Моды распространения и межмодовая дисперсия в оптическом волокне

Понятие мод распространения. После ввода в оптическое волокно световой луч распространяется не по единственному пути, а по множеству траекторий, называемых модами. Эти траектории частично ограничены углом между вектором входного излучения и оптической осью стекловолокна, как наглядно демонстрирует рис. 10.8. Существует целый спектр мод: от мод низкого порядка, распространяющихся практически параллельно оси (луч А), до мод высокого порядка, чей угол преломления приближается к критическому значению (луч С). Ключевым параметром, различающим эти моды распространения, является значительная разница в длине оптического пути, проходимого светом от точки ввода до точки вывода.

Рис. 10.8. Виды (моды, варианты) распространения светового луча в стекловолокне

Ступенчатый профиль и многомодовые волокна. Волокно, состоящее из одной сердцевины и одного слоя внешней оболочки, классифицируется как стекловолокно со ступенчатым профилем изменения коэффициента преломления. Это название отражает резкое, скачкообразное изменение показателя преломления на границе раздела двух материалов. Количество мод N, способных распространяться в таком волокне, рассчитывается по формуле (10-13).

Если диаметр сердцевины D более чем в 10 раз превышает длину волны излучения (D ≥ 10λ), в волокне возникает огромное количество мод, что определяет его как многомодовое оптическое волокно.

Возникновение межмодовой дисперсии. В многомодовом волокне со ступенчатым профилем входной световой импульс немедленно возбуждает множество равновероятных мод распространения. Это явление оказывает негативное влияние, особенно на цифровые сигналы, вызывая эффект, известный как межмодовая дисперсия. Различие во времени прихода различных мод к приёмнику приводит к уширению передаваемых импульсов. Влияние межмодовой дисперсии на цифровой сигнал схематично представлено на рис. 10.9, где короткий входной импульс (рис. 10.9а) преобразуется в размытый выходной сигнал (рис. 10.9б).

Рис. 10.9. Уширение импульсов, вызванное дисперсией

Последствия дисперсии для передачи данных. Эффект уширения импульсов, или «размазывания», может быть несущественным на низких скоростях передачи данных. Однако с их ростом соседние импульсы начинают перекрываться во временной области, как показано на рис. 10.10. Это перекрытие создаёт неоднозначность при распознавании сигнала приемным оборудованием, что в конечном итоге приводит к резкому увеличению скорости возникновения битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Таким образом, межмодовая дисперсия является фундаментальным фактором, ограничивающим пропускную способность и максимальную дальность передачи по многомодовым оптическим волокнам.

Рис. 10.10. Эффект, вызванный большой по величине дисперсией

Количественная оценка дисперсии. Для количественной оценки межмодовой дисперсии используется измерение ширины импульса на уровне -3 дБ, что соответствует уровню половинной мощности. Если длительность исходного импульса обозначить как T, а длительность импульса на выходе волокна как Td, то величина дисперсии вычисляется по формуле: Дисперсия = Td — T (10-14). Стандартной методикой является измерение дисперсии для импульса Гауссовой формы, а кабель характеризуется удельным временем дисперсии, выражаемым в наносекундах на километр (нс/км).

Расчет полосы пропускания. Важнейшим параметром, напрямую связанным с дисперсией, является ширина полосы пропускания (BW) волокна. Этот параметр характеризует максимальную скорость передачи данных и измеряется в мегагерцах на километр (МГц/км). Ширина полосы пропускания может быть рассчитана на основе известного значения дисперсии с использованием выражения (10-15).

Числовой коэффициент «310» в числителе данной формулы является результирующим значением нескольких физических и математических констант, входящих в её полный вывод. Выбор между многомодовыми и одномодовыми волокнами в значительной степени определяется компромиссом между стоимостью компонентов и требованиями к полосе пропускания и дальности связи.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.