Введение к работе
-3-
Актуальность темы. Главные тенденции развития волоконно-оптической связи сегодня - увеличение быстродействия приемопередающей аппаратуры и увеличение расстояния между оптоэлек-тронными ретрансляторами.
При распространении импульса в световоде его длительность увеличивается из-за дисперсии, поэтому для повышения скорости передачи в современных высокоскоростных линиях связи используются одномодовые оптические волокна с компенсированной хроматической дисперсией. В таких волокнах главной причиной ушире-ния импульса при передаче является межмодовая дисперсия, обусловленная различием групповых скоростей двух поляризационных мод, называемая поляризационной модовой дисперсией (ПМД). В телекоммуникационных линиях используется одномодовое оптическое волокно без специально наведенной анизотропии и ПМД возникает при вытяжке, нанесении защитного покрытия, каблировании и монтаже линии связи.
Величина ПМД для телекоммуникационных волокон лежит в пределах 0.1-1 пс/км"2, что примерно на порядок меньше материальной и волноводной дисперсии. По мнению экспертов Международного телекоммуникационного союза ПМД на уровне 0.5 пс/км"2 позволяет передать сигнал в стандарте STM-64 со скоростью 10 Гб/с на расстояние около 400 км.
Новые крупные телекоммуникационные проекты предусматривают передачу сигнала со скоростью 40 Гб/с на расстояние свыше 1000 км и ПМД становится преобладающим фактором, ограничивающим скорость передачи информации.
Сегодня в мире проводится большое количество исследований поляризационных свойств одномодовых световодов, предложено несколько методов измерения ПМД. Их можно разделить на три класса: измерения с помощью широкополосного источника излучения и монохроматора, интерферометрические измерения и нахождение ПМД по результатам измерения матрицы Джонса.
Все вышеперечисленные методы исследования поляризационной модовой дисперсии позволяют измерить только полное запаздывание при прохождении сигнала через весь световод.
Распределение ПМД по длине световода несет существенную информацию, так как волоконно-оптическая трасса обычно состоит из строительных длин по 2-6 км, каждая из которых может иметь свой коэффициент ПМД. Наличие участка с большим количеством изгибов волокон вызывает сильное наведенное двулучепреломлени-ем и может привести к недопустимо высокой величине ПМД всей линии.
Для исследования зависимости ПМД от длины световода е нами использовался подход, основанный на анализе обратно рассеянного световоде излучения. Этот подход является развитием рефлектометрии, нашедшей практическое применение для измерения потерь в волоконно-оптических линиях связи. В отличие от амплитудной рефлектометрии, при которой измеряют интенсивность обратно рассеянного импульса, в диссертации анализируется поляризационная структура рассеянного излучения. В существующих работах по поляризационной рефлектометрии рассматривались в основном анизотропные волокна, используемые в нолоконно-оптически> датчиках и гироскопах. При этом с помощью рефлектометра измерялся только параметр h, то есть параметр сохранения состояния поляризации. В других работах измерялся спектр сигнала поляризаци-
o-энных биений, по которому производилась оценка двулучепрелом-гсения в световоде.
Актуальным представляется исследование поляризационных свойств и распределения ПМД в телекоммуникационных волокнах. Исследования ПМД световода с помощью рефлектометра приводят к обратной задаче поляризационной рефлектометрии, то есть к определению дифференциальной матрицы Джонса световода по ре-$ультатам рефлектометрических измерений. Сложность этой задачи состоит в том, что сигнал рефлектометра зависит только от эллиптичности световой волны в точке рассеяния и не зависит от ее азимута. Нами показано, что локальный азимут и двулучепреломление в каждой точке световода могут быть определены по результатам рефлектометрических измерений для двух входных линейных состояний поляризации. После нахождения локальных параметров поляризационной анизотропии встает задача об определении зависимости матрицы Джонса в каждой точке световода от частоты. Решение этих двух задач позволяет разработать метод измерения эволюции ПМД по длине световода, который представляется актуальным цля проектирования и контроля новых высокоскоростных линий связи.
Целью работы является теоретический расчет и экспериментальная разработка рефлектомстрнческого метода измерения зависимости поляризационной модовой дисперсии от длины световода.
Методика исследования осьшвана на представлении нерегулярного световода в виде набора случайным образом развернутых двулуче-преломляющих пластинок в предположении, что в телекоммуника-
ционном одномодовом волокне можно пренебречь оптической активностью и дихроизмом световода.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
-
Решена обратная задача поляризационной рефлектометрии, определены локальные азимут и двулучепреломление в каждой точке световода по эволюции эллиптичностей рассеянного света.
-
Получены выражения, позволяющие рассчитать распределение ПМД световода по локальным параметрам его поляризационной анизотропии.
-
Произведены расчеты ПМД по компьютерным моделям световодов.
-
Создана экспериментальная установка для измерения распределения ПМД в одномодовом световоде, произведено измерение ПМД по дифференциальной матрице Джонса и по измерениям на двух близких частотах. Определено распределение ПМД в оптическом волокне фирмы Fujikura. 0
Практическая ценность работы определяется следующими положениями:
-
Разработан метод расчета распределения ПМД световода по результатам рефлектометрических измерений.
-
Оценено влияние конечной ширины импульса рефлектометра на точность измерения параметров поляризационной анизотропии и ПМД.
-
Установка для определения зависимости ПМД телекоммуникационного световода от его длины может быть использована для тестирования высокоскоростных линий связи.
:новные положения, выносимые на защиту. На основе исследова-й, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся едующие положения:
Решение обратной задачи поляризационной рефлектометрии -ределение локальных параметров поляризационной анизотропии локна по результатам рефлектометрических измерений.
Методы расчета поляризационной модовой дисперсии в одномо-вом волокне: по дифференциальной матрице Джонса световода и
рефлектометрическим измерениям на двух близких частотах.
Результаты рефлектометрических исследований зависимости ^1Д от длины световода L, подтверждающие статистическую моль, предсказывающую накопление ПМД как 1_"\
>стоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивали использованием основных посылок, допущений и уравнений, вверенных экспериментом и к настоящему времени не вызываю-IX сомнений. Теоретический анализ проверялся компьютерным іделированием, при котором проверялось соответствие восста-влсшга интегральных параметров поляризационной анизотропии и кального двулучепреломления изначально заданным значениям. :спериментальные данные по определению ПМД проверялись со-ветствием результатов, полученных различными методами (имений и соответствия измеренных значений ПМД значениям, прнве-нным ь спецификации световода.
іробация работы. Материалы, включенные и диссертацию, докла-івались на научных семинарах ИІ'') 1'ЛН, научных сессиях обще-
-8-ства им. Попова в 96 и 98 г., Международной конференции ICON* 98, конференции в Нижнем Новгороде (98 г.) и Международш конференции SPIE Optical Science, Engineering and Instrumentation ' в San-Diego, США.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано (включ принятые к печати) 10 печатных работ. Список трудов приведён конце автореферата.
