Чем обусловлена поляризационная модовая дисперсия

Идеальное одномодовое оптическое волокно имеет круглый профиль, а распространяющийся по нему оптический сигнал имеет две составляющих, расположенных во взаимно ортогональных проекциях, так называемые, поляризованные моды. Эти моды во время передачи информации двигаются вдоль волокна с одинаковой скоростью.

В реальной же жизни, сердцевина оптического волокна может иметь неправильную геометрию. Причиной тому может быть несовершенство технологии производства или нарушения технологии монтажа кабеля:

Перечисленные причины приводят к тому, что поляризованные моды начинают распространяться вдоль оптического волокна с разными скоростями. Различие скоростей этих мод приводит к возникновению временной задержки, которую принято называть дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay). Среднеквадратическое значение DGD и называют поляризационно-модовой дисперсией.

Поляризационно-модовая дисперсия увеличивается с увеличением длины линии и приводит к тому, что импульс, перемещаясь по волоконно-оптической линии не только затухает, но и растягивается. Если световой импульс передается всего один, то ничего страшного в этой ситуации нет. В случае же передачи последовательности импульсов с большой частотой (частота прямо пропорциональна скорости передачи информации), будет наблюдаться наложение соседних импульсов друг на друга. Это приводит к возникновению ошибок в канале передачи и препятствует передаче информации с большой скоростью на большие расстояния.

Следует заметить, при увеличении длины волокна в четыре раза, значение ПМД увеличивается только вдвое. Другими словами, ПМД пропорционален квадратному корню длины волокна. Поэтому единица измерения ПМД – пс/√км.

В современных высококачественных волокнах коэффициент PMD, как правило, не превышает 0.2 пс/√км. Старые кабели, или кабели, изготовленные на базе волокон неизвестных производителей, часто обладают более высоким коэффициентом PMD, что делает проблематичным переход к более высоким битовым скоростям.

Поэтому, для организации высокоскоростных каналов передачи данных, требуется контроль поляризационно-модовой дисперсии на этапе производства оптического волокна и оптического кабеля, после монтажа и в ходе эксплуатации линии связи. Контроль PMD в процессе вытяжки волокна и производства кабеля необходим для оптимизации процесса производства с целью улучшения его качества. Кроме того, измеренные значения должны быть отображены в паспорте на оптическое волокно и кабель. Во время прокладки кабеля часто допускаются превышение растягивающего усилия кабеля, изгибание его с радиусом меньше предельно допустимого или перекручивание вокруг своей оси. Это, в свою очередь, создает дополнительные напряжения в оптических волокнах, вызывающие повышение PMD. Поэтому важным является также контроль этого параметра во время проведения приемо-сдаточных работ смонтированной магистральной кабельной линии.

Чтобы гарантировать работоспособность DWDM канала и высокую скорость передачи информации, в процессе эксплуатации следует проводить регулярные проверки параметра PMD. Особенно сильно PMD изменяется на воздушных ВОЛС, которые наиболее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и ветровым нагрузкам. Подземные кабели в меньшей степени и реже, но все же тоже подвержены различным влияниям внешней среды, например, смещение труб кабельной канализации относительно друг друга. Зачастую оптические кабели в кабельных колодцах находятся в воде, которая зимой замерзает, вызывая деформации кабеля и оптических волокон.

Проведенные измерения ПМД, дают нам лишь общую (интегральную) оценку линии. В случае получения неудовлетворительных параметров сразу же постает вопрос: «Как устранить проблему»?

На данный момент существует два пути решения этой задачи:

К сожалению, на сегодняшний день не придумали способа уменьшения поляризационно модовой дисперсии в волокне. Зато решение проблемы увеличения скорости нашли в использовании нового типа модуляции передаваемого сигнала. В настоящее время наиболее перспективным для 100-гигабитных систем считается квадратичная фазовая манипуляция (QPSK) с двойной поляризацией (Dual Polarization, DP). Эта технология позволяет использовать для передачи информации две ранее не задействованных в системах оптической связи характеристики — фазу и поляризацию. Механизм DP дает возможность удвоить пропускную способность канала путем поляризационного мультиплексирования — каждая из ортогональных поляризационных мод применяется для независимой передачи информации. Получается то, что раньше ограничивало скорость передачи информации, сейчас увеличивает ее в 2 раза. Парадокс, не правда ли?

Для систем, работающих с такой модуляцией разработанные специальные когерентные приемники, способные воспринимать не только уровень сигнала, но и его фазу. Они способны обработать полученную информацию, скомпенсировать поляризационно-модовую и хроматическую дисперсию. Поэтому сегодня в системах с применением QPSK модуляции требования к ПМД и ХД в волокне несколько снижаются. Хотя кто знает, может через пару лет с очередным повышением необходимого уровня скорости передачи информации, требования к характеристикам ВОЛС снова возрастут?

Источник

2.2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ИСКАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА

2.2.1 Дисперсия

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается за счёт дисперсии различного рода.
Под дисперсией σ в оптике понимают зависимость фазовой скорости световых волн от частоты υ_ф=υ_ф(ω). Это же относится и к показателю преломления n=n(ω). Величина и характер дисперсии определяется как:

В этом смысле дисперсия носит название хроматической дисперсии, подчёркивая факт разложения света на его спектральные составляющие. Дисперсия называется нормальной, если n увеличивается с увеличением частоты ω и аномальной, если n уменьшается с увеличением ω. Зависимость фазовой скорости от ω для нормальной и аномальной дисперсий – обратная.

2.2.2 Воздействие дисперсии на сигнал

При прохождении импульсных сигналов по световоду дисперсия приводит, как было сказано выше, к уширению импульса (рисунок 2.5).

а – входные импульсы; б – выходные импульсы
Рисунок 2.5 – Уширение импульса из-за дисперсии в волоконном световоде

Она определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе световода длиной l, получаемой на половине высоты импульса, и измеряется в пикосекундах [пс].

Предел пропускной способности (скорости передачи информации, информационной полосы пропускания) волоконного световода определяется тем, насколько близко могут располагаться кодирующие информацию соседние импульсы без взаимного перекрытия и, следовательно, без возникновения межсимвольных помех. Большие значения дисперсии приводят к ошибкам декодирования вследствие перекрытия импульсов цифрового оптического сигнала.

Уширение импульса определяет полосу частот передаваемого сигнала Δf (скорость передачи информации) следующим образом:

Например, значения дисперсии τ=2–5пс соответствуют полосе частот Δf=500–200МГц.
Дисперсия также ограничивает длину регенерационного участка, так как уширение импульса пропорционально длине линии. В конечном итоге может возникнуть ситуация, когда соседние импульсы перекрывают друг друга.

2.2.3 Виды дисперсии

В световоде различают четыре вида дисперсии (рисунок 2.6):

Рисунок 2.6 – Структура видов дисперсии в ОВ

Полная дисперсия τ определяется из формулы:

2.2.4 Модовая дисперсия

Модовая (межмодовая) дисперсия – – это дисперсия, существующая только в многомодовом световоде и вызванная различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих выхода в разное время, что приводит к уширению импульса на выходе.
Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду со ступенчастым профилем показателя преломления может быть представлено упрощённо в виде двух лучей, как показано на рисунке 2.7
Следовательно, отрезок световода конечной длины l каждая мода будет проходить за различное время. С точки зрения передачи информации по волоконной линии, этот процесс порождает её искажения – каждая мода этого спектра проходит отрезок световода за различное время и на его выходе между ними возникают неустранимые фазовые сдвиги.

Рисунок 2.7 – Явление временного запаздывания лучей разных мод в ВС

Максимально возможное время запаздывания наклонного луча при θ₁=θ_kp относительно осевого

где l – длина линии связи;
с – скорость света;
n₁ – показатель преломления сердцевины;
n₂ – показатель преломления оболочки;
Δ – относительный показатель преломления.
В градиентном параболическом световоде с учётом связи мод модовая дисперсия:

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и, тем меньшее расширение получают оптические импульсы. Соответственно, увеличивается широкополосность ОВ.
Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Одномодовое ОВ может передавать более широкополосные сигналы, чем многомодовое ОВ, так как в нём отсутствует модовая дисперсия.

2.2.5 Влияние профиля показателя преломления на дисперсию моды

В простейшем случае оптический ВС имеет ступенчатый ППП (рисунок 2.8, а, справа).

а – в ступенчатом многомодовом ВС; б – в градиентном многомодовом ВС; в – в ступенчатом одномодовом ВС
Рисунок 2.8 – Характер распространения света в ВС с различным профилем показателя преломления и дисперсия

Различное фазовое запаздывание (или дисперсия мод) является одной из причин расплывания импульса при его распространении по ВС (рисунок 2.8, а, слева). Влияние дисперсии мод резко выражено для многомодового ВС и тем резче, чем больше диаметр сердцевины.
Модовая дисперсия может быть уменьшена тремя путями:

Рассмотрим, как при использовании градиентного волокна уменьшается модовая дисперсия.
В градиентном ВС показатель преломления плавно увеличивается от края сердцевины к середине (в зону максимума n₁, рисунок 2.8,б, справа). Условия распространения при этом для осевого и апертурных лучей становятся разными. Апертурные лучи имеют большую геометрическую длину. Однако скорость апертурных лучей на периферии сердцевины больше, чем скорость осевого луча. За счёт выравнивания времени прохождения различных лучей в ВС происходит резкое снижение дисперсии моды (рисунок 2.8,б).
Наиболее приемлемы характеристики световодов для которых профиль показателя преломления описывается функцией, аппроксимирующей кривую изменения показателя преломления формулой:

Световоды с g=2 называются параболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболической функцией. У таких сетоводов скорости всех мод становятся одинаковыми.
Для одномодового оптоволокна модовая дисперсия отсутствует (рисунок 2.8, в), поэтому в основном используется простой ступенчатый профиль изменения показателя преломления (рисунок 2.8, в, справа). Другие типы одномодового ВС имеют более сложный профиль показателя преломления ввиду использования многослойных оболочек.

2.2.6 Материальная дисперсия

Напомним, что материальная дисперсия – это дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления от длины волны:

Волны различной длины движутся с различными скоростями по ВС, даже в одной и той же моде. Как известно, показатель преломления равен:

где c– скорость света в вакууме;
υ– скорость света в веществе.
Поскольку волны различной длины движутся с разной скоростью, то величина скорости υ в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Материальная дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный характер. Уровень материальной дисперсии зависит от двух факторов:

Рассмотрим каждый фактор подробнее.
1. Как правило, источник не может излучать одну длину волны; он излучает спектр волн. Диапазон длин волн Δλ называется спектральной шириной источника. Светоизлучающий диод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной Δλ≈35нм, а лазерный диод (ЛД) – меньшей: от 2 до 3нм – многомодовый и от 0,01 до 0,02нм – одномодовый.
2. В области 850нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более синими) длинами волн (рисунок 2.9). Длина стрелок соответствует скорости волн, следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению. Волны длиной 850нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 845нм.

Рисунок 2.9 – Скорости распространения света разной длины волны

В области 1550нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна длиной 1550нм движется медленнее, чем волна длиной 1540нм.
В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более синие и более красные волны движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300нм.

В выражение для материальной дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

где Δλ – ширина спектра источника излучения;
l – длина световода;
λ – длина волны излучения;
c – скорость света в вакууме;
n₁ – показатель преломления сердцевины;
– удельная материальная дисперсия (определяется экспериментальным путём).

Рисунок 2.10 – Зависимость удельной материальной дисперсии объёмного кварцевого стекла от длины волны

Интересно отметить, что в объёмном кварцевом стекле в диапазоне длин волн 1000 – 1600нм М(λ) почти линейно уменьшается от плюс 70 до минус 40пс/(км•нм), принимая нулевое значение на длине волны примерно 1300нм, а точнее 1270нм.
Длина волны, при которой удельная материальная дисперсия М(λ) обращается в ноль, называется длиной волны нулевой дисперсии λ_0Д для объёмной среды.
В области длин волн менее λ_0Д материальная дисперсия положительная – более красные волны опережают более синие и прибывают раньше. В области длин волн больше λ_0Д материальная дисперсия отрицательная – более красные волны отстают и прибывают позднее.
Из описанного ясно, что для уменьшения дисперсии нужно, с одной стороны, при выборе источника переходить от оптических источников типа СИД к ЛД, а. c другой стороны, необходимо переходить от источников с длинами волн порядка 850нм к источникам с длинами волн порядка 1300нм для использования эффекта нулевой дисперсии.

2.2.7 Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия – это дисперсия реальных световодов, отличающаяся от дисперсии объёмной среды по причине наличия волноводной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. Когда растёт длина волны, то большая часть поля заходит в оболочку и меняет показатель преломления среды. Изменяя эффективный показатель преломления среды можно менять дисперсию.
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью эффективного показателя преломления от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра

где Δλ – ширина спектра источника излучения;
l – длина световода;
n₁ – показатель преломления сердцевины;
Δ – относительный показатель преломления;
c – скорость света в вакууме;
λ – длина волны излучения;
– удельная волноводная дисперсия.
Типичная зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого одномодового волокна от длины волныприведена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 – Зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого волокна от длины волны

Как видно из рисунка 2.11, удельная волноводная дисперсия N(λ) всегда больше нуля, т. е. положительная.
Вклад волноводной дисперсии зависит от:

В многомодовых ОВ волноводная дисперсия относительно мала по величине.

2.2.8 Хроматическая дисперсия

Материальная и волноводная дисперсии, складываясь определённым образом (квадрат суммы, формула 2.9), формируют хроматическую дисперсию.
Хроматическая дисперсия имеет место при распространении волны как в ОМ, так и в ММ волокне, однако наиболее чётко она проявляется в ОМ волокне из-за отсутствия модовой дисперсии.
Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как

Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля (N(λ)>0), то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным (M(λ)>0), так и отрицательным (M(λ) τ_мат) и модовая дисперсия является основным видом дисперсии:

3.В градиентном ММ ОВ – наоборот τ_мат доминирует над τ_мод (τ_мат>τ_мод). Это объясняется тем, что в градиентном многомодовом ММ ОВ τ_мод уменьшается за счёт выравнивания времени распространения различных мод и поэтому материальная дисперсия является основным видом дисперсии:

Сравнивая дисперсионные характеристики различных волокон, можно отметить, что наилучшими показателями обладают ОМ ОВ, а наиболее сильно дисперсия проявляется в ММ ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.
В световодах с градиентным профилем показателя преломления и одномодовых световодах уширение импульса вызывается главным образом материальной дисперсией, обусловленной зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны.
Во многих случаях модовая дисперсия не играет никакой роли при конструировании волоконных систем: быстродействие слишком мало или расстояния незначительны.

2.2.11 Ширина полосы пропускания

Полоса пропускания – это мера способности волокна передавать определённый объём информации в единицу времени.
Чем шире полоса пропускания, тем выше скорость передачи волокна. Например, одно волокно с градиентным профилем показателя преломления может легко передавать 500млн. бит информации в секунду (500Мбит/с).
Поскольку модовая дисперсия не зависит от длины волны излучения в многомодовых изделиях, многие производители волокна и оптического кабеля не используют в спецификации дисперсию. Вместо неё они указывают произведение информационной ширины полосы пропускания Δf на длину волокна l, выраженное в мегагерцах на километр (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14– Зависимость длины линии передачи от ширины полосы пропускания для ОВ с параметром B=400МГц·км

Полоса пропускания B=400МГц·км означает возможность передачи сигнала в полосе 400МГц на расстояние 1км. Это также означает, что произведение максимальной частоты сигнала на длину линии передачи может быть меньше или равно 400МГц·км. Другими словами, при одной и той же дисперсии можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как показано на рисунке 2.14.
В зависимости от ППП и длины волны излучения сигнала многомодовые волокна имеют различную полосу пропускания сигнала:

Рабочая полоса частот (полоса пропускания) в ВОК лимитируется дисперсией ОВ. Полоса пропускания ММ ОВ имеет верхнюю границу 500–800МГц⋅км.
На рисунке 2.15 показан характер изменения дисперсии τ и полосы пропускания Δf ОВ в зависимости от длины линии l.

Рисунок 2.15 – Дисперсия τ и полоса пропускания Δf ОВ от длины линии

Снижение из-за дисперсии величины Δf до допустимого значения лимитирует дальность передачи по ВОК. Таким образом, полоса частот Δf и дальность передачи l взаимосвязаны.
В ОМ ОВ спецификация дисперсии необходима. Для заданного ОМ ОВ дисперсия в основном определяется спектральной шириной источника: чем шире полоса излучения источника, тем больше дисперсия.

Источник

Чем обусловлена поляризационная модовая дисперсия

ГОСТ Р МЭК 60793-1-48-2014

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Методы измерений и проведение испытаний. Поляризационная модовая дисперсия

Optical fibres. Part 1-48. Measurement methods and test procedures. Polarization mode dispersion

Дата введения 2016-01-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности» (ОАО «ВНИИКП») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии международного стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 46 «Кабельные изделия»

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

6 Некоторые положения международного стандарта, указанного в пункте 4, могут являться объектом патентных прав. Международная электротехническая комиссия (МЭК) не несет ответственности за идентификацию подобных патентных прав

7 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Май 2020 г.

Введение

На практике почти всегда волокна удовлетворяют условию изменяется пропорционально квадратному корню длины волокна, и

1 Область применения

В настоящем стандарте приведено три метода измерения поляризационной модовой дисперсии (PMD), которые описаны в разделе 4. Настоящий стандарт устанавливает единые требования для измерения PMD одномодового оптического волокна, таким образом содействуя проверке возможности коммерческого использования волокон и кабелей.

2 Нормативные ссылки

Заменен на IEC 60793-1-1:2017.

Заменен на IEC 60793-1-44:2011.

Заменен на IEC 60793-2-50:2018.

Заменен на IEC 60794-3:2014.

Заменен на IEC 60128-4-4:2017.

Заменен на IEC/TR 61282-9:2016.

Заменен на IEC 61290-11-1:2008.

ITU-T Recommendation G650.2, Definitions and test methods for statistical and non-linear related attributes of single-mode fibre and cable (Определения и методы испытаний на статистические и нелинейные характеристики одномодового волокна и кабеля)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по Рекомендациям ITU-TG.650.2.

4 Общие положения

4.1 Методы измерения PMD

В настоящем стандарте описаны три метода для измерения PMD (см. приложения А, В и С). Методы, указанные ниже, расположены в порядке их введения. Для некоторых методов также используют многочисленные способы анализа измеренных результатов.

Источник