Оптические волокна для линий связи (стр. 3 )

С увеличением числа спектральных каналов (длин волн) в DWDM системе возрастает суммарная мощность излучения передаваемого по волокну, и сильней начинают проявляться нелинейные эффекты. Наиболее вредным является эффект четырехволнового смешения, так как при смешении сигналов, передаваемых на нескольких длинах волн, в волокне возникают паразитные сигналы на новых длинах волн. Некоторые из этих паразитных сигналов попадают в спектральные каналы DWDM системы, что приводит к возникновению перекрестных помех.

Появление сигналов на новых длинах волн можно объяснить тем, что световые волны большой интенсивности создают в волокне бегущие фазовые решетки (бегущие волны показателя преломления). При взаимодействии других световых волн с этими бегущими фазовыми решетками и возникают паразитные сигналы на новых длинах волн. Эффективность этого взаимодействия быстро уменьшается с увеличением дисперсии волокна.

Так, если длина волны нулевой дисперсии волокна попадает между спектральными каналами DWDM системы, то соответствующие этим каналам световые волны распространяются в волокне с одинаковой скоростью и имеют возможность взаимодействовать достаточно длительное время. В NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии лежит вне полосы оптического усилителя, а в полосе оптического усилителя NZDS волокна обладают небольшой (ненулевой) дисперсией, необходимой для подавления перекрестных помех.

Основные типы одномодовых волокон применяемых в линиях связи нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G. 652…G. 655:

G.652: волокна c несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии и длиной волны отсечки  в районе 1310 нм. G.653: волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1550 нм и длиной волны отсечки  в районе 1310 нм. G.654: волокна c несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм и длиной волны отсечки  в районе 1550 нм. G.655: волокна со смещенной ненулевой дисперсией (NZDS волокна), обладающие малой дисперсией (0.1…6 пс/нм⋅км) в диапазоне длин волн 1530…1565 нм.

Специальные типы одномодовых волокон. Кроме этих трех основных типов одномодовых волокон, существует еще несколько специальных типов одномодовых волокон применяемых в волоконно-оптических устройствах:

Волокна для компенсации дисперсии (DC – Dispersion Compensating), применяемые в модулях компенсации дисперсии. Волокна с примесью редкоземельных элементов, применяемые в оптических усилителях, например, в EDFA –Erbium Doped Fiber Amplifier. Волокна, сохраняющие состояние поляризации излучения (PM – Polarization Maintaining), применяемые в поляризационных делителях и смесителях.

Раздел II. Оптические потери в одномодовых волокнах

§ 4. Спектр потерь в прямом волокне

       Зависимость потерь в кварцевых оптических волокнах от длины волны света представлена на рис. 1.3.. Как видно из этого рисунка, потери ограничиваются: релеевским рассеянием, инфракрасным поглощением и резонансным поглощением ионов ОН («водяные» пики). Кривая носит иллюстративный характер, так как для разных типов волокон и разных производителей величина потерь может различаться. Наиболее сильно могут различаться потери в «водяных» пиках на λ = 1290нм и 1383 нм. Так в новых моделях SM волокон: AllWave (Lucent Technologies), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli) – отсутствует пик на λ = 1383 нм и снижена чувствительность к воздействию водорода.

Рис. 1.3. Спектр потерь и положение окон прозрачности в кварцевых оптических волокнах.

Релеевское рассеяние уменьшается с увеличением длины волны (~ 1/λ4), а инфракрасное поглощение, наоборот, увеличивается. Абсолютный минимум потерь приходится на λ = 1550 нм. Для лучших образцов промышленных SM волокон потери на этой длине волны составляют 0.18... 0.19 дБ/км.

Однако, как показывают исследования, и эти потери могут быть уменьшены. В окнах прозрачности основной вклад в потери обусловлен релеевским рассеянием, а коэффициент релеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. При снижении температуры вытяжки до 1800о С и скорости вытяжки до 1м/с потери в волокне с легированной GeO2 сердцевиной удалось уменьшить до 0.16 дБ/км на длине волны 1550 нм и до 0.29 дБ/км на длине волны 1310 нм.

Дальнейшее уменьшение потерь может быть получено в волокнах с депрессированной оболочкой. В них потери из-за релеевского рассеяния уменьшаются, так как снижается степень легирования сердцевины. Кроме того, уменьшаются и потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, так как сердцевина и оболочка в таком волокне лучше согласованы по вязкости.

В последних разработках SM волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери в “водяном” пике (ОН) на λ = 1383 ± 3 нм. Волокна типа LWPF (low water peak fiber) производятся несколькими компаниями: AllWave Lucent Technologies (теперь это OFS), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli). Потери в водяном пике уменьшены до величины 0.31 дБ/км, что меньше чем потери во втором окне прозрачности на λ = 1310 нм (0.35 дБ/км).

Согласно сообщению на международной конференции FOC 2002, компании Sumitomo удалось установить новый рекорд в достижении минимальных потерь в одномодовом волокне: 0.151 дБ/км на λ = 1568 нм. Предыдущий рекорд 0.154 дБ/км был установлен ещё в 1986 г. и рассматривался как практический предел. Сердцевина волокна была из чистого кварца, а оболочка была легирована фтором. Потери складывались следующим образом: релеевское рассеяние 0.128 дб/км, инфракрасное поглощение 0.014 дБ/км, примеси ОН 0.004дБ/км и несовершенства волокна 0.004 дБ/км. Потери в диапазоне 1520…1606 нм не превышали 0.160 дБ/км. Такое волокно позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами на 30 % по сравнению с волокном, сердцевина которого легирована германием.

§ 5. Окна прозрачности

Как видно из рис. 1.3, для передачи оптических сигналов может быть использован широкий участок спектра, где потери в волокнах достаточно малы. Его принято разбивать на более узкие участки - рабочие диапазоны, или окна прозрачности. Первоначально под окнами прозрачности понимались участки длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости потерь от длины волны: 850 нм (1-ое), 1310 нм (2-ое), 1550 нм (3-е). Постепенно с развитием технологии очистки кварцевого стекла стала доступна вся область малых потерь от 1260 нм до 1675 нм. Кривая потерь теперь выглядит достаточно гладкой, и локальные минимумы на ней слабо выражены.

Первое окно прозрачности использовалось в 70-х годах в первых линиях связи на многомодовых волокнах. Тогда полупроводниковые источники излучения выпускались промышленностью только на длину волны 850 нм (GaAs). В настоящее время, из-за большой величины потерь в волокнах, этот диапазон используется в основном в локальных вычислительных сетях.

Второе окно прозрачности (О) стало использоваться в 80-х годах в линиях дальней связи, после того как на базе тройных и четверных гетероструктур были разработаны источники излучения на длину волны 1310 нм. В это окно попадает и длина волны нулевой дисперсии SM волокон. В настоящее время второе окно прозрачности используется преимущественно в городских и зоновых линиях.

Третье окно прозрачности (С) было освоено в начале 90-х годов. В него попадают одновременно полоса усиления EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier (вволоконный усилитель легированный эрбием) и абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Так как SM волокна обладают в третьем окне прозрачности большой дисперсией, то было разработано DS волокно с длиной волны нулевой дисперсии, смещенной в это окно. Третье окно наиболее широко используется в магистральных линиях (Ростелекомом и другими крупными операторами связи).

В последнее время с развитием систем c мультиплексированием  каналов по длинам волн (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) третье и прилегающие к нему четвертое и пятое окна прозрачности вызывают повышенный интерес. Так специально для применения в системах DWDM были созданы несколько типов NZDS волокон, обладающих в этих окнах ненулевой дисперсией. В зарубежной литературе диапазоны длин волн соответствующие этим трем окнам получили специальные наименования: третье окно – (С) стандартный диапазон  (сonventional band), четвертое окно– (L) длинноволновый диапазон (Long band), а пятое окно - (S) коротковолновый диапазон (short band).

Четвертое окно прозрачности (L) позволяет передвинуть длинноволновую границу DWDM систем на 1620 нм. Для работы одновременно в 3 и 4 окнах прозрачности используются оптические усилители с увеличенной шириной полосы частот и NZDS волокна с малым углом наклона дисперсионных кривых.

Пятое окно прозрачности (S) появилось после создания волокна AllWave. В этом волокне в результате тщательной очистки его от посторонних включений  потери в “водяном” пике на длине волны 1390 нм были снижены до 0.31 дБ/км, что меньше чем во втором окне прозрачности на длине волны 1310 нм (0.35 дБ/км). Пятое окно прозрачности завершило освоение спектральной области малых потерь в волокне простирающейся от 1280 нм до 1650 нм.

       Согласно информации, полученной  из EXFO (Канада), международный союз телекоммуникаций (ITU) утвердил новые спектральные диапазоны в интервале длин волн 1260….1675 нм (таблица № 1.1). Официальная публикация ожидается после согласования с рекомендациями на оптические компоненты (G. 671) и технологию DWDM (G. 692).

Таблица № 1.1. Спектральные диапазоны для одномодовых волокон

О – диапазон	1260…1360 нм	Основной (Original)
E – диапазон	1360…1460 нм	Расширенный (Extended)
S – диапазон	1460…1530 нм	Коротковолновый (Short wavelength)
C – диапазон	1530…1565 нм	Стандартный (Conventional)
L – диапазон	1565…1625 нм	Длинноволновый (Long wavelength)
U – диапазон	1625…1675 нм	Сверхдлинный (Ultra-long wavelength)

§ 6. Механизмы возникновения потерь при изгибе волокна