a diminua rata erorilor; peste un anumit prag al intensitatii, efectul

dispersiei liniare duce la cresterea acestei rate. Solutia depasirii limitarilor

datorate dispersiei vine astfel din partea transmisiei solitonice. Impulsul luminos

(pachetul de unde) este

constituit din mai multe unde sinusoidale (moduri), fiecare caracterizata de o

anumita amplitudine si o anumita frecventa. Ca urmare a dispersiei cromatice, in

11

timp pachetul de unde tinde sa se destrame (are loc largirea temporala a lui). La

intensitati suficient de mari, se produce efectul electrooptic patratic (efectul Kerr),

care face ca indicele de refractie al materialului (si, deci, viteza de propagare a

undei) sa depinda de intensitate. Daca acest efect este exploatat de asa natura incat el sa compenseze exact efectul de dispersie cromatica, impulsul se propaga fara deformare, conservandu-si integritatea: aceasta este “unda solitara” sau

“solitonul”. Comunicatiile solitonice

au atins debite de 20 -100 Gbit/s, fata de cele clasice, care sunt limitate la maxim

10 Gbit/s.

Dispersia ondulatorie (in ghid de unda) este condiţionată de procesele în

interiorul modei. Ea se caracterizează de proprietăţile de direcţionare a miezului

fibrei optice, şi anume: dependenţa vitezei de grup a modei de lungimea de undă a

radiaţiei optice, ce duce la diferite viteze de propagare a componentelor de

frecvenţă a spectrului radiat. De aceea dispersia ondulatorie, în primul rând, este

determinată de profilul indicelui de refracţie a fibrei optice şi este proporţională

lăţimii spectrului sursei de radiaţie , adică

(10)

unde B () – dispersia ondulatorie specifică.

În lipsa valorii B() valoarea GU este caracterizată prin expresia:

(11)

unde - lăţimea linie spectrale a sursei de radiaţie, egală cu 1 – 3 nm pentru laser

şi 20 – 40 nm pentru dioda luminescentă; L – lungimea liniei, km; c – viteza

luminii, km/s.

Dispersia materială în fibrele optice este condiţionată de dependenţa

indicelui de refracţie de lungimea de undă . În fibra optică reală propagarea

undelor este cu dispersie, adică viteza de propagare depinde de frecvenţă

(lungimea de undă). Diferite lungimi de undă (culori) de asemenea se mişcă cu

diferite viteze prin fibra optică, chiar şi în una şi aceeaşi modă. Mai sus a fost

demonstrat că indicele de refracţie este egal cu п =с/v.

12

Deoarece fiecare lungime de undă se mişcă cu o diferită viteză, atunci

valoarea vitezei v în această expresie se schimbă pentru fiecare lungime de undă.

In aşa mod, indicele de refracţie se schimbă în dependenţă de lungimea de undă.

Dispersia, care este legată de acest efect, se numeşte dispersia materială

(moleculară), deoarece ea depinde de proprietăţile fizice a materialului fibrei.

Nivelul dispersiei depinde de intervalul lungimilor de undă a luminii, care este

injectat în fibra optică (de obicei, sursa radiază câteva lungimi de undă) şi de

asemenea de lungimea de undă centrală de lucru a sursei. În intervalul 850 nm

undele cu lungimile de undă mai lungi (mai roşii) se mişcă mai repede în

comparaţie cu lungimile de undă mai scurte (mai albastre). Undele cu lungimea

860 nm se mişcă mai repede prin fibra optică din sticlă, decât unda cu lungimea de

850 nm. În intervalul 1550 nm situaţia se schimbă: undele cu lungimea de undă

mai mică se mişcă cu o viteză mai mare decât cele cu o lungime de undă mai

mare; unda 1560 nm se mişcă mai încet, decât unda 1540 nm. In unele puncte ale

spectrului are loc coincidenţa, cu aceasta lungimile de undă mai albastre şi mai

roşii se mişcă cu una şi aceeaşi viteză. Această coincidenţă a vitezelor are loc în

intervalul 1300 nm, numit lungimea de undă cu dispersia nulă (fig.5).

Fig.5. Viteza de propagare a lungimilor de undă

Lungimea săgeţilor corespunde vitezei lungimilor de undă; prin urmare,

săgeata mai lungă corespunde unei mişcări mai rapide. O imagine asemănătoare

pentru dispersia specifică ondulatorie B() şi materială M() a materialului fibrei

optice monomod este reprezentată în fig.4. La lungimea de undă 1300 nm M()

13

850 nm

1300 nm

1550 nm

Viteza de propagare

Înaltă (850 nm)

Joasă (845 nm)

Înaltă (1300 nm)

Joasă (1295 nm)

Înaltă (1550 nm)

Joasă (1560 nm)

este egală cu zero. În intervalul lungimilor de undă mai mari de 1300 nm ea este

negativă – undele rămân în urmă şi ajung mai târziu. În intervalul mai mic de 1300

nm undele întrec şi ajung mai repede.

Ca şi dispersia ondulatorie, dispersia modală poate fi determinată cu ajutorul

dispersiei specifice după relaţia:

(12)

Fig.6. Valoarea specifică a dispersiei la diferite lungimi de undă:

В() – ondulatorie; M() - materială

Valoarea М() este determinată pe cale experimentală. Pentru diferite

procentaje a impurităţilor de dopare în fibrele optice М() are diferite valori în

dependenţă de . De aceea la calculele inginereşti pentru determinarea mat poate fi

folosită expresia:

(13)

Pentru determinarea poate fi folosită formula lui Selmeier pentru

indicele de refracţie a sticlei metodei diferenţei extremităţilor, de unde sunt

determinate expresiile şi , după care se determină

(14)

14

(15)

şi mai apoi

(16)

Dispersia modală de polarizare DMP apare din cauza diferenţei de propagare

a două mode a fibrei optice cu polarizaţii perpendiculare. Pentru evaluarea acestui

tip de dispersie se foloseşte expresia:

(17)

unde KDMP – coeficientul dispersiei de polarizare specifice.

După definiţie dispersia modală de polarizare apare nemijlocit în

fibrele monomod cu miezul sub formă de elipsă şi în anumite condiţii este de

aceeaşi valoare ca dispersia cromatică. Aceste condiţii apar atunci, când se

foloseşte transmisiunea semnalului de bandă largă (banda de transmitere 2,4 Gbit/s

şi mai mult)cu banda spectrală de radiaţie foarte îngustă 0,1 nm şi mai puţin.

Dispersia de polarizare poate fi lămurită în felul următor. În fibrele optice

monomod nu se propagă numai o modă, dar două fundamentale – două mode cu

polarizaţii perpendiculare a semnalului de intrare. În fibra ideală, adică omogenă

după geometrie, două mode se propagă cu aceeaşi viteză. Însă în realitate fibrele

optice conţin dimensiuni geometrice neideale, ce duc la diferite viteze de

propagare a acestor două mode cu diferite componente de polarizare şi, prin

urmare, duc la apariţia dispersiei modale de polarizare, care este reprezentată in

fig.7.

15

Fig.7. Dispersia modală de polarizare

De aceea dispersia rezultantă a fibrei monomod trebuie să fie determinată în

corespundere cu expresia:

(18)

În condiţiile de lucru obişnuite a fibrei optice monomod dispersia modală de

polarizare este destul de mică şi de aceea în calculele dispersiei totale ea poate fi

neglijată.

În fibrele optice multimod după valoare dispersia ondulatorie este mică şi de

aceea pentru determinarea dispersiei totale ea poate fi neglijată. În astfel de fibre

optice cu profilul indicelui de refracţie în trepte mod domină asupra valorii mat, iar

pentru profilul indicelui de refracţie gradient influentă devine dispersia materială.

Ultima este legată de faptul că mod în fibrele optice multimod gradient se

micşorează pe bază egalarea timpului de propagare a diferitor mode. Reieşind din

aceasta în caz general dispersia totală în fibrele optice multimod poate fi

reprezentată cu ajutorul expresiei:

. (19)

În fibrele optice monomod dispersia modală lipseşte, deoarece prin aşa tipuri

de fibra se propagă numai o singură modă НЕ11 sau, cum a fost menţionat mai sus,

două mode în diferite stări de polarizare, dar cu o singură dependenţă de dispersie a

coeficientului de fază () (în aproximaţia modelor liniar polarizate – moda LР01 în

16

două polarizaţii reciproc ortogonale). Cu alte cuvinte, lărgirea impulsurilor în

fibrele optice monomod este determinată de dispersia cromatică în limitele acestei

mode. Atunci dispersia totală în fibrele optice monomod poate fi reprezentată cu

ajutorul expresiei:

. (20)

Comparând caracteristicile de dispersie a diferitor fibre, se poate de

menţionat, că cei mai buni indici posedă fibrele optice monomod, iar cea mai

puternică dispersie apare în fibrele optice multimod cu profilul indicelui de

refracţie în trepte.

Tabelul 1. Proprietăţile de dispersie a diferitor fibre optice

Dispersia Cauza dispersiei

Fibra optică multimod

Fibra optică

monomod

(F = 110 GHz)

În trepte

(F =

10100

MHz)

Gradient

(F =

1001000

MHz)

Ondulatorie

Coeficientul de

propagare

depinde de

frecvenţă

Valoarea mică

a dispersiei

Valoarea mică

a dispersiei

Inter-compensaţie

Materială

Indicele de

refracţie depinde

de frecvenţă

(2 - 5) ns/km(0,1 -0,3)

ns/km

Modală

Diferite mode

ajung la capătul

liniei în diferite

momente de

timp

(20 - 50)

ns/km(1-4) ns/km Lipseşte

Limite impuse de dispersie

17

Lăţimea benzii de transmitere. Mulţi producători de fibre optice şi cablu

nu folosesc în specificaţie dispersia în produsele multimod. În loc de aceasta ei

arată produsul lăţimii benzii de transmitere la lungime, sau numai banda de

transmitere, exprimată în megaherţi pe kilometru. Banda de transmitere de 400

MHzkm înseamnă posibilitatea de a transmite semnalul în banda 400 MHz la

distanţa de 1 km. Aceasta de asemenea înseamnă, că produsul frecvenţei maximale

a semnalului la lungimea de transmisiune poate fi mai mică sau egală cu 400. Cu

alte cuvinte, se poate de transmis un semnal de o frecvenţă mai joasa la o distanţă

mai mare sau de o frecvenţă înaltă la o distanţă mai mică, cum este reprezentat în

fig.8.

Fig.8. Dependenţa lungimii de transmitere de lăţimea benzii de

transmisiune pentru fibra 400 MHzkm

Banda frecvenţelor de lucru (banda de transmisiune) a cablurilor optice

determină numărul de canale de comunicaţii transmise prin el şi este limitat de

dispersia fibrelor optice.

În fig.9 este reprezentat caracterul variaţiei dispersiei şi capacitatea de

transmisiune F a fibrelor optice în dependenţă de lungimea liniei. Micşorarea

valorii F din cauza dispersiei până la o valoare admisibilă limitează distanţa de

transmisiune prin cablurile optice.

Lung

imea

de

trans

mite

re,

km

Fibra 400 MHzkm

Viteza de transmisiune, MHz

18

Fig.9. Dispersia capacitatea de transmisiune F

a fibrei optice de diferită lungime

Banda de frecvenţe F şi distanţa de transmisiune l sunt legate între ele.

Relaţiile dintre ele se exprimă prin formulele (pentru liniile scurte în

limitele regimului modal stabilit) şi (pentru liniile lungi). În aceste

relaţii parametrii cu indicele x – sunt necunoscutele, iar fără indice – sunt date; lc –

lungimea de legătură a modelor. În condiţii reale de obicei se normalizează banda

de transmisiune pe un kilometru F şi se determină banda de transmisie pe

întreaga linie după formulele:

(21)

Banda de transmisiune F depinde de lărgirea impulsurilor şi se determină

cu ajutorul relaţiei .

Datele iniţiale sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2

Lungimea liniei (l)

19

Tipul parametrului Notaţia Unitatea de

măsură

1 Diametrul miezului 2a m

2 Diametrul învelişului 2b m

3 Indicele de refracţie al miezului n1

4 Indicele de refracţie al învelişului n2

5 Lungimea liniilor de conexiune prin

fibra optică

кm

6 Tipul ghidului de undă În trepte;

gradient

7 Lungimea de undă λ m

8 Lăţimea maximă a spectrului sursei

de radiaţie

nm

9 Coeficientul dispersiei modale de

polarizare

Masuri pentru diminuarea dispersiei

Am enumărat majoritatea tipurilor de dispersie in fibra monomod,

modalitatile de calcul a dispersiei si impactul ei asupra calitatii transmisiunii la

distante mari. Acum v-om enumara modlitatile si tehnicile de minimizare a

efectului dispersiei. Exista citeva elemente pasive care pot fi utilizate pentru a

reduce efectele dispersiei. In general ele constau in introducerea in fibra a unui

element care are dispersia contrar celei din fibra. Acestea de regula sunt module de

compensare a dispersiei -DCM (poate fi orice bobina de fibra cu dispersia opusa

celei din fibra de transmisiune ). Acestea sunt fabricate cu un anumit nivel al

dispersiei, e.g.-1000 ps/nm. Dezavantajul este ca introduc pierderi considerabile in

sistem , adesea peste 8 dB.

20

Deseori modulurile de compensare a dispersiei sunt folosite impreuna cu

circulatoare. Circulatoarele sunt niste dispozitive interesante cu trei porturi. Un

exemplu este prezentat in fig.8.

Fig.9. Circulator de compensare a dispersiei

În acest exemplu raza optica intra in circulator prin portul 1. Lumina care intra

prin portul 1 iese doar prin portul 2. Acum lumina trece prin DCM , este reflectată

de reflector şi reintră în portul 2. Lumina care intră în portul 2 iese doar prin

portul 3. Efectul obţinut este ca lumina parcurge DCM-ul de 2 ori mai repede si

permite folosirea unei lungimi de 2 ori mai mică pentru obţinerea aceluiaşi efect.

Circulatoarele sunt de asemenea folosite in conjunctie cu dispozitive numite

Bragg grating (o tehnica de obtinere a filtrarii optice care functioneaza direct in

fibra , bazat pe tehnicile interinterferometrice). Aceste dispozitive se conecteaza la

portul 2 al circulatorului. Ele nu necesita folosirea separata a reflectorului.

Reflectoarele Bragg grating introduc din nou dispersie opusa celei initiale, filtrind

astfel semnalul. Deocamdata ele pot opera cu o banda foarte ingusta de lungimi de

unda, citiva nanometri. Pot fi utilizate pentru a corecta un singur canal in sistemele

DWDM, nu intreaga banda.

O solutie eleganta si simpla, de compensare a dispersiei consta in alternarea

tipului de fibra (+D) NZ-DSF cu (-D) NZ-DSF (acestea sunt fibre care au dispersia

aproape de zero in regiunea de 1550 nm, lungimea de unda folosita pentru

transmisiuni in ele este plasata intentionat putin inafara ferestrei de transparenta de

1550 nm, astfel pentru lungimea de unda aleasa (+D) NZ-DSF are dispersia

“pozitiva” iar (-D) NZ-DSF are dispersie “negativa”, compensindu-se un ape alta).

Aceasta ne va ajuta sa obtinem dispersie finala foarte scazuta si aceste fibre se pot

folosi in sistemele DWDM. Corectia nu este perfecta asupra intregii benzi de

21

canale, dar se reduce dispersia aproape complet. Dispersia si distantanta de

transmisie in cazul alternarii acestor doua tipuri de fibre este ilustrata in figura 10.

Fig.10. Alternarea tipului de fibra (+D) NZ-DSF cu (-D) NZ-DSF

22

Bibliografie :

http://www.fiber-optics.info/articles/dispersion.htm

www.fiberopticsonline.com

http://www.play-hookey.com/optics/fiber6.html

www.cmste.uncc.edu/new/papers/Attenuation%20in%20 Fiber %20 Optics .doc

http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?uri=OE-11-13-1503

Sergiu Sisianu “ Comunicatii prin fibre optice”

http://conect.lx.ro/semnale1.htm

23