Що таке дисперсія волокна? Як компенсувати дисперсію?

Дисперсія волокна показує стан поширення вхідного сигналу у волокні. Це стосується спотворення сигналу, спричиненого розповсюдженням різних частотних компонентів або різних модових компонентів оптичного сигналу з різними швидкостями. В основному воно включає три випадки: міжмодову дисперсію, дисперсію кольоровості та дисперсію поляризаційної моди.

Міжмодова дисперсія — це механізм спотворення сигналу, який виникає в багатомодових волокнах та інших хвилеводах. У багатомодовому волокні світлові промені, що входять у волокно під різними кутами падіння, визначаються як шлях або візерунок. Оскільки шлях передачі кожної моди різний, її Швидкість передачі (тобто групова швидкість) також різна, тому існує різниця в часі між режимами передачі сигналу для досягнення оптоволоконного терміналу. Загалом, деяке світло проходить безпосередньо через серцевину (в осьовому режимі), тоді як інше відбивається назад і вперед між межами оболонки/серцевини та рухаються зигзагоподібно вздовж хвилеводу, як показано на багатомодовому волокні зі ступінчастим індексом нижче. Справа в тому, що як тільки світло заломлюється, виникає міжмодова/модова дисперсія. Серед них міжмодова дисперсія позитивно корелює з трактом передачі, тобто міжмодова дисперсія, спричинена модою високого порядку (промінь входить під більшим кутом на більшу відстань), є вищою, ніж дисперсія, викликана низькою -режим порядку (промінь входить під меншим кутом на меншу відстань).

Багатомодове волокно може підтримувати до 17 режимів поширення променів одночасно, а його міжмодова дисперсія набагато вища, ніж у одномодового волокна. Це пояснюється тим, що одномодове волокно має один режим поширення, тобто світло поширюється вздовж серцевини (осьовий режим) без відбивання від межі оболонки, тому не виникає міжмодова дисперсія. Однак, якщо використовується багатомодове волокно з градуйованим індексом, ситуація інша. Хоча світло також поширюється в різних модах, через нерівномірний показник заломлення серцевини волокна, шлях світлових променів є не прямою, а кривою, і швидкість поширення світлових променів також змінюється. Таким чином, міжмодову дисперсію можна значно зменшити шляхом вибору відповідного розподілу показника заломлення.

Матеріальна дисперсія зумовлена ​​залежністю показника заломлення від довжини хвилі матеріалу серцевини, тоді як хвилеводна дисперсія зумовлена ​​залежністю константи поширення моди від параметрів волокна (радіус серцевини, різниця показників заломлення між серцевиною та оболонка) і довжина хвилі сигналу. На певних частотах дисперсія матеріалу та дисперсія хвилеводу можуть компенсувати одна одну, отже, виходить довжина хвилі, наближена до 0 дисперсії кольоровості. Насправді дисперсія кольоровості не завжди є шкідливою. Світло поширюється з різними швидкостями в різних довжинах хвиль або матеріалах, викликаючи розширення або стиснення світлових імпульсів у волокні, що дає змогу налаштовувати профілі показника заломлення для виробництва волокон для різних цілей. Одним із прикладів є оптичне волокно G.652.

Поляризаційна модова дисперсія (PMD) відображає поляризаційну залежність характеристик поширення світлових хвиль у оптичних волокнах. У фактичних оптичних волокнах є дві поляризаційні моди, які перпендикулярні одна до одної. В ідеалі два режими поляризації повинні мати однакові характеристики поширення хвилі, але загалом існують незначні відмінності між різними режимами поляризації. Це пов’язано зі зміною або порушенням температури, тиску та інших факторів у процесі поширення, що призводить до різних швидкості передачі двох режимів поляризації, що призводить до затримки часу та дисперсії режиму поляризації.