Межмодовая дисперсия. Влияние межмодовой дисперсии на цифровой сигнал

После того как оптический луч попадает в оптическое волокно, он может распространяться по любому из множества возможных путей, однако при этом возникают частичные ограничения, определяемые углом между вектором входного излучения и оптической осью стекловолокна (рис. 10.8).

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

Эти пути получили название видов, или мод, распространения; они могут изменяться от мод очень низкого порядка, распространяющихся практически параллельно оптической оси стекловолокна (луч А), до мод очень высокого порядка, угол преломления которых очень близок к критическому значению (луч С), при этом существует большое количество промежуточных вариантов путей распространения светового луча, которые заключены между этими предельными вариантами. Наиболее важным параметром, который характеризует эти различные моды, является очень сильно различающиеся между собой значения относительной длины пути, проходимого световым лучом.

Они могут изменяться от минимального значения для мод низшего порядка до максимального значения — для мод высших порядков. Если волоконно-оптический кабель имеет только одну сердцевину и один слой внешней оболочки, то он называется стекловолокном со ступенчатым профилем изменения коэффициента преломления, так как показатели преломления изменяют свое значение резко (ступенчато) при переходе от материала сердцевины к материалу оболочки. Количество мод распространения светового луча N, возникающих в таком случае, можно определить с использованием выражения:

(10-13)

Для любого оптического волокна, диаметр сердцевины которого D превышает примерно десятикратное значение длины волны излучения (D ≥10 λ), будет наблюдаться очень большое количество мод, поэтому такие волокна получили название многомодовых оптических волокон. Для стандартного светового луча, поступившего в подобное стекловолокно со ступенчатым профилем коэффициента преломления, немедленно возникает большое количество равновероятных мод распространения оптического сигнала. Такое разнообразие мод может как повлиять на аналоговый сигнал, так и не оказать на него никакого воздействия, однако, он оказывает весьма вредоносный эффект на цифровые сигналы, который получил даже специальное название: межмодовой дисперсии.

На рис. 10.9 иллюстрируется влияние межмодовой дисперсии на цифровой сигнал.

Рис. 10.9.Уширение импульсов, вызванное дисперсией

После того как световой импульс, имеющий малую длительность (рис. 10.9а), проходит по волоконно-оптическому кабелю, который характеризуется высоким значением межмодовой дисперсии, получаемый на выходе сигнал (рис. 10.9б) диспергирует, или претерпевает уширение («размазывается» по большей площади). При невысоких скоростях передачи данных влияние этого эффекта может оказаться незначительным, так как информация, содержащаяся в импульсе, может оказаться уже воспринятой до поступления следующего импульса. Однако при высоких скоростях передачи информации импульсы могут частично накладываться один на другой (рис. 10.10), производя неоднозначный для распознавания сигнал, который приведет к большой скорости возникновения ошибок.

Рис. 10.10.Эффект, вызванный большой по величине дисперсией

Межмодовая дисперсия обычно измеряется относительно ширины импульса в точке со значением –3 дБ (уровне половинного значения мощности). Если на рис. 10.9 отрезок времени между точками на уровне –3 дБ на импульсе подаваемого в волоконно-оптический кабель сигнала обозначить как Т, а для импульса принимаемого сигнала аналогичный отрезок времени на уровне –3 дБ обозначить как Td, то величина дисперсии будет определяться как разница между этими отрезками времени:

Дисперсия = T — Td. (10-14)

Смысл для измерения значения дисперсии для любого элемента волоконно-оптического кабеля состоит в том, чтобы измерить дисперсию импульса Гауссовой формы (подчиняющегося нормальному закону распределения) на уровне –3 дБ. Волоконно-оптический кабель характеризуется временем дисперсии, выраженным в наносекундах, на один погонный километр стекловолокна (нс/км).

Ширина полосы пропускания волоконно-оптического кабеля (BW), характеризующая скорость передачи данных, выраженную в мегагерцах на погонный километр (МГц/км), может быть рассчитана по известному значению дисперсии с использованием следующего выражения:

(10-15)

Коэффициент «310», находящийся в числителе вышеприведенного выражения, представляет численное значение нескольких констант, входящих в него.