Оптические волокна для линий связи (стр. 20 )

       Применение NZDS волокон. Наибольший интерес для применений в наземных линиях связи представляют новые модели NZDS волокон с положительной дисперсией (+D NZDS) и большой площадью модового пятна. Они обладают малыми потерями, малой величиной PMD и хорошими геометрическими параметрами и идеально подходят для DWDM систем, работающих в полосе эрбиевого усилителя (диапазон С). Более того, ряд моделей +D NZDS обладает достаточно малым наклоном коэффициента дисперсии так, что они могут применяться и в соседнем длинноволновом диапазоне L (1570…1620 нм).

Волокна с отрицательной дисперсией (-D NZDS) до недавнего времени применялись в основном в линиях дальней подводной связи. Это связано в первую очередь с тем, что для компенсации полной дисперсии в линии с - D NZDS волокнами можно использовать SM волокна, обладающие в диапазоне C достаточно большой (~ 17 пс/нм км) положительной дисперсией. Так как длина волны нулевой дисперсии у - D NZDS волокон лежит в диапазоне L, то в этом диапазоне эти волокна не применяются.

В последнее время - D NZDS волокна стали достаточно широко применяться и в наземных линях связи. Были разработаны волокна с отрицательной дисперсией специально для городских сетей (MAN –metropolitan area network). Их применение позволяет не только обеспечить высокую скорость передачи данных в таких сетях, но снизить стоимость комплекта «оборудование + кабель».

       Как показала практика, первые модели NZDS волокон не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к ним в DWDM системах при скоростях передачи сигналов 10 Гбит/с (STM-64). Площадь модового пятна у них слишком мала, а наклон коэффициента дисперсии слишком велик. Это приводит к усилению эффекта перекрестной фазовой модуляции (ХРМ) и четырехволнового смешения (FWM) и, соответственно, появлению перекрестных помех.

       Применение NZDS волокон с большой (почти в два раза) площадью модового пятна и малым наклоном коэффициента дисперсии позволяет значительно уменьшить перекрестные помехи вызванные ХРМ и FWM эффектами. В частности, малый наклон коэффициента дисперсии облегчает компенсацию дисперсии, необходимую для передачи сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64) на расстояние 300..400 км. При наличии небольшой дисперсии перекрестные помехи из-за ХРМ эффекта проявляются сильнее, чем из-за FWM эффекта. Поэтому ХРМ эффект является основным нелинейным эффектом для NZDS волокон.

       В настоящее время промышленностью выпускаются DWDM c пропускной способностью 1.6 Тбит/с (160×10 Гбит/с). На международной выставке FOC 2001 сообщалось о  DWDM системе с пропускной способностью 10.92 Тбит/с (273×40 Гбит/с). Предельная же пропускная способность линии передачи на одном волокне при использовании технологии DWDM составляет около 100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.

       Первый раздел этой главы посвящен рассмотрению нелинейных эффектов, проявление которых зависит от величины и знака дисперсии волокна. Эти эффекты обусловлены нелинейной зависимостью показателя преломления от интенсивности волн, распространяющихся в волокне (эффект Керра). К ним относятся самовоздействие (SPM), взаимодействие (ХРМ), четырехволновое смешение (FWM) и модуляционная нестабильность (MI).

       Во втором разделе рассмотрены волокна с положительной дисперсией. В наземных линиях связи (где длина регенерационных участков, как правило, меньше 1000 км) применяются волокна с положительной дисперсией (+ D NZDS). Связано это в основном с тем, что в + D NZDS волокнах импульс из-за SPM эффекта расширяется меньше чем в - D NZDS волокнах.

       Третий раздел посвящен - D NZDS волокнам. Новые модели - D NZDS волокон предназначенные для применения в городских сетях (MAN) достаточно широко представлены на российском рынке.

Раздел I. Нелинейные эффекты в оптических волокнах

       § 2. Эффективность нелинейных процессов в оптических волокнах

       С появлением оптических усилителей нелинейные эффекты в оптических волокнах стали одним из основных факторов, ограничивающих длину ретрансляционного участка волоконных линий передачи и их пропускную способность. Многие из возникших при этом вопросов специфичны для волоконно-оптической связи и ранее в литературе по нелинейной оптике не рассматривались или рассматривались под другим углом зрения.

       Нелинейные эффекты проявляются, как известно, только при достаточно больших мощностях света. Первоначально согласно Rec. ITU-T G.662 величина мощности вводимой в волокно ограничивалась 17 дБм (на λ = 1550 нм), а затем она была увеличена до 19 дБм. В настоящее время ряд компаний (Siemens, Тусо) представили DWDM системы, в которых уровень мощности увеличен до 30 дБм.

При малых мощностях взаимодействие света со средой пропорционально первой степени от мощности света, т. е. представляет собой линейный эффект. Хорошим примером линейного эффекта является поглощение света в волокне: количество поглощенной мощности прямо пропорционально мощности распространяющегося в волокне. Нелинейные же эффекты пропорциональны более высоким степеням от мощности света, и их вклад быстро увеличивается с ростом мощности (рис. 3.5).

       По своим нелинейным свойствам кварцевое стекло существенно (несколько порядков) уступает традиционным нелинейным оптическим материалам. Однако эффективность нелинейных эффектов определяется не только нелинейными коэффициентами, но и произведением плотности мощности Р/Аэфф (интенсивности) на длину взаимодействия Lвз:

                               M = Р Lвз/Аэ.  (3.1)

В объемной среде длина взаимодействия Lвз ограничена (рис. 3.5a) из-за дифракционной расходимости света величиной порядка Аэфф/λ (релеевское расстояние).

Lвз = Аэ/λ.  (3.2)

Поэтому в объемной среде коэффициент М не зависит от степени концентрации света и примерно равен:

                               Mоб = Р/π λ.  (3.3)

Оптические волокна обладают двумя специфическими свойствами, которые обуславливают высокую эффективность протекания в них нелинейных процессов. Во-первых, свет сконцентрирован на малой площади вблизи сердцевины волокна. Во-вторых, такая высокая концентрация света сохраняется на всей многокилометровой длине волокна (рис. 3.6б).

Рис. 3.6. Геометрия экспериментов для объемной не волноводной среды (а) и для оптических волокон (б).

В волокне длина взаимодействия ограничена тем, что интенсивность света уменьшается из-за потерь в волокне, и её вклад в суммарный нелинейный эффект существенен только на начальном участке. Эффективная длина этого участка волокна определяется выражением:

                               Lэ = [1 – exp(- αL)]/α.  (3.4)

где L – длина волокна, α - потери в волокне. Для типичной величины поглощения в волокне 0.22 дБ/км эффективная длина волокна составляет 20 км, что заметно меньше не только полной длины линии, но и расстояния между оптическими усилителями.

В SM волокнах диаметр модового пятна w равен примерно 7λ (глава I), и, соответственно, Аэфф = π w2 /4 = 12.5 π λ2. Из (3.1), полагая Lвз = Lэфф, находим величину коэффициента М в волокне:

Mв ≅ 0.1 Р Lэ /(π λ2).  (3.5)

С помощью (3.5) и (3.3) находим величину отношения:

                               Mв/ Mоб ≅ 0.1 Lэ/λ,  (3.6)

что при Lэфф = 20 км и λ = 1.55 мкм составляет величину порядка 109.

Основные типы нелинейных эффектов в волокне наблюдаются уже при мощности в каждом из спектральных каналов DWDM системы порядка несколько милливатт. Их можно разделить на неупругие и упругие взаимодействия. К неупругим взаимодействиям относятся вынужденное (стимулированное) рассеяние Рамана (SRS – stimulated Raman scattering) и вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS - stimulated Brillouin scattering). Часто используют и другие обозначения: вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). 

       Явления вынужденного рассеяния SBS и SRS проявляются в том, что лазерный сигнал рассеивается, соответственно, на звуковых волнах, распространяющихся в волокне (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях волокна (оптических фононах), и смещается в область более длинных волн (3.7).

Рис. 3.7. Спектры SВS и SRS.

а) При вынужденном рассеянии Бриллюэна (SBS) спектр спонтанного излучения узкий (30..60 МГц) и смещен в длинноволновую сторону на 11 ГГц.

б) При вынужденном рассеянии Рамана (SRS) спектр спонтанного излучения широкий (~ 7 ТГц или 55 нм) и смещен в длинноволновую сторону на величину порядка 13 ТГц.

Хотя явления SBS и SRS во многом схожи, можно выделить несколько существенных отличий:

SВS наблюдается только для встречной волны (рассеяние происходит только назад). SRS наблюдается не только для встречных волн, но и для сонаправленных волн. При SRS спектр спонтанного излучения смещен значительно сильнее и ширина его намного больше чем при SВS. Пороговая мощность SВS намного меньше чем SRS.

К упругим взаимодействиям относятся явления обусловленные зависимостью показателя преломления от интенсивности света (эффектом Керра): фазовая самомодуляция волн (SPM - Self-Phase Modulation), четырехволновое смешение (FWM – Four Wave Mixing), перекрестная фазовая модуляция (ХРМ – Cross Phase Modulation), модуляционная нестабильность (MI – Modulation Instability). Явления, обусловленные эффектом Керра, могут приводить, в зависимости от величины и знака дисперсии волокна, к значительным изменениям ширины и формы импульсов, а также к появлению перекрестных помех, зависящих от числа каналов в DWDM системе (рис.3.8).