Cos'è la dispersione delle fibre?
Componenti di frequenza differenti o componenti di modalità differenti del segnale ottico (impulso) trasmesso in fibra ottica si propagano a velocità differenti e la distorsione del segnale (ampliamento dell'impulso) si verificherà inevitabilmente dopo aver raggiunto una certa distanza. Questo fenomeno è chiamato dispersione o dispersione della fibra ottica. Il segnale ottico trasmesso in fibra ottica ha una certa ampiezza di spettro, vale a dire, il segnale ottico ha molte componenti di frequenza differenti. Allo stesso tempo, nella fibra multimodale, il segnale ottico può essere composto da più modalità, vale a dire, ciascuna componente di frequenza può essere composta anche da più componenti modalità.
La dispersione della fibra ottica si riferisce alla distorsione del segnale causata da diversi componenti di frequenza e diversi componenti di modalità con diverse velocità di trasmissione. Nel sistema di comunicazione digitale in fibra ottica, la dispersione amplia l'impulso ottico. Quando la dispersione è grave, gli impulsi ottici si sovrapporranno l'un l'altro, provocando interferenza tra simboli e aumentando il tasso di errore di bit. Pertanto, la dispersione della fibra ottica non solo influisce sulla capacità di trasmissione della fibra ottica, ma limita anche la distanza del relè del sistema di comunicazione in fibra ottica.
Quando la luce si propaga nella fibra ottica, poiché la sua frequenza non è una singola frequenza, la modalità di lavoro non è una singola modalità di lavoro, quindi la velocità di propagazione è leggermente diversa, che si chiama dispersione. Se l'onda modulata è un impulso digitale, l'ampiezza del segnale demodulato verrà espansa, il che causerà errori di bit e limiterà il miglioramento della velocità di trasmissione. Quando la forma d'onda di modulazione è un segnale analogico, il livello dopo il rilevamento diminuisce con l'aumento della frequenza del segnale, che mostra una distorsione non lineare e aumenta la componente armonica dell'onda fondamentale. La trasmissione del segnale CATV nella rete in fibra ottica provoca il deterioramento degli indici CSO e CTB. Questi fenomeni sono chiamati caratteristiche di dispersione della fibra ottica, e le caratteristiche di dispersione di quest'ultima sono anche chiamate caratteristiche di larghezza di banda (o caratteristiche di frequenza).
La dispersione della fibra mostra uno stato di propagazione del segnale di ingresso nella fibra, che si riferisce alla distorsione del segnale causata da componenti di frequenza diverse o componenti di modo diverso del segnale ottico che si propaga a velocità diverse. Comprende principalmente la dispersione intermodale, la dispersione cromatica e la dispersione in modalità di polarizzazione.
Dispersione intermodale
La dispersione intermodale è una sorta di meccanismo di distorsione del segnale nelle fibre multimodali e in altre guide d'onda. Nella fibra multimodale, i raggi di luce che entrano nella fibra a diversi angoli incidenti sono definiti come un percorso o una modalità. A causa del diverso percorso di trasmissione di ciascuna modalità, anche la velocità di trasmissione (velocità di gruppo) è diversa, quindi si verifica la differenza di tempo nella trasmissione del segnale tra le modalità al terminale in fibra ottica. In generale, alcuni raggi luminosi passeranno direttamente attraverso il nucleo (modalità assiale), mentre altri si rifletteranno avanti e indietro tra i confini del rivestimento / nucleo e si propagheranno lungo la guida d'onda a zig-zag, come mostrato nella fibra multimodale dell'indice di passo nella figura seguente. Il fatto è che una volta che la luce viene rifratta, si verifica una dispersione intermodale / modalità di dispersione. Esiste una correlazione positiva tra l'IMD e il percorso di trasmissione. Vale a dire, l'IMD causato dalla modalità di ordine superiore (il percorso è più lungo quando il raggio entra con un angolo maggiore) è maggiore di quello causato dalla modalità di ordine inferiore (il percorso è più breve quando il raggio entra in un angolo).
La fibra multimodale può ospitare fino a 17 modalità di propagazione della luce contemporaneamente e la sua dispersione intermodale è molto superiore a quella della fibra monomodale. Questo perché la fibra monomodale ha una singola modalità di propagazione, cioè la luce si propaga lungo il nucleo (modalità assiale) senza riflettersi sul bordo del rivestimento, quindi non c'è dispersione intermodale.
Tuttavia, la situazione è diversa se viene utilizzata la fibra multimodale a indice graduato. Sebbene la luce si propaga anche in modi diversi, a causa dell'indice di rifrazione irregolare del nucleo, il percorso della luce non è più una linea retta ma una curva, e cambia anche la velocità di propagazione della luce. Pertanto, la dispersione tra modalità può essere notevolmente ridotta selezionando la distribuzione dell'indice di rifrazione appropriata.
Dispersione cromatica
La dispersione cromatica si riferisce al fenomeno dell'ampliamento dell'impulso ottico causato da diverse velocità di gruppo di diversi componenti di lunghezza d'onda nella fibra ottica, inclusa la dispersione del materiale e la dispersione della guida d'onda.
La dispersione del materiale è causata dalla dipendenza dalla lunghezza d'onda dell'indice di rifrazione dal materiale del nucleo, mentre la dispersione della guida d'onda è causata dalla dipendenza della costante di propagazione del modo dai parametri della fibra (raggio del nucleo, differenza dell'indice di rifrazione tra nucleo e rivestimento) e dalla lunghezza d'onda del segnale. A determinate frequenze, la dispersione del materiale e la dispersione della guida d'onda possono annullarsi a vicenda per ottenere una lunghezza d'onda prossima allo zero dispersione cromatica.
La dispersione cromatica, infatti, non è sempre sfavorevole. La luce si propaga a diverse velocità in diverse lunghezze d'onda o materiali, con conseguente allargamento o compressione degli impulsi luminosi nella fibra, il che rende possibile personalizzare il profilo dell'indice di rifrazione per produrre fibre per scopi diversi. La fibra G. 652 è un esempio.
Dispersione della modalità di polarizzazione
La dispersione della modalità di polarizzazione (PMD) riflette la dipendenza dalla polarizzazione della propagazione delle onde luminose nella fibra ottica. Ci sono due modalità di polarizzazione perpendicolari tra loro nella fibra ottica effettiva. Idealmente, le due modalità di polarizzazione dovrebbero avere le stesse caratteristiche di propagazione delle onde luminose, ma in generale ci sono lievi differenze nelle diverse modalità di polarizzazione. Ciò è dovuto al cambiamento o al disturbo della temperatura, della pressione e di altri fattori nel processo di propagazione, con conseguente diversa velocità di trasmissione delle due modalità di polarizzazione, con conseguente ritardo e dispersione della modalità di polarizzazione.
Come compensare la dispersione?
Sebbene la dispersione della fibra non indebolisca il segnale, accorcia la distanza di propagazione del segnale all'interno della fibra e provoca la distorsione del segnale. Ad esempio, l'impulso ottico di 1 nanosecondo sul trasmettitore verrà ampliato a 10 nanosecondi sul ricevitore, con il risultato che il segnale non può essere ricevuto e decodificato normalmente. Pertanto, è molto importante ridurre la dispersione delle fibre o compensare la dispersione nel DWDM e in altri sistemi di trasmissione a lunga distanza. Quanto segue introdurrà tre strategie e metodi di compensazione della dispersione comunemente usati.
Fibra di compensazione della dispersione
Utilizzando la tecnologia della fibra di compensazione della dispersione (DCF), la fibra di dispersione negativa può essere aggiunta alla fibra convenzionale. Rispetto alla fibra di compensazione della dispersione, il valore di dispersione della fibra convenzionale è molto grande e la dispersione è positiva, il che fa sì che la distribuzione della luce in questo tipo di fibra si riduca o addirittura scompaia. Aggiungendo una fibra di compensazione della dispersione negativa ad essa, la dispersione totale dell'intera linea di fibra può essere approssimativamente zero, in modo da ottenere alta velocità, grande capacità e comunicazione a lunga distanza. Ci sono tre meccanismi di compensazione nella fibra di compensazione della dispersione, inclusa la pre-compensazione, la post-compensazione e la compensazione simmetrica. La fibra con compensazione della dispersione è ampiamente utilizzata nell'aggiornamento del collegamento in fibra a 1310 nm, che lo fa funzionare a 1550 nm.
Grigliato in fibra di Bragg
Il reticolo di fibra di Bragg (FBG) è un tipo di dispositivo riflettente composto da fibra, in grado di modulare l'indice di rifrazione del nucleo entro una certa distanza. Nel sistema di trasmissione da 100 km, l'effetto di dispersione può essere notevolmente ridotto utilizzando questo dispositivo. Quando il raggio passa attraverso il reticolo di Bragg della fibra, la lunghezza d'onda che soddisfa le condizioni di modulazione si rifletterà e il resto della lunghezza d'onda continuerà a passare attraverso il reticolo di Bragg della fibra lungo la fibra. L'utilizzo del reticolo in fibra di Bragg per la compensazione della dispersione presenta grandi vantaggi, poiché il reticolo in fibra di Bragg può essere integrato con altri dispositivi in fibra passiva con bassa perdita di inserzione e basso costo. Inoltre, il reticolo in fibra di Bragg può essere utilizzato non solo come filtro di compensazione della dispersione, ma anche come sensore, stabilizzatore di lunghezza d'onda del laser della pompa e filtro di aggiunta / sottrazione multiplexing a divisione di lunghezza d'onda a banda stretta.
Compensazione elettronica della dispersione
La compensazione elettronica della dispersione (EDC) è un metodo di compensazione della dispersione nei collegamenti di comunicazione ottica utilizzando il filtraggio elettronico (noto anche come equalizzazione), ovvero il filtraggio nel canale di comunicazione per compensare l'attenuazione del segnale causata dal mezzo di trasmissione. La compensazione elettronica della dispersione è solitamente realizzata dal filtro trasversale, la cui uscita è la somma ponderata di una serie di ingressi di ritardo. Può regolare automaticamente il peso del filtro in base alle caratteristiche del segnale ricevuto, cioè adattivo. La compensazione elettronica della dispersione può essere utilizzata nel sistema in fibra monomodale e nel sistema in fibra multimodale. Inoltre, può essere combinato con altre funzioni per IC ricevitore 10Gbit / S. Può ridurre significativamente il costo del trasmettitore del sistema in fibra monomodale e anche aumentare la distanza di trasmissione del sistema in fibra multimodale con una minore perdita di costi del ricevitore.
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