Функциональные свойства оптических волокон

С точки зрения дисперсии существующие одномодовые волокна, широко используемые в сетях сегодня, можно разбить на три основных типа: волокна с несмещенной дисперсией SF (стандартные волокна со ступенчатым профилем), волокна со смещенной диспер сией DSF и волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Все три типа волокон очень близки по затуханию в окнах одно-модовой передачи 1310 и 1550 нм, но отличаются характеристиками хроматической дисперсии. Поскольку дисперсия влияет на максимально допустимую длину безретрансляционных участков, то, на первый взгляд, естественно, возникает желание выбрать волокно с наименьшим возможным значением дисперсии применительно к конкретной задаче, к конкретной длине волны. Это справедливо для случая передачи волны одной длины - одноканальной передачи. Многоканальное волновое мультиплексирование (WDM) в окне 1550нм диктует иной подход к выбору ОВ. Исследования показывают, что, когда длина волны нулевой дисперсии попадает в зону мультиплексного сигнала, начинают проявляться нежелательные интерференционные эффекты, приводящие к более быстрой деградации сигнала.

Волокно SF. В начале 80-х годов передатчики на длине волны 1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынке с передатчиками на длине волны 1300 нм. Поэтому стандартное ступенчатое волокно SF (см. рис. 1) стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространено в телекоммуникационных сетях. Оно оптимально по дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550нм.

Волокно DSF. По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встала задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В середине 80-х годов было создано волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным. С приходом новых технологий передачи мультиплексированного оптического сигнала большую роль начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EDFA, способные усиливать многоканальный сигнал. К сожалению, более поздние исследования (в начале 90-х годов) показывают, что именно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм), попадающая внутрь рабочего диапазона эрбиевого усилителя, является главным потенциальным источников нелинейных эффектов (прежде зсего четырехволнового смешивания), которые проявляются в резком возрастании шума при распространении многоканального сигнала.

Дальнейшие исследования подтверждают ограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM. Чтобы избежать нелинейных эффектов при использовании DSF в WDM системах, следует вводить сигнал меньшей мощности в волокно, увеличивать расстояние между каналами и избегать передачи парных каналов (симметричных относительно Я_o).

Четырехволновое смешивание - это эффект, приводящий к рассеянию двух волн с образованием новых нежелательных длин волн. Новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ним, или перекачивать мощность из полезного волнового канала. Именно из-за эффекта четырехволнового смешивания стало ясно, что необходимо разработать новый тип волокна, в котором Я_o располагалось бы левее или правее всех возможных каналов.

Волокно NZDSF, созданное в начале 90-х годов, лишено недостатков волокна DSF и известно как А-смещенное волокно. Особенность его состоит в том, что длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбия. Это уменьшает нелинейные эффекты и увеличивает характеристики волокна при передаче DWDM сигнала.

Обычное одномодовое волокно с несмещенной дисперсией обладает минимальными потерями в системах с длиной волны 1310 нм. Высокая хроматическая дисперсия на волне 1550 нм (примерно 17 пс/нм*км) может потребовать дополнительных затрат на компенсацию дисперсии путем добавления специального волокна, компенсирующего дисперсию, и/или использования большого числа регенераторов.

В волокне True Wave применяется специальный профиль показателя преломления в сердцевине, окруженной слоями перекрывающей оболочки из синтетической окиси кремния с различными показателями преломления, благодаря чему достигается низкое затухание и малая ненулевая дисперсия в рабочем диапазоне EDFA. Таким образом затраты на компенсацию дисперсии снижаются или устраняются вовсе. Кроме того, оно обладает очень низкой и стабильной дисперсией поляризованной моды (Polarization Mode Dispersion, PMD).

Максимальное затухание на длине волны 1550нм составляет 0,22...0,25 дБ/км. В диапазоне 1525...1575 нм оно не превышает 0,27...0,3 дБ/км. Затухание при пике поглощения ОК (1383±3нм) не превышает 1,0 дБ/км. При скручивании кабеля затухание ОК на волне 1550 нм увеличивается: на 1 виток диаметром 32 мм приращение затухания не превышает 0,5 дБ; на 100 витков диаметром 75 мм - не более 0,05 дБ.

Хроматическая дисперсия в диапазоне 1530...1565 нм составляет: минимальная - 1,3 пс/нм*км, максимальная - 5,8 пс/нм*км. Максимальное значение коэффициента дисперсии поляризованной моды при 1550 нм не превышает 0,5 пс/ нм*км, а типичное значение - не более < 0,1 пс/ нм*км. Диаметр медового поля на длине волны 1550 нм составляет 8,4+0,6 мкм. Длина волны отсечки не превышает 1260 нм.

Дополнительные геометрические характеристики True Wave приведены ниже:

Характеристики группы волокон InfiniCor™ фирмы Corning представлены в табл. 1 и 2

Таблица 1

Многомодовое оптическое волокно Corning

¹При 100 оборотах волокна на оправку диаметром 75 мм.

Таблица 2.

Одномодовые волокна компании Corning

¹ 100 оборотов на оправку диаметром 50 мм.
^* 100 оборотов на оправку диаметром 75 мм.
Л- корень квадратный

Волокно Corning защищено двойным акрилатным покрытием СРС, обеспечивающим высокую надежность и работоспособность. Наружный диаметр покрытия равен 245 мкм. Покрытия СРС оптимизированы для использования во многих одно- и многомодовых кабельных конструкциях, включая трубки со свободной укладкой, ленты из волокон, кабели с сигментированным сердечником и плотно наложенной трубкой. При необходимости покрытие легко удаляется механическим способом.

Две марки Х-смещенного волокна, появившиеся несколько лет назад, широко используются сегодня: волокно True Wave фирмы Lucent Technologies и SVF-LS фирмы Corning. Оба имеют нулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбия. Волокно True Wave обеспечивает положительную дисперсию при точке нулевой дисперсии в районе 1523 нм, в то время как SVF-LS обеспечивает отрицательную дисперсию с точкой нулевой дисперсии чуть выше 1560 нм. В начале 1998 г. фирма Corning выпустила еще одну марку Х-смещенного волокна - LEAF™.

Сравнительный анализ основных характеристик волокон True Wave, SVF-LS и LEAF приведен в табл. 3.

По дисперсионным характеристикам волокно LEAF близко к волокну True Wave. Главной отличительной чертой этого волокна по сравнению с двумя предыдущими является большая эффективная площадь для светового потока - диаметр медового пятна возрос на 1 мкм.

Таблица 3.

Сравнительные характеристики NZDSF волокон

Содержание молекул воды среди прочих i-молекул в волокне составляет миллиардную часть. Новая технюломя позволила удалить эти молекулы. В результате появилось всолоно, вобравшее в себя преимущества всех предыдущих видов всолоюн, - волокно AHWave (т.е. всеволновое). В кривой зависимости затухания этого волокна от длины волны четыре окна прозрачностги слились в одно. Отсюда и название.

По сравнению с обычным одномодовым волокном рабочий диапазон длин волн волокна AHWave шире нла 10 нм. Благодаря открытию пятого окна прозрачности (1350...1450 нм) волокно AHWave позволяет разместить 120 и более волновых каналов при интенсивных загрузках линий связи (например, в национальных или региональных сетях).

Открытие нового окна прозрачности вз вопокне AHWave существенно расширяет возможности систем, использующих это волокно. Благодаря уменьшенным по сравнению с обычным одномодовым волокном потерям в пределах пятого окна грозрачности возможно создание более длинных участков линий передачи, не содержащих средств усиления или регенерации. Анагпопнным образом использование пятого окна вместо третьего дезлаег возможной передачу ПРИ высокой скорости (40 Гбит/с) на раосстсяние, примерно, вдвое большее, и без необходимости использовзанто средств компенсации Дисперсии.

Параметры AllWave позволяют, используя только одно волокно, предоставлять широкий набор услуг.

Например, одно и то же волокно может быть использовано для передачи WDM аналоговой видеоинформации во втором окне, высокоскоростной (вплоть до 40 Гбит/с) передачи данных в диапазоне 1350...1450 нм и обеспечения трафика с волновым уплотнением (DWDM) и скоростью передачи вплоть до 2,5 Гбит/с по каждому каналу в области длин волн 1450 нм.

Обобщая характеристики оптических волокон, следует отметить:

по профилю показателя преломления ОМ волокна делятся на:

• волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем;

• волокна с профилем специального типа, например, в форме трезубца, треугольника, W-образного профиля и др. Иногда просрили показателя преломления делят иначе: профили ОВ без сдвига дисперсии; со сдвигом дисперсии и со сглаживанием дисперсии;

по дисперсии ОМ ОВ делятся на:

• стандартные волокна СВ (SF - Standard Fiber), или волокно с несмещенной дисперсией (SSMF - Standard Single Mode Fiber);

• волокна со смещенной нулевой дисперсией ВСД (DSF - Dispersion Shifted Fiber);

• волокна с ненулевой смещенной дисперсией ВНСД (NZDSF - Non Zero Dispersion Shifted Fiber). В последнее время в связи с развитием оптических усилителей (ОУ) и систем с WDM появились специальные типы кварцевого волокна;

• волокна для компенсации дисперсии ВКД (DCF - Dispersion Compensating Fiber), используемые в специальных модулях(например, DCM - Dispersion Compensating Module - модуль для компенсации дисперсии - МКД);

• волокна, легированные эрбием, ВЛЭ (EOF - Erbium Dopped Fiber), используемые в оптических усилителях (ОУ) типа EDFA - Erbium -Dopped Fiber Amplifier;

• волокна, легированные неодимом, ВЛН (NDF - Neodim - Dopped Fiber), используемые в ОУ типа NDFA - Erbium Dopped Fiber Amplifies

• волокна, сохраняющие состояние поляризации, ВСП (PMF - Polarization Maintaining Fiber), используемые в целом ряде ОВ датчиков, требующих сохранения состояния поляризации;

• волокна для ультрафиолетовой области спектра, например, волокна, используемые в диапазоне 190...250 нм для различных специальных применений;

• волокна с большой площадью сечения (примерно 300...800 мк) для создания световых потоков большой яркости и мощности, используемые для измерений и спецназначений.

Первоначально под окнами прозрачности понимались узкие области минимумов кривой поглощения света в ОВ в окрестности: 850 нм (1), 1310 нм (2), 1550 нм (3). Сейчас окно 2 - это область 1270 (1280)...1325 нм, окно 3 - 1528...1565 нм, окно 4 - 1565...1620 нм, окно 5 - 1325...1450 нм. Например, волокно AllWave (компании Lucent Tecnologies) может работать в четырех окнах 2...5, т.е. в полосе 1280...1620 нм.

Эффективная площадь светового поля - параметр, который вводится как эквивалент площади сердцевины для высокоплотных систем с разделением по длине волны (DWDM). В этих системах используются источники лазерного излучения высокой интенсивности, что приводит к возрастанию нелинейных эффектов. Для снижения плотной оптической мощности (при общем увеличении ее уровня; необходимо увеличить эффективную площадь светового поля, чтс делается за счет оптимизации профиля показателя преломления. Например, в разработанном для этих целей волокне LEAF (компании Corning) эта площадь повышена настолько, что дает прирост допустимой мощности источника излучения на 2 дБ (используемый профиль - трезубец, называемый также "профилем w").

Кроме прямоугольного показателя преломления в волокнах типа NZDSF со сдвигом нулевой дисперсии в область окна 1550 нм для формирования относительно плоской дисперсионной характеристики с малой величиной дисперсии применяются специальные профили. Наиболее широко используются трезубец и треугольник на пьедестале (называемый также L-профилем), состоящие из нескольких оболочек с разным значением показателя преломления.