پاشندگی در فیبرهای نوری Chromatic Dispersion

پاشندگی در فیبرهای نوری Chromatic Dispersion

تعریف پاشندگی رنگی:

پاشندگی رنگی یکی از خواص معمول فیبر می باشد که باعث می شود طول موجهای متفاوتی از نور با سرعت متفاوت انتشار یابند و در طول فیبر نوری حرکت کنند. در فیبر نوری وابستگی به طول موج مواد و ساختار ضریب شکست باعث ایجاد چارچوبی میشود که نور در این راستا محدود شده و انتشار یابد.

در انتقالات مخابرات نوری، به دلیل وجود پاشندگی رنگی، یک پالس نوری از چندین طول موج تشکیل شده که هر کدام از آن ها سرعت متفاوتی دارند. یک پالس با طول موج های متفاوت که در طول فیبر پخش می شود در بازه های زمانی متفاوت به مقصد می رسد. وابستگی طول موج به سرعت گروهی را به نام پاشندگی سرعت گروهی هم می شناسند. البته پاشندگی سرعت گروهی و پاشندگی رنگی در تشریح انتشار طول موج در سرعت های متفاوت ممکن است به جای همدیگر هم استفاده شوند.

انتشار پالس در سیستم انتقال نوری DWDM می تواند به بیت مجاور تجاوز کند که باعث اختلال و کاهش کیفیت سیستم انتقال می شود. بنابراین خصوصیات پاشندگی رنگی برای تضمین کیفیت ارسال اطلاعات بسیار مهم می باشد.

 

پارامترهای پاشندگی رنگی

پاشندگی رنگی فیبر تأخیر نسبی رسیدن اجزای دو طول موج که با فاصله یک نانومتر از هم فاصله دارند را به صورت پیکوثانیه بیان می کند که شامل چهار پارامتر می باشد:

۱٫ مقدار پاشندگی رنگی طول موج داده شده به صورت ps/nm نمایش داده می شود (پاشندگی رنگی با عملکرد طول موج ممکن است تغییر یابد)
۲٫ ضریب پاشندگی رنگی در فاصله یک کیلومتری نرمالیزه می شود و به صورت ps/nm.Km نشان داده می شود.
۳٫ شیب پاشندگی رنگی که مقدار آن با تابع طول موج تغییر میکند و به صورت ps/ (nm)^2 نمایش داده می شود.
۴٫ ضریب شیب پاشندگی رنگی در فاصله یک کیلومتری نرمالیزه میشود و به صورت ‎ps/(nm)^2 .km‏ نمایش داده می شود.
طول موج پاشندگی صفر (  ۰لاندا ) به طول موجی گفته می شود که پاشندگی در آن طول موج صفر می باشد و در واحد nm نمایش داده می شود. کار کردن در این طول پاشندگی رنگی را نشان نمی دهد زیرا مقدار آن صفر می باشد اما معمولا مسائل و موارد غیرخطی بودن و مشکل اثر ادغام چهار طول موج (Four-wave mixing effect) در سیستم های DWDM را دارد. شیب در طول موج پاشندگی صفر را شیب پاشندگی صفر می گویند (S0).

 

پاشندگی رنگی منفی و مثبت

هنگامی که پاشندگی رنگی مثبت می باشد امواج کوتاه سریع تر از امواج بلندتر انتشار می یابند. وقتی پاشندگی رنگی منفی است امواج کوتاه، کندتر انتشار می یابد.برای امواج بلند عکس آن نیز صادق است وقتی پاشندگی رنگی مثبت است کندتر و وقتی پاشندگی رنگی منفی است تندتر انتشار می یابد.

پاشندگی رنگی منفی و مثبت

پاشندگی منفی غالبا برای جبران بیش از حد پاشندگی مثبت در شبکه های انتقال نوری استفاده می شود.

دلایل پاشندگی رنگی
ترکیب پاشندگی مواد و موجبر باعث ایجاد پاشندگی رنگی در فیبر Single Mode می شود.

 

۱٫ پاشندگی مواد

ضریب شکست موادی که هسته فیبر را تشکیل می دهند مانند شیشه و ناخالصی به طول موج عبوری از آن بستگی دارد که به تبع آن سرعت هر یک از اجزای طول موج با تغییر طول موج می تواند متغیر باشد.

دلایل پاشندگی رنگی

۲٫ پاشندگی موجبر

پاشندگی موجبر تغییر سرعت گروهی از طول موج های متفاوت است که در درجه اول توسط MFD – Mode Field Diameter یا قطر پرتو نور ایجاد می شود که در رنج طول موج SM می باشد. تفاوت عددی ضریب شکست هسته و غلاف باعث می شود نور با سرعت بیشتری در غلاف نسبت به هسته نشر پیدا کند. اختلاف سرعت انتشار تا حد زیادی از طول موج مستقل است. بنابراین وقتی که MFD افزایش می یابد درصد بیشتری از نور در ناحیه غلاف نشر می یابد که این عمل باعث بالا رفتن سرعت انتشار می شود. طول موج بلندتر MFD بزرگتری را نشان می دهد که باعث انتشار سرعت بالاتری می شود.

 

پاشندگی موجبر

ضریب مشخصات فیبر (تغییرات ضریب شکست در فیبر) و MFD (سطح نور طول موج) با هم پاشندگی موجبر را تعریف و تعیین می کنند.

 

پاشندگی موجبر

پاشندگی موجبر در واحد طول بستگی به پارامترهای زیادی دارد:

اختلاف ضریب شکست غلاف و هسته
قطر هسته : اگر قطر هسته کاهش یابد، پاشندگی افزایش می یابد.
نحوه ساختن فیبر (شکل ظاهری هسته و غلاف و همچنین مشخصات شعاعی آنها)
حدود پاشندگی رنگی در استاندارد ITU-T

در این جا برای نمونه جدول استاندارد حدود پاشندگی رنگی G652.D گذاشته شده است.

 

حدود پاشندگی رنگی در استاندارد ITU-T

پاشندگی حالت پلاریزاسیون (PMD):
همه فیبرها درجه ای از انکسار مضاعف (birefringence) دارند و هسته آن ها در تمام طول فیبر به شکل دایره کامل نیست. انکسار مضاعف فیبر و غیرمدور بودن هسته سبب می شود سیگنال نوری (تک رنگ) به دو سیگنال پلاریزه شده عمود برهم تجزیه شود که حالت پلاریزاسیون آن ها با هم فرق می کند و هر یک با سرعت و فازی متفاوت از دیگری حرکت می کند. همین اتفاق در مورد پالس های سیگنال نوری مدوله شده هم رخ می دهد. هر پالس به دو پالس تجزیه می شود در سرعت و زمان رسیدن به مقصد، پاشندگی پالس رخ می دهد. این پدیده به ویژه در انتقال در فیبرهای SM با نرخ بیت بالا حدود ۲٫۵Gbps بسیار حائز اهمیت است و تحت عنوان پاشندگی حالت پلاریزاسیون PMD خوانده می شود.

طبق تعریف ارائه شده در ITU-T G650 بین دو حالت پلاریزه متعامد با متوسط گیری از اختلاف زمان تأخیر گروهی (DGD) روی طول موج به واحد ps محاسبه می شود.

 

تعریف PMD

انتشار و پخش زمانی انتقال پالس های سیگنال به دلیل انکسار مضاعف را PMD می گویند. PMD به عنوان نتیجه و دلیل تأخیر اختلاف زمانی بین اجزای سیگنال که در دو محور پلاریزه عمود بر هم یا در حالت های اصلی پلاریزاسیون ‎(Principal States Polarization) PSP‏ فیبر نوری انتقال می یابد به صورت ریاضی مدل می شود و عموماً بدین صورت مفهوم سازی می شود. دو PSP با سرعت های متفاوت در فیبر نوری پخش می شوند. این پدیده باعث می شود دو کپی از سیگنال با تاخیر زمانی نسبت به هم ایجاد شود که این امر باعث ایجاد اختلال و اعوجاج شدیدی در گیرنده نوری در انتهای خط می شود. اگرچه، PMD ممکن است با تغییر زمان و فرکانس نوری به دلیل ترتیب اثر بالای PMD تغییر کند. بنابراین سیگنال های ارسالی با کانال های طول موج متفاوت در طی حرکت در فیبر نوری اعوجاج های متفاوتی را تجربه می کنند.

تعریف PMD

تأخیر تفاضلی گروهی ‎(Differential Group Delay) DGD‏:
تفاوت زمانی رسیدن بین دو حالت پلاریزاسیون اصلی را انکسار مضاعف می گویند. فیبرها همیشه دو حالت پلاریزه عمود بر هم که با سرعت های بسیار متفاوت از هم عبور می کنند را نشان می دهند. فیبرها اختلاف تأخیر زمانی بین اجزای سیگنال نوری که در دو حالت پلاریزه کند و تند ارسال می شوند را معرفی می کنند. مقدار PMD در فیبر معمولاً با عنوان DGD و با ?t نمایش داده می شود.

 

منبع:geekboy.ir

 

https://www.favaafzar.com/4783/education/291272-72.aspx