پاشندگی در فیبرهای نوری

پاشندگی در فیبرهای نوری Chromatic Dispersion

تعريف پاشندگي رنگي:

پاشندگي رنگي يکي از خواص معمول فيبر مي باشد که باعث مي شود طول موجهاي متفاوتي از نور با سرعت متفاوت انتشار يابند و در طول فيبر نوري حرکت کنند. در فيبر نوري وابستگي به طول موج مواد و ساختار ضريب شکست باعث ايجاد چارچوبي ميشود که نور در اين راستا محدود شده و انتشار يابد.

در انتقالات مخابرات نوري، به دليل وجود پاشندگي رنگي، يک پالس نوري از چندين طول موج تشکيل شده که هر کدام از آن ها سرعت متفاوتي دارند. يک پالس با طول موج هاي متفاوت که در طول فيبر پخش مي شود در بازه هاي زماني متفاوت به مقصد مي رسد. وابستگي طول موج به سرعت گروهي را به نام پاشندگي سرعت گروهي هم مي شناسند. البته پاشندگي سرعت گروهي و پاشندگي رنگي در تشريح انتشار طول موج در سرعت هاي متفاوت ممکن است به جاي همديگر هم استفاده شوند.

انتشار پالس در سيستم انتقال نوري DWDM مي تواند به بيت مجاور تجاوز کند که باعث اختلال و کاهش کيفيت سيستم انتقال مي شود. بنابراين خصوصيات پاشندگي رنگي براي تضمين کيفيت ارسال اطلاعات بسيار مهم مي باشد.

پارامترهاي پاشندگي رنگي

پاشندگي رنگي فيبر تأخير نسبي رسيدن اجزاي دو طول موج که با فاصله يک نانومتر از هم فاصله دارند را به صورت پيکوثانيه بيان مي کند که شامل چهار پارامتر مي باشد:

1. مقدار پاشندگي رنگي طول موج داده شده به صورت ps/nm نمايش داده مي شود (پاشندگي رنگي با عملکرد طول موج ممکن است تغيير يابد)
2. ضريب پاشندگي رنگي در فاصله يک کيلومتري نرماليزه مي شود و به صورت ps/nm.Km نشان داده مي شود.
3. شيب پاشندگي رنگي که مقدار آن با تابع طول موج تغيير ميکند و به صورت ps/ (nm)^2 نمايش داده مي شود.
4. ضريب شيب پاشندگي رنگي در فاصله يک کيلومتري نرماليزه ميشود و به صورت ‎ps/(nm)^2 .km‏ نمايش داده مي شود.
طول موج پاشندگي صفر (  0لاندا ) به طول موجي گفته مي شود که پاشندگي در آن طول موج صفر مي باشد و در واحد nm نمايش داده مي شود. کار کردن در اين طول پاشندگي رنگي را نشان نمي دهد زيرا مقدار آن صفر مي باشد اما معمولا مسائل و موارد غيرخطي بودن و مشکل اثر ادغام چهار طول موج (Four-wave mixing effect) در سيستم هاي DWDM را دارد. شيب در طول موج پاشندگي صفر را شيب پاشندگي صفر مي گويند (S0).

پاشندگي رنگي منفي و مثبت

هنگامي که پاشندگي رنگي مثبت مي باشد امواج کوتاه سريع تر از امواج بلندتر انتشار مي يابند. وقتي پاشندگي رنگي منفي است امواج کوتاه، کندتر انتشار مي يابد.براي امواج بلند عکس آن نيز صادق است وقتي پاشندگي رنگي مثبت است کندتر و وقتي پاشندگي رنگي منفي است تندتر انتشار مي يابد.

پاشندگي رنگي منفي و مثبت

پاشندگي منفي غالبا براي جبران بيش از حد پاشندگي مثبت در شبکه هاي انتقال نوري استفاده مي شود.

دلايل پاشندگي رنگي
ترکيب پاشندگي مواد و موجبر باعث ايجاد پاشندگي رنگي در فيبر Single Mode مي شود.

1. پاشندگي مواد

ضريب شکست موادي که هسته فيبر را تشکيل مي دهند مانند شيشه و ناخالصي به طول موج عبوري از آن بستگي دارد که به تبع آن سرعت هر يک از اجزاي طول موج با تغيير طول موج مي تواند متغير باشد.

دلايل پاشندگي رنگي

2. پاشندگي موجبر

پاشندگي موجبر تغيير سرعت گروهي از طول موج هاي متفاوت است که در درجه اول توسط MFD – Mode Field Diameter يا قطر پرتو نور ايجاد مي شود که در رنج طول موج SM مي باشد. تفاوت عددي ضريب شکست هسته و غلاف باعث مي شود نور با سرعت بيشتري در غلاف نسبت به هسته نشر پيدا کند. اختلاف سرعت انتشار تا حد زيادي از طول موج مستقل است. بنابراين وقتي که MFD افزايش مي يابد درصد بيشتري از نور در ناحيه غلاف نشر مي يابد که اين عمل باعث بالا رفتن سرعت انتشار مي شود. طول موج بلندتر MFD بزرگتري را نشان مي دهد که باعث انتشار سرعت بالاتري مي شود.

پاشندگي موجبر

ضريب مشخصات فيبر (تغييرات ضريب شکست در فيبر) و MFD (سطح نور طول موج) با هم پاشندگي موجبر را تعريف و تعيين مي کنند.

پاشندگي موجبر

پاشندگي موجبر در واحد طول بستگي به پارامترهاي زيادي دارد:

 اختلاف ضريب شکست غلاف و هسته
قطر هسته : اگر قطر هسته کاهش يابد، پاشندگي افزايش مي يابد.
نحوه ساختن فيبر (شکل ظاهري هسته و غلاف و همچنين مشخصات شعاعي آنها)
حدود پاشندگي رنگي در استاندارد ITU-T

در اين جا براي نمونه جدول استاندارد حدود پاشندگي رنگي G652.D گذاشته شده است.

حدود پاشندگي رنگي در استاندارد ITU-T

پاشندگي حالت پلاريزاسيون (PMD):
همه فيبرها درجه اي از انکسار مضاعف (birefringence) دارند و هسته آن ها در تمام طول فيبر به شکل دايره کامل نيست. انکسار مضاعف فيبر و غيرمدور بودن هسته سبب مي شود سيگنال نوري (تک رنگ) به دو سيگنال پلاريزه شده عمود برهم تجزيه شود که حالت پلاريزاسيون آن ها با هم فرق مي کند و هر يک با سرعت و فازي متفاوت از ديگري حرکت مي کند. همين اتفاق در مورد پالس هاي سيگنال نوري مدوله شده هم رخ مي دهد. هر پالس به دو پالس تجزيه مي شود در سرعت و زمان رسيدن به مقصد، پاشندگي پالس رخ مي دهد. اين پديده به ويژه در انتقال در فيبرهاي SM با نرخ بيت بالا حدود 2.5Gbps بسيار حائز اهميت است و تحت عنوان پاشندگي حالت پلاريزاسيون PMD خوانده مي شود.

طبق تعريف ارائه شده در ITU-T G650 بين دو حالت پلاريزه متعامد با متوسط گيري از اختلاف زمان تأخير گروهي (DGD) روي طول موج به واحد ps محاسبه مي شود.

تعريف PMD
انتشار و پخش زماني انتقال پالس هاي سيگنال به دليل انکسار مضاعف را PMD مي گويند. PMD به عنوان نتيجه و دليل تأخير اختلاف زماني بين اجزاي سيگنال که در دو محور پلاريزه عمود بر هم يا در حالت هاي اصلي پلاريزاسيون ‎(Principal States Polarization) PSP‏ فيبر نوري انتقال مي يابد به صورت رياضي مدل مي شود و عموماً بدين صورت مفهوم سازي مي شود. دو PSP با سرعت هاي متفاوت در فيبر نوري پخش مي شوند. اين پديده باعث مي شود دو کپي از سيگنال با تاخير زماني نسبت به هم ايجاد شود که اين امر باعث ايجاد اختلال و اعوجاج شديدي در گيرنده نوري در انتهاي خط مي شود. اگرچه، PMD ممکن است با تغيير زمان و فرکانس نوري به دليل ترتيب اثر بالاي PMD تغيير کند. بنابراين سيگنال هاي ارسالي با کانال هاي طول موج متفاوت در طي حرکت در فيبر نوري اعوجاج هاي متفاوتي را تجربه مي کنند.

تعريف PMD

تأخير تفاضلي گروهي ‎(Differential Group Delay) DGD‏:
تفاوت زماني رسيدن بين دو حالت پلاريزاسيون اصلي را انکسار مضاعف مي گويند. فيبرها هميشه دو حالت پلاريزه عمود بر هم که با سرعت هاي بسيار متفاوت از هم عبور مي کنند را نشان مي دهند. فيبرها اختلاف تأخير زماني بين اجزاي سيگنال نوري که در دو حالت پلاريزه کند و تند ارسال مي شوند را معرفي مي کنند. مقدار PMD در فيبر معمولاً با عنوان DGD و با ?t نمايش داده مي شود.

 

منبع:geekboy.ir