Коротко — причина и способы борьбы.
Почему возникают межмодовые интерференции и искажения
- Многомодовое ОВ содержит множество пространственных мод с разными эффективными индексами $n_{\text{eff},m}$. Каждая мода имеет свою групповую скорость $v_{g,m}=c/n_{g,m}$, поэтому импульсы в разных модах приходят с разными задержками (межмодовая дисперсия). Для ступенчатого профиля максимальная разность задержек на длине $L$ приближённо
$$\Delta \tau \approx \frac{n_{1}L}{c}(1-\frac{n_2}{n_1})\approx \frac{n_{1}L}{c}\Delta ,$$ где $\Delta =(n_1-n_2)/n_1$.
- Интерференция возникает, когда моды перекрываются по времени и сохраняют когерентную фазовую связь. Условие существенной интерференции примерно
$$\Delta \tau \lesssim {\tau }_c,$$ где ${\tau }_c$ — время когерентности источника (для трансформ-лимитированного импульса ${\tau }_c\sim {\tau }_p$). Если $\Delta \tau$ сопоставимо с ${\tau }_c$, наложение мод даёт временные фликеры/спекл и фазовые искажения; если $\Delta \tau \gg {\tau }_c$, импульсы разнесены во времени — главная проблема тогда — расширение импульса и ИСИ (интерсимвольные помехи).
- Короткие (временно узкие) импульсы имеют широкую спектральную полосу, поэтому фазовая и частотная зависимость передачи разных мод приводит к сложной временно-частотной реструктуризации сигнала (хроматическая и межмодовая дисперсия суммарно).
Методы борьбы (телекоммуникации)
- Переход на одномодовое волокно — устраняет межмодовую интерференцию и дисперсию (самый радикальный и распространённый способ).
- Градиентный профиль (graded‑index MMF) — профиль с близким к параболическому индексом выравнивает время пролёта мод; для идеального параболического профиля межмодовая дисперсия стремится к нулю (практически сильно уменьшена).
- Снижение когерентности источника / использование светодиодов или «размытого» лазерного запуска — уменьшает стабильную интерференцию (меньше модальной шума).
- Управление возбуждением мод (launch conditioning, mode scramblers, offset launch) — равномерное или контролируемое возбуждение снижает чувствительность к флуктуациям и модальной помехе.
- Оптические/электронные компенсаторы:
- Оптическая коррекция профиля/фильтрация мод;
- Электронная эквализация на приёме (equalizers) — компенсирует временные искажения;
- Приёмники с когерентной детекцией плюс MIMO‑DSP (в случае нескольких устойчиво перемешанных мод): модель линейной канальной матрицы
$$\mathbf{y}(t)=\mathbf{H}(t)\ast \mathbf{x}(t)+\mathbf{n}(t),$$ и цифровой MIMO‑эквалайзер инвертирует $\mathbf{H}$.
- Ограничение длины канала или скорости (bandwidth‑length): допустимая битовая скорость определяется расширением импульса $\Delta \tau$: примерно $R_{\max }\sim 1/(2\Delta \tau )$.
- Для систем пространственного мультиплексирования — модовый мультиплексор/демультиплексор (photonic lantern, mode‑selective couplers) и последующая DSP‑компенсация.
Кратко по практическому выбору: для высоких скоростей и больших расстояний — одномодовое волокно; для недорогих LAN/short‑reach решений — graded‑index MMF + корректный выбор источника/launch‑условий и при необходимости DSP/эквализация.