Was ist Faserdispersion?
Unterschiedliche Frequenzkomponenten oder unterschiedliche Modenkomponenten des in der Lichtleitfaser übertragenen optischen Signals (Impulses) breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus, und nach Erreichen einer bestimmten Entfernung treten unvermeidlich Signalverzerrungen (Impulsverbreiterung) auf. Dieses Phänomen wird als Dispersion oder Dispersion von optischen Fasern bezeichnet. Das in der Lichtleitfaser übertragene optische Signal hat eine bestimmte Spektrumsbreite, dh das optische Signal hat viele verschiedene Frequenzkomponenten. Gleichzeitig kann in der Multimode-Faser das optische Signal aus mehreren Moden bestehen, dh jede Frequenzkomponente kann auch aus mehreren Modenkomponenten bestehen.
Die optische Faserdispersion bezieht sich auf die Signalverzerrung, die durch unterschiedliche Frequenzkomponenten und unterschiedliche Modenkomponenten mit unterschiedlicher Übertragungsgeschwindigkeit verursacht wird. In einem digitalen Glasfaserkommunikationssystem verbreitert die Dispersion den optischen Impuls. Wenn die Dispersion schwerwiegend ist, überlappen sich die optischen Impulse, was eine Interferenz zwischen Symbolen verursacht und die Bitfehlerrate erhöht. Daher beeinflusst die Dispersion der optischen Faser nicht nur die Übertragungskapazität der optischen Faser, sondern begrenzt auch die Relaisentfernung des optischen Faserkommunikationssystems.
Wenn sich das Licht in der optischen Faser ausbreitet, weil seine Frequenz keine einzelne Frequenz ist, ist der Arbeitsmodus kein einzelner Arbeitsmodus, so dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit geringfügig unterschiedlich ist, was als Dispersion bezeichnet wird. Wenn die modulierte Welle ein digitaler Impuls ist, wird die Breite des demodulierten Signals erweitert, was einen Bitfehler verursacht und die Verbesserung der Übertragungsrate einschränkt. Wenn die Modulationswellenform ein analoges Signal ist, nimmt der Pegel nach der Erfassung mit zunehmender Signalfrequenz ab, was eine nichtlineare Verzerrung zeigt und die harmonische Komponente der Grundwelle erhöht. Die Übertragung des CATV-Signals in einem Glasfasernetz führt zu einer Verschlechterung der CSO- und CTB-Indizes. Diese Phänomene werden als Dispersionseigenschaften der optischen Faser bezeichnet, und die Dispersionseigenschaften der letzteren werden auch als Bandbreiteneigenschaften (oder Frequenzeigenschaften) bezeichnet.
Die Faserdispersion zeigt einen Ausbreitungszustand des Eingangssignals in der Faser, der sich auf die Signalverzerrung bezieht, die durch verschiedene Frequenzkomponenten oder verschiedene Modenkomponenten des optischen Signals verursacht wird, das sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausbreitet. Es umfasst hauptsächlich intermodale Dispersion, chromatische Dispersion und Polarisationsmodendispersion.
Intermodale Dispersion
Intermodale Dispersion ist eine Art Signalverzerrungsmechanismus in Multimode-Fasern und anderen Wellenleitern. In der Multimode-Faser werden die Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Einfallswinkeln in die Faser eintreten, als Pfad oder Modus definiert. Aufgrund des unterschiedlichen Übertragungswegs jedes Modus ist auch die Übertragungsgeschwindigkeit (Gruppengeschwindigkeit) unterschiedlich, so dass die Zeitdifferenz der Signalübertragung zwischen den Modi zum Glasfaseranschluss auftritt. Im Allgemeinen passieren einige Lichtstrahlen direkt den Kern (axialer Modus), während andere zwischen den Mantel- / Kerngrenzen hin und her reflektieren und sich entlang des Zick-Zack-Wellenleiters ausbreiten, wie in der Multimode-Faser mit Stufenindex in der folgenden Abbildung gezeigt. Tatsache ist, dass, sobald das Licht gebrochen ist, eine intermodale Dispersion / Modenstreuung auftritt. Es besteht eine positive Korrelation zwischen dem IMD und dem Übertragungsweg. Das heißt, die IMD, die durch den Modus höherer Ordnung verursacht wird (der Pfad ist länger, wenn der Strahl in einem größeren Winkel eintritt), ist höher als diejenige, die durch den Modus niedrigerer Ordnung verursacht wird (der Pfad ist kürzer, wenn der Strahl in einem kleineren Winkel eintritt) Winkel).
Multimode-Fasern können gleichzeitig bis zu 17 Modi der Lichtausbreitung aufnehmen, und ihre Streuung zwischen den Moden ist viel höher als die der Einmodenfasern. Dies liegt daran, dass die Einmodenfaser einen Einzelausbreitungsmodus hat, dh das Licht breitet sich entlang des Kerns aus (axialer Modus), ohne an der Mantelgrenze zu reflektieren, so dass es keine Streuung zwischen den Moden gibt.
Die Situation ist jedoch anders, wenn eine Multimode-Faser mit abgestuftem Index verwendet wird. Obwohl sich das Licht aufgrund des ungleichmäßigen Brechungsindex des Kerns auch in verschiedenen Moden ausbreitet, ist der Lichtweg keine gerade Linie mehr, sondern eine Kurve, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ändert sich ebenfalls. Daher kann die Intermodendispersion durch Auswahl der geeigneten Brechungsindexverteilung stark reduziert werden.
Chromatische Dispersion
Chromatische Dispersion bezieht sich auf das Phänomen der optischen Impulsverbreiterung, das durch unterschiedliche Gruppengeschwindigkeiten verschiedener Wellenlängenkomponenten in optischen Fasern verursacht wird, einschließlich Materialdispersion und Wellenleiterdispersion.
Die Materialdispersion wird durch die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex vom Kernmaterial verursacht, während die Wellenleiterdispersion durch die Abhängigkeit der Modenausbreitungskonstante von den Faserparametern (Kernradius, Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel) und der Signalwellenlänge verursacht wird. Bei bestimmten Frequenzen können sich die Materialdispersion und die Wellenleiterdispersion gegenseitig aufheben, um eine Wellenlänge nahe der chromatischen Dispersion nahe Null zu erhalten.
Tatsächlich ist die chromatische Dispersion nicht immer ungünstig. Licht breitet sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Wellenlängen oder Materialien aus, was zur Verbreiterung oder Komprimierung von Lichtimpulsen in der Faser führt, wodurch das Brechungsindexprofil angepasst werden kann, um Fasern für unterschiedliche Zwecke herzustellen. G. 652 Faser ist ein Beispiel.
Polarisationsmodendispersion
Die Polarisationsmodendispersion (PMD) spiegelt die Polarisationsabhängigkeit der Lichtwellenausbreitung in optischen Fasern wider. In der eigentlichen optischen Faser gibt es zwei Polarisationsmoden senkrecht zueinander. Idealerweise sollten die beiden Polarisationsmodi die gleichen Lichtwellenausbreitungseigenschaften aufweisen, aber im Allgemeinen gibt es geringfügige Unterschiede bei den verschiedenen Polarisationsmodi. Dies ist auf die Änderung oder Störung von Temperatur, Druck und anderen Faktoren im Ausbreitungsprozess zurückzuführen, was zu einer unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeit der beiden Polarisationsmodi führt, was zu einer Verzögerung und einer Dispersion des Polarisationsmodus führt.
Wie kann man die Streuung kompensieren?
Obwohl die Faserdispersion das Signal nicht schwächt, verkürzt sie die Ausbreitungsstrecke des Signals innerhalb der Faser und verursacht eine Signalverzerrung. Beispielsweise wird der optische Impuls von 1 Nanosekunde am Sender am Empfänger auf 10 Nanosekunden verbreitert, was dazu führt, dass das Signal nicht normal empfangen und decodiert werden kann. Daher ist es sehr wichtig, die Faserdispersion zu verringern oder die Dispersion in DWDM und anderen Fernübertragungssystemen zu kompensieren. Im Folgenden werden drei häufig verwendete Dispersionskompensationsstrategien und -methoden vorgestellt.
Dispersionskompensationsfaser
Durch Verwendung der Dispersionskompensationsfaser (DCF) -Technologie kann einer herkömmlichen Faser eine negative Dispersionsfaser zugesetzt werden. Verglichen mit der Dispersionskompensationsfaser ist der Dispersionswert der herkömmlichen Faser sehr groß und die Dispersion ist positiv, wodurch die Lichtverteilung in dieser Art von Faser verringert wird oder sogar verschwindet. Durch Hinzufügen einer negativen Dispersionskompensationsfaser kann die Gesamtdispersion der gesamten Faserleitung ungefähr Null sein, um eine hohe Geschwindigkeit, große Kapazität und Fernkommunikation zu erreichen. Es gibt drei Kompensationsmechanismen in Dispersionskompensationsfasern, einschließlich Vorkompensation, Nachkompensation und symmetrische Kompensation. Dispersionskompensierte Fasern werden häufig bei der Aufrüstung von 1310-nm-Faserverbindungen verwendet, wodurch sie bei 1550 nm laufen.
Faser-Bragg-Gitter
Das Faser-Bragg-Gitter (FBG) ist eine Art reflektierende Vorrichtung aus Faser, die den Kernbrechungsindex innerhalb eines bestimmten Abstands modulieren kann. Im 100 km-Übertragungssystem kann der Dispersionseffekt durch Verwendung dieses Geräts erheblich verringert werden. Wenn der Strahl durch das Faser-Bragg-Gitter geht, wird die Wellenlänge, die die Modulationsbedingungen erfüllt, reflektiert, und der Rest der Wellenlänge wird weiterhin durch das Faser-Bragg-Gitter entlang der Faser laufen. Die Verwendung eines Faser-Bragg-Gitters zur Dispersionskompensation hat große Vorteile, da ein Faser-Bragg-Gitter mit geringem Einfügungsverlust und geringen Kosten in andere passive Faservorrichtungen integriert werden kann. Darüber hinaus kann das Faser-Bragg-Gitter nicht nur als Dispersionskompensationsfilter verwendet werden, sondern auch als Sensor, Wellenlängenstabilisator des Pumplasers und Schmalband-Wellenlängenmultiplex-Additions- / Subtraktionsfilter.
Elektronische Dispersionskompensation
Die elektronische Dispersionskompensation (EDC) ist ein Verfahren zur Dispersionskompensation in optischen Kommunikationsverbindungen unter Verwendung einer elektronischen Filterung (auch als Entzerrung bekannt), dh einer Filterung im Kommunikationskanal, um die durch das Übertragungsmedium verursachte Signaldämpfung zu kompensieren. Die elektronische Dispersionskompensation wird normalerweise durch ein Querfilter realisiert, dessen Ausgang die gewichtete Summe einer Reihe von Verzögerungseingängen ist. Es kann das Filtergewicht automatisch an die Eigenschaften des empfangenen Signals anpassen, dh adaptiv. Die elektronische Dispersionskompensation kann in einem Einmoden-Fasersystem und einem Mehrmoden-Fasersystem verwendet werden. Darüber hinaus kann es mit anderen Funktionen für 10-Gbit / S-Empfänger-IC kombiniert werden. Es kann die Senderkosten eines Einmoden-Fasersystems erheblich reduzieren und auch die Übertragungsentfernung eines Mehrmoden-Fasersystems mit weniger Empfängerkostenverlust erhöhen.
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