2.10. Дисперсия в оптических волокнах

Как мы коротко упомянули ранее (см. п. 2.8), в оптических системах связи информация часто кодируется в виде последовательных во времени импульсов (например, в ИКМ-системах), которые затем передаются по волокну. Уже отмечалось, что если импульс введен в волокно, он обычно уширяется по мере распространения по волокну, так что детектируемый на выходе импульс имеет другую форму и большую длительность по сравнению с импульсом на входе. Это явление называется дисперсией и определяет одну из двух наиболее важных передаточных характеристик волокна, ответственных за искажение формы передаваемого сигнала. Вторая характеристика связана с ослаблением оптического сигнала. Скорость передачи информации, которой можно добиться, применяя волокно определенного типа и заданной длины, определяется числом импульсов, которые можно передать по волокну в единицу времени без существенного перекрытия импульсов на выходе линии. Поскольку значения дисперсии волокна существенно ограничивают допустимую скорость модуляции оптического передатчика в любой волоконно-оптической линии связи, дисперсия является мерой ширины полосы пропускания (или просто полосы) линии.

Дисперсия, или уширение, импульса в оптическом волокне, как можно показать, бывает обусловлена тремя причинами: межмодовой дисперсией, дисперсиеи материэла и волноводной дисперсией, причем два последних механизма объединяются в то, что называется внутримодовой дисперсией.

Межмодовая дисперсия, как вытекает из названия, возникает (см. п. 2.8) из-за разности групповых скоростей, а следовательно, времен распространения различных мод в волноводе. В лучевом приближении это явление соответствует тому, что различные лучи затрачивают неодинаковое время на то, чтобы пройти от одного торца волокна до другого.

Однако даже если межмодовая дисперсия почти исчезает в волокне с соответственно подобранным профилем показателя преломления, т. е. оптимизированном, конечность ширины спектра практически используемых оптических источников, а также Фурье-спектра передаваемых сигналов приводит к внутримодовой дисперсии. Дисперсия материала вызвана зависимостью показателя преломления объемных материалов, из которых формируется волокно, от длины волны. Второй фактор — волноводная дисперсия — связан с зависимостью постоянной распространения данной моды от длины волны.

Межмодовая дисперсия — основной источник дисперсии во всех многомодовых волокнах, кроме оптимизированных, а внутримодовая дисперсия является единственной причиной дисперсионных явлений в одномодовых волокнах. Если стремиться к

достижению сверхширокой полосы в многомодовом волокне, необходимо учитывать также эффект так называемой «профильной дисперсии)), о котором будет рассказано ниже. Профильная дисперсия происходит из-за разной зависимости от длины волны показателя преломления в сильно легированной (см. гл. 5) центральной и слабо легированной периферийной областях сердцевины и нелегированной (или легированной другими материалами) оболочке.

В п. 2.8 мы получили выражение для уширения импульса в ступенчатом волокне в виде разницы времен прохождения луча по кратчайшему и наиболее длинному оптическим путям. Уравнение (2.124) позволяет определить уширение импульса в многомодовых ступенчатых волокнах (где межмодовая дисперсия играет доминирующую роль) весьма точно, хотя оно и получено только на основе лучевого рассмотрения. Однако дело в том, что хотя лучевая оптика подходит для анализа многомодовых волокон, она не годится для описания волокон с произвольным модовым составом. В частности, лучевые методы не позволяют описать внутримодовую дисперсию, что делает невозможным решения общей задачи без применения волновой оптики.