Оптические волокна для линий связи (стр. 2 )

Уширение импульсов в одномодовых волокнах возникает как из-за зависимости скорости распространения света от длины волны (хроматическая дисперсия), так и из-за зависимости этой скорости от состояния поляризации света (поляризационная дисперсия). Полная хроматическая дисперсия в линии может быть сделана достаточно малой за счет использования волокон со смещенной дисперсией (DS –Dispersion Shifted) или за счет её компенсации путем включения в линию связи волокон с противоположными знаками хроматической дисперсии.

Поляризационная дисперсия становится существенной только при большом расстоянии между ретрансляторами и высокой скорости передачи 10 Гбит/с (STM-64) и выше. Поэтому ранее на нее не обращали внимания и в «старые» линии укладывались волокна с недопустимо большой по сегодняшним меркам поляризационной дисперсией. Компенсировать же поляризационную дисперсию из-за её случайной природы значительно сложнее. В настоящее время такую компенсацию удается осуществлять только при передаче сигналов на одной длине волны (в узкой полосе частот). В новых моделях одномодовых волокон требования к поляризационной дисперсии существенно выше, и она, как правило, меньше почти на порядок, чем в старых моделях SM волокон.

С внедрением оптических усилителей в волоконные линии связи стало экономически целесообразным осуществлять передачу сигналов по одному волокну одновременно на многих длинах волн, так как все они могут быть усилены одним оптическим усилителем. Соответственно стало возможно увеличивать пропускную способность системы «просто» умножая число длин волн, передаваемых по одному волокну, на скорость передачи на одной длине волны.

Последний рекорд: передача по одному волокну 10.92 Тбит/с (1Т = 1012). Общее число длин волн, переданных по одному волокну, равно 273, при скорости передачи на каждой длине волны в 40 Гбит/с. Предельная же пропускная способность оптического волокна при использовании технологии уплотнения по длинам волн (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) составляет около 100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.

       Нелинейные эффекты в волокнах наиболее сильно проявляются в DWDM системах, так как с увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увеличивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. При этом не только усиливается вклад нелинейных эффектов наблюдающихся при передаче сигналов на одной длине волны, но начинают проявляться нелинейные эффекты, свойственные только многоволновым линиям передачи.

Наиболее вредным из них является эффект четырехволнового смешения. Оказалось, что для его подавления необходимо, чтобы волокно обладало ненулевой дисперсией. Поэтому пришлось отказаться от использования волокон со смещенной дисперсией (DS) длина волны нулевой дисперсии (1550 нм) которых попадает в рабочий диапазон DWDM системы. Специально для применения в DWDM системах были созданы волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted). В них длина волны нулевой дисперсии смещена так, что она выходит за пределы рабочего диапазона DWDM системы, а в пределах этого диапазона оно обладает малой (ненулевой) дисперсией.

В I-й главе рассмотрены основные типы одномодовых волокон (раздел I) и их оптические характеристики: спектр потерь в прямых и изогнутых волокнах (раздел II), хроматическая дисперсия (раздел IV) и поляризационная дисперсия (разделVII). Анализируются погрешности, возникающие при измерении потерь в линии передачи (раздел III), механизмы уширения и сжатия импульсов (раздел V) и вопросы компенсации полной хроматической дисперсии в линии (раздел VI).

Раздел I. Типы одномодовых волокон.

       § 2. Геометрические параметры оптических волокон

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки. Оболочка покрыта защитным слоем из акрилатного лака. Сердцевина легирована германием и поэтому её показатель преломления больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину порядка длины волны, т. е. на глубину много меньше её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.

Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125 ±1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в зависимости от типа волокна в пределах 7..9 мкм (рис. 1.1). Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм. Отклонение диаметра модового пятна от его средней величины в соответствии с международным стандартом ITU-T Rec. G. 652 не должно превышать 10 %.

Одномодовые волокна

Многомодовые волокна

Рис.1.1. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон.

Все типы волокон, применяемых в линиях связи, по своим геометрическим параметрам настолько близки друг к другу, что при внешнем осмотре, если нет специальной маркировки, определить какой это тип волокна, практически невозможно. Многомодовые волокна применяются в локальных вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа.

Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней: магистральном, уровне распределения и уровне доступа. Типы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой профиля показателя преломления и, соответственно, дисперсионными характеристиками. Существует три основных типа одномодовых волокон: стандартные одномодовые волокна (SM), волокна со смещенной дисперсией (DS) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS). В России DS волокна не используются, а NZDS волокна только начинают применяться.

§ 3. Волокна со смещенной и c несмещенной дисперсией

Волокна с несмещенной дисперсией (стандартные одномодовые волокна). Основным типом волокон, применяемых в линиях связи, являются стандартные одномодовые волокна (ITU-T Rec. G. 652). Для их обозначения используют несколько различных сокращений: NDSF – No Dispersion Shifted Fiber (волокно с несмещенной дисперсией), SF – Standard Fiber (стандартное волокно), SSMF - Standard Single Mode Fiber (стандартное одномодовое волокно). Наиболее распространенное обозначение: SM – Single Mode (одномодовое).

Среди всех типов волокон, уложенных в наземных линиях связи, на долю SM волокон приходится почти 90 %, а их общая протяженность достигает сотни миллионов километров. Это наиболее зрелый (производится с 1983 г.) и наиболее дешевый (~ 60 $/км) тип волокна. В большинстве линий России (а до недавнего времени и в США) используется именно этот тип волокон. За рубежом кроме SM волокон применяются так же волокна со смещенной дисперсией (DS - Dispersion Shifted) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted).

SM волокна имеют наиболее простую (ступенчатую) форму профиля показателя преломления, а длина волны нулевой дисперсии (λ = 1310 нм) в них попадает в один из локальных минимумов потерь. Поэтому при работе на λ = 1310 нм они обеспечивают не только высокую скорость передачи данных, но и малые потери. Кроме того, среди всех типов одномодовых волокон SM волокна обладают наиболее совершенными геометрическими параметрами и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет достигать минимальных потерь в сростках таких волокон (типичное значение 0.02 дБ).

Потери для лучших образцов промышленных волокон в локальном минимуме на длине волны λ = 1310 нм составляют 0.31...32 дБ/км. В абсолютном минимуме потерь (λ = 1550 нм) потери меньше: 0.18…0.19 дБ/км, а коэффициент дисперсии достигает величины: 17…20 пс/нм⋅км.

       На российском рынке представлены SM волокна большинства ведущих зарубежных компаний, таких как Corning и Lucent (США), Sumitomo, Hitachi, Fujikura и Furukawa (Япония), Pirelli (Италия), Alcatel (Франция). Недавно на рынке появились также SM волокна с улучшенной очисткой от примесей воды (ОН): AllWave (Lucent), SMF-28e (Corning) и SMR (Pirelli).

Волокна со смещенной дисперсией (DS – Dispersion Shifted). В 1985 г. был создан новый тип волокон, в которых длина волны нулевой дисперсии была смещена на λ = 1550 нм – в абсолютный минимум потерь в кварцевых волокнах. Длина волны 1550 нм интересна еще и тем, что она лежит примерно в середине полосы усиления эрбиевых оптических усилителей (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifiers). DS волокна используются в основном в магистральных линиях связи Японии, Мексики и частично США. В последние годы производство DS волокон резко уменьшилось, так как из-за большой величины перекрестных помех их применение в системах с уплотнением по длинам волн (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) ограничено.

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted) появились на рынке в 1993 г. К тому времени промышленностью были освоены эрбиевые оптические усилители, что сделало экономически целесообразным применение DWDM систем (рис. 1.2). В этих системах по одному волокну пропускается излучение на многих длинах волн (до 300 длин волн). Оптический усилитель усиливает излучение одновременно на всех этих длинах волн. Пропорционально числу длин волн увеличивается и пропускная способность линии связи.

Рис. 1.2. Принцип работы системы со спектральным уплотнением по длинам волн (DWDM). 1 – мультиплексор, 2 – оптический усилитель мощности, 3 – линейные оптические усилители, 4 – оптический предусилитель, 5 – демультиплексор.