Применения в оптических системах связи

В волоконно-оптических системах связи информации передается по волокну в виде закодированной последовательности оптических импульсов, длительность которых определяется скоростью передачи В (бит/с) системы. Дисперсионное уширение импульсов нежелательно, так как оно мешает приему сигналов, приводя к ошибкам при передаче информации. Ясно, что ДГС будет ограничивать скорость передачи В и длину линии передачи L волоконно-оптической системы связи. Удобной мерой, характеризующей информационную емкость линии связи, является произведение скорости передачи на длину линии передачи информации BL. В этом разделе рассматривается, как ДГС ограничивает величину BL.

Сначала рассмотрим случай, когда уширение импульса определяется главным образом большой спектральной шириной источника (). Предполагая вклад пренебрежимо малым и считая V> > 1, получаем

,

где L – длина световода. Если , то благодаря ДГС произведение BL ограничено величиной

, (1)

где - полная спектральная ширина и - максимально допустимый коэффициент уширения. В качестве иллюстрации рассмотрим случай, когда источником является многомодовый полупроводниковый лазер, для которого Тгц. Если система работает на длине волны, соответствующей минимальным потерям в световоде, то . Предположим, что конструкция системы требует, чтобы импульс уширялся не более чем на 20% от начальной длительности при распространении в световоде, т.е. . Для таких значений из уравнения (1) следует, что . Для световода длиной 50 км ДГС ограничивает скорость передачи относительно низкой величиной, около 100 Мбит/с. Однако есть многомодовый полупроводниковый лазер работает на длине волны вблизи нуля дисперсии (1, 3 мкм), то можно добиться величины дисперсии , что позволит увеличить предел произведения BL до . Тогда многомодовые лазеры можно использовать вплоть до скоростей передачи 2 Гбит/с на 50 км.

В волоконно-оптических системах связи, работающих на длине волны 1, 55 мкм, чтобы уменьшить действие ДГС, можно идти двумя путями. Во-первых, использовать световоды со смещенной дисперсией, в которых длина волны минимальной дисперсии совпадает с длиной волны минимальных потерь. И, во-вторых использовать полупроводниковые лазеры, работающие преимущественно на одной продольной моде, так чтобы спектральная ширина источника в непрерывной генерации была ниже 100 МГц. Для таких лазеров в равнении (1) под W понимается уже ширина спектра импульса. Если гауссовский импульс не имеет частотной модуляции, . Тогда из уравнения (1) следует, что при L=50 км ДГС некритична вплоть до скоростей передачи 10 Гбит/с.

Таких впечатляющих параметров, вообще говоря, трудно достичь, если для получения закодированной последовательности битов полупроводниковый лазер модулируется непосредственно. Дело в том, что импульсы, излучаемые лазером с прямой модуляцией токов обладают частотной модуляцией, поэтому при рассмотрении дисперсионного уширения импульсов необходимо учитывать влияние частотной модуляции. В случае частотно-модулированного гауссовского импульса выходная длительность импульса связана с начальной длительностью .

Рис. 1

На рис. 1 показан предел произведения как функция параметра частотной модуляции C при . Для сравнения также приведена кривая, полученная для частотно-модулированных супергауссовских импульсов при m=3.

На рис. 1 особенно заметно, что величина произведение BL при отрицательных значениях частотной модуляции С резко падает. Это происходит из-за того, что уширение импульса растет, когда положительно. К сожалению, для полупроводниковых лазеров с непосредственной модуляцией, работающих на длине волны 1, 55 мкм, С обычно отрицательно и имеет типичную величину около 5-6. Для таких значений С ВL ограничено величиной . Поэтому оптические системы связи на длине волны 1, 55 мкм часто ограничены дисперсией, даже если в качестве источников используются одномодовые полупроводниковые лазеры. При L=50 км такие системы могут работать со скоростью В< 2 Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости возможно на пути использования либо лазеров без частотной модуляции, либо световодов со смещенной дисперсией.