Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

1. Одномодовые оптические волокна. Проектирование, строительство и техническая эксплуатация ВОЛП

Проектирование, строительство и техническая эксплуатация ВОЛП

1. Одномодовые оптические волокна

1.1. Общие положения

1.2. Стандартные одномодовые оптические волокна

1.3. Волокна со смещенной дисперсией

1.4. Волокна с минимизацией потерь в третьем окне прозрачности

1.5. Волокна с ненулевой смещенной дисперсией

1.6. Потери в оптических волокнах

1.7. Дисперсия оптических волокон



1.1. Общие положения

В одномодовых оптических волокнах (SM ОВ) диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны, и за счет этого в нем существует только одна основная направляемая мода LP01.

Рис. 1.12. Распространение основной моды LP01 в ступенчатых
одномодовых волоконных световодах.

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т в настоящее время различают четыре типа одномодовых оптических волокон (рис. 1.13):

  • волокна с нулевой дисперсией (стандартные волокна SSF) – рек МСЭ-Т G.652;
  • волокна со смещенной дисперсией (DSF) – рек. МСЭ-Т G.653;
  • волокна с минимизацией потерь на длине волны 1550 нм (Low Loss) – рек. МСЭ-Т G.654;
  • волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) – рек. МСЭ-Т G.655.

Рис. 1.13. Геометрические параметры одномодовых оптических волокон.



1.2. Стандартные одномодовые оптические волокна

Стандартные одномодовые оптические волокна также называют волокнами с нулевой дисперсией и волокнами с несмещенной дисперсией (рек. МСЭ-Т G.652) характеризуются нулевой хроматической дисперсией на длине волны 1310 нм. Это основной тип одномодовых оптических волокон, который применяется на сетях связи для различных приложений.

В настоящее время в литературе используются следующие сокращения для обозначения одномодовых волокон данного типа:

SSF – Standard Singlemode Fibers – стандартные одномодовые оптические волокна;

SSMF – Standard Singlemode Fibers – стандартные одномодовые оптические волокна;

SF – Standard Fiber – стандартные оптические волокна;

SM – Singlemode – одномодовые оптические волока;

USF – Usual Singlemode Fibers – «обычные» одномодовые оптические волокна;

NDSF – Non Dispersion Shifted Fiber – оптические волокна с несмещенной дисперсией.

Здесь и далее будем использовать аббревиатуру SSF.

Около 90% наземных ВОЛП построены на основе волокон SSF, а общая протяженность ВОЛП с волокнами данного типа достигает сотни миллионов километров.

SSF являются наиболее «зрелым» (выпускаются с 1983 г.) и наиболее дешевым (~25 $/км) типом оптических волокон. В таблице 1.1. представлены ведущие производители оптических волокон SSF, а также их соответствующие торговые марки.

Волокна SSF характеризуются наиболее простой формой профиля показателя преломления – ступенчатой (рис. 1.14) [48].

Длина волны нулевой дисперсии совпадает со вторым окном прозрачности (l=1310 нм) – при этом коэффициент затухания aне превышает 0,35 дБ/км, а коэффициент хроматической дисперсии D составляет менее 3,5 пс/(нм.км). Таким образом, волокна SSF наиболее оптимальны для одномодовых ОСП, работающих во втором окне прозрачности.

В свою очередь, достаточно большое значение хроматической дисперсии при l=1550 нм (порядка D£17 пс/(нм.км)), не смотря на минимальную величину a£ 0,22 дБ/км, существенно ограничивает возможности использования волокон SSF на скоростях 2,5 Гбит/с и выше. В этом случае для протяженных ВОЛП требуется включение компенсаторов дисперсии.

Таблица 1.1.

Изготовитель

Марка ОВ

Corningâ

SMF-28TM

SMF-28eTM

Alcatel

6900

6901

Fujikura

SSF

Optical Fiber Solutions (OFS)

MC-SM 332

Allwave

Samsung Electronics

SF-SMF-x

Sumitomo Electric Industries Ltd.

SSF

PureBandTM

Yangtze Optical Fiber and Cable (YOFC)

268WY

Hitachi cable

SSF

Furukawa

SSF

Pirelli

SMR

Рис. 1.14. Типовой ступенчатый профиль показателя
преломления одномодовых оптических волокон SSF.

Типовые значения основных параметров передачи волокон SSF приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2.

Длина волны l, нм

1310

1550

Коэффициент затухания a, дБ/км

менее 0,35

менее 0,22

Коэффициент хроматической дисперсии

D, пс/(нм.км)

не более 3,5

не более 17

Диаметр пятна моды, W0, мкм

9,2±0,4

10,4±0,8 мкм

Длина волны нулевой дисперсии, l0, нм

1302…1322

Наклон в точке нулевой дисперсии,

S0, пс/(нм.км2)

0,092



1.3. Волокна со смещенной дисперсией

В 1985 г. был создан новый тип одномодовых оптических волокон – волокон со смещенной дисперсией DSF (Dispersion Shifted Fibers) (рек. МСЭ-Т G.653).

Рис. 1.15. Профиль показателя преломления оптического
волокна DSF Triguide (Sumsung Electronics Industries Ltd).

Длина волны нулевой дисперсией у волокон DSF смещена в область третьего окна прозрачности (l=1550 нм), которому соответствует минимальный коэффициент затухания. Смещение дисперсии достигается путем формирования профиля показателя преломления специальной формы, например, треугольной или W-образной треугольной (рис. 1.15).

Предполагалось, что сочетание низкой дисперсии, малого затухания, возможности согласования с оптическими усилителями на базе волокон, легированных эрбием EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers), сделает эти оптические волокна идеальными для работы с одномодовыми ОСП в третьем окне прозрачности на длине волны l=1550 нм. Однако последующее изучение нелинейных эффектов изменило эту точку зрения.

Рынок волокон DSF составляют трансконтинентальные ВОЛП, в которых одна длина волны передается на расстояние в несколько тысяч километров, а также магистральные ВОЛП.

Волокна DSF идеальны для работы в третьем окне прозрачности на одной оптической несущей.

При спектральном уплотнении в области l=1550 нм применение волокон DSF приводит к существенным искажениям передаваемых сигналов. По этой причине использование волокон DSF совместно с аппаратурой ОСП WDM неприемлемо. В результате в последние годы производство волокон данного типа резко снизилось.



1.4. Волокна с минимизацией потерь в третьем окне прозрачности

Волокна с минимизацией потерь (Low Loss Fibers) на длине волны l=1550 нм (рек. МСЭ-Т G.654) являются модификацией волокон SSF с уменьшенными потерями (менее 0,18 дБ/км) в третьем окне прозрачности. Низкое затухание достигается за счет применения кварца сверхвысокой степени очистки для сердцевины, что позволяет существенно снизить потери, обусловленные поглощением на примесях, а также формирования больших значений длины волны отсечки для уменьшения чувствительности к потерям, обусловленным изгибами волокна. Условие полного внутреннего отражения требует выполнения неравенства n1>n2, поэтому при изготовлении оболочки используются такие легирующие добавки, как фтор, позволяющие уменьшить значение показателя преломления, по сравнению с исходным, соответствующим чистому кварцу.

В качестве примера, в табл. 1.3 приведены значения параметров передачи волокон с минимизацией потерь на длине волны 1550 нм производства компании Sumitomo Electric Industries Ltd. [1].

Таблица 1.3.

Sumitomo Electric Industries Ltd.

 

a, дБ/км

D, пс/(нм.км)

Z-FiberÔ

0,170

18,5

Z-PLUS-FiberÔ

0,168

20,5

Из-за трудности производства эти волокна очень дороги и крайне редко используются.

Основная область применения этого волокон ­Low Loss – трансконтинентальные ВОЛП, где они обеспечивают возможность передачи сигналов на огромные расстояния без установки активных элементов.



1.5. Волокна с ненулевой смещенной дисперсией

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non Zero Dispersion Shifted Fibers) – рек. МСЭ-Т G.655 – появились на рынке телекоммуникаций в 1993 г. [38, 48].

Данный тип оптических волокон характеризуется минимальным и максимальным значением хроматической дисперсии в спектральной области третьего окна прозрачности: 0,1…6 пс/(нм.км) в диапазоне длин волн 1530…1565 нм.

Управление дисперсией также осуществляется путем формирования специальной W-образной формы профиля ОВ. Световоды с профилем подобной формы также называют волокнами с двойной оболочкой (рис. 1.16).

(а)

(б)

Рис. 1.16. W-образный профиль волокон NZDSF Corningâ:
(а) треугольный; (б) ступенчатый.

Таблица 1.4.

Изготовитель

Марка ОВ

Corningâ

LEAFÒ

MetroCorTM

Alcatel

TeraLightTM Metro

TeraLightTM Ultra

Fujikura

SSF

Optical Fiber Solutions (OFS)

TrueWaveÒ RS

TrueWaveÒ REACH

TrueWaveÒ SRS

TrueWaveÒ XL

UltraWaveTM IDF/SLA

Sumitomo Electric Industries Ltd.

PureMetroTM

PureGuideTM

Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC)

LAPOSHÒ

Волокна NZDSF были специально разработаны для применения на оптических сетях с последним поколением DWDM систем с оптическими усилителями. Отрицательное значение хроматической дисперсии достаточно велико, чтобы минимизировать нелинейный эффект четырехволнового смешения, и достаточно мало, чтобы выделить для каждого оптического канала скорость передачи в 10 Гбит/с на 250 км без установки компенсаторов дисперсии и проведения других специальных мероприятий.

В таблице 1.4. представлены ведущие производители оптических волокон NZDSF, а также их соответствующие торговые марки [48].



1.6. Потери в оптических волокнах

Спектральная характеристика коэффициента затухания оптических волокон.

Затухание характеризует потери оптической мощности при распространении оптических сигналов в волокне.

На рис. 1.17 представлена эволюция спектральной характеристики коэффициента затухания оптических волокон [48].

На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко просматривается резкое уменьшение затухания на длинах волн, лежащих в области трех окон прозрачности (850 нм, 1300 нм и 1550 нм). Технология производства оптических волокон совершенствуется, и к 1990 г. наблюдается сглаживание характеристики, по сравнению с более ранним периодом, а также яркого проявления пика поглощения на примесях ОН с максимумом при = 1380 нм.

Рис. 1.17. Эволюция спектральной зависимости собственных потерь.

На рис. 1.18 приведена спектральная характеристика коэффициента затухания типовых кварцевых одномодовых оптических волокон [48].

Данная характеристика имеет три ярко выраженных особенности:

  • общая тенденция уменьшения коэффициента затухания a с увеличением длины волны l, пропорционально 1/l4, что обусловлено потерями за счет Рэлеевского рассеяния;
  • увеличение затухания a в области спектра выше 1,6 мкм, вызванное потерями на изгиб и инфракрасным поглощением кварца;
  • локальные максимумы, связанные с гармониками резонанса поглощения примесей гидроксогруппы ОН.

Рис. 1.18. Типовая спектральная характеристика коэффициента
затухания стандартного кварцевого одномодового
оптического волокна.

Волновые диапазоны

Как видно из представленной на рис. 1.18 спектральной характеристики для передачи оптических сигналов может использоваться достаточно широкий участок спектра, соответствующий сравнительно малым значениям a. Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие диапазоны, или окна прозрачности.

Первоначально основным фактором потерь в ОВ являлась несовершенная технология очистки кварца, поэтому под окнами прозрачности понимались области длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости потерь от длины волны: 850 нм (первое), 1310 нм (второе). 1550 нм (третье).

Так, многомодовые оптические волокна предназначены для совместной работой ОСП в первом и втором окнах прозрачности.

В свою очередь, одномодовые оптические волокна также предназначены для передачи сигналов одномодовых ОСП, функционирующих во втором окне прозрачности, при этом коэффициент затухания волокон составляет 0,35…0,40 дБ/км. Однако самое низкое затухание – около 0,20 дБ – достигается в третьем окне прозрачности в области 1550 нм. Таким образом, исторически одномодовому режиму соответствуют второе и третье окна прозрачности.

С развитием технологии очистки кварца стала доступна вся область низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. Кривая потерь выглядит гладкой (рис. 1.18), и локальные минимумы на ней слабо выражены.

В настоящее время выделяют 6 спектральных диапазонов для одномодовых оптических волокон (табл. 1.5) [34, 48].

Таблица 1.5.

2

O

Original (основной)

1260…1360 нм

 

E

Extended (расширенный)

1360…1460 нм

5

S

Short wavelength (коротковолновый )

1460…1530 нм

3

C

Conventional (стандартный)

1530…1565 нм

4

L

Long wavelength (длинноволновый)

1565…1625 нм

 

U

Ultra-long wavelength (сверхдлинный)

1625…1675 нм

Современные оптические сети, использующие технологии DWDM, активно используют диапазон C. Также постепенно осваивается четвертое окно – диапазон L. Намечается использование пятого окна – диапазон S. В результате в диапазоне длин волн 1260…1650 мкм обеспечивается полоса пропускания не менее 50 ТГц.

Составляющие потерь в оптических волокнах

В общем случае, потери в оптических волокнах складываются из собственных потерь в волоконных световодах aс и дополнительных потерь, т.н. кабельных aк, обусловленных скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Некоторые составляющие затухания оптических
волокон.

Собственные потери оптических волокон состоят из потерь поглощения aп и потерь рассеяния aр, а также потерь на поглощение, обусловленных присутствующими в световодах примесями aпр и потерь на поглощение в инфракрасной области aик [48]:

, дБ/км

(1.22)

где aс – собственные потери;

aк – кабельные потери;

aп – потери на поглощение;

aр – потери на рассеяние;

aпр – потери на поглощение, обусловленные примесями;

aк – кабельные потери;

aик – потери на поглощение в инфракрасной области.

Потери Рэлеевского рассеяния

Потери Рэлеевского рассеяния обусловлены тепловой флуктуацией показателя преломления и неоднородностями материала световода, расстояние между которыми меньше длины волны. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Величина потерь на рассеяние aр, дБ/км, определяется по следующей формуле [48, 49]:

(1.23)

где kр – коэффициент Рэлеевского рассеяния, для кварца равный примерно (0,8 мкм4 . дБ)/км.

Потери на Рэлеевском рассеянии определяют нижний предел собственного затухания, соответствующий длине волны 1550 нм, и сильнее проявляются в области коротких длин волн.

Коэффициент Рэлеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Таким образом, при уменьшении температуры вытяжки до 1800оС и скорости вытяжки до 1м/с потери в оптических волокнах с легированной GeO2 сердцевиной удалось уменьшить до 0,16 дБ/км и 0,29 дБ/км на длинах волн 1550 и 1310 нм, соответственно.

Дальнейшее уменьшение затухания может быть получено в оптических волокнах с так называемой депрессированной оболочкой. В световодах такого типа потери aр снижаются за счет уменьшения степени легирования сердцевины. Также уменьшаются потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, т.к. сердцевина и оболочка лучше согласованы по вязкости.

Потери на поглощение

Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) aп, так и из потерь, связанных с поглощением на примесях aпр.

Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Затухание поглощения определяется соотношением [48, 49]:

(1.24)

где tgd – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Тем не менее, уже к 1990 г. оптические волокна становятся настолько чистыми (99,9999%), что наличие примесей перестает быть основным фактором затухания. Спектральная характеристика затухания a(l) сглаживается (рис. 1.18), при этом проявляются локальные максимумы резонанса поглощения на гидроксильной группе ОН (длины волн 1290 и 1383 нм).

Однако в последних разработках одномодовых оптических волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери и в «водяном» пике. Подобные волокна получили название LWPF (Low Water Peak Fiber), при этом потери в области l=1380±3 нм снижены до 0,31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности.

В таблице 1.6. приведены ведущие производители оптических волокон и соответствующие торговые марки волокон LWPF. а на рис. 1.20 приведены спектральные характеристики коэффициента затухания.

Таблица 1.6.

Производитель

LWPF

Corningâ

SMF-28eTM

Alcatel

6901

Optical Fiber Solutions (OFS)

Allwave

Sumitomo Electric Industries Ltd.

PureBandTM

Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC)

268WY

Pirelli

SMR

В качестве примера на рис. 1.20 приведены спектральные характеристики одномодовых оптических волокон CorningÒ: (а) волокно SMF-28ä с «водяным пиком» – в настоящее время снято с производства; (б) LWPF волокно SMF-28eä.

(а)

(б)

Рис. 1.20. Спектральные характеристики коэффициента затухания
одномодовых оптических волокон CorningÒ:
(а) волокно SMF-28ä; (б) LWPF волокно SMF-28eä.

На рис. 1.21 представлена спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового оптического волокна CorningÒ 50/125.

Рис. 1.21. Спектральная характеристика коэффициента
затухания многомодового оптического волокна CorningÒ 50/125.

На длинах волн свыше 1600 нм начинают проявляться потери на инфракрасное поглощение, вызываемые колебаниями связи Si-O молекулы кварца SiO2 , а в ультрафиолетовой части спектра – из-за резонанса электронов, поэтому инфракрасное поглощение часто называют ионным, а ультрафиолетовое – электронным.

Величина потерь на инфракрасное поглощение aик пропорциональна показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону [16]:

(1.25)

где C и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=0,7..0,9 мкм; С=0,9).

В 2002 рекордно минимальный коэффициент затухания a составил 0,154 дБ/км на длине волны l=1568 нм (Sumitomo Electric Industries Ltd.). Предыдущий рекорд 0,154 дБ/км был установлен еще в 1986 г. и рассматривался как фактический предел. Сердцевина данного оптического волокна была изготовлена из чистого кварца, оболочка легирована фтором. Составляющие потерь принимали следующие значения: aр=0,128 дБ/км; aик=0,014 дБ/км; примеси OH : 0,004 дБ/км; несовершенство ОВ: 0,004 дБ/км.

Потери в диапазоне l=1520…1606 нм не превышали 0,160 дБ/км.

Кабельные потери

Кабельные потери aк обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления и прокладки кабеля. К ним относятся следующие факторы: скрутка; микро и макро изгибы; отклонение о прямолинейности; термомеханические воздействия на ОВ при наложении оболочек и покрытий; особенности технологии производства оптического кабеля.

При соблюдении технических условий (ТУ) на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны кабельных потерь составляет не больше 20 % от полного затухания.

Потери на изгибах возникают по трем причинам:

- Первая причина вызвана смещением модового пятна распространяющейся моды на некоторую величину относительно оптической оси сердцевины волокна, которая зависит от радиуса изгиба. Таким образом, в точке перехода прямого световода в изогнутый часть мощности основной моды передается модам высших порядков, которые для одномодовых оптических волокон фактически являются вытекающими и излучаемыми, и в конечном счете теря­ется (рис. 1.22).

- Вторя причина обусловлена тем, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется ближе к границе сердцевина/оболочка быстрее, чем основная часть в центральной области сердцевины. В результате периферийная часть моды излучается в оболочку во­локна и, в конечном счете, теряется. Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна и чем меньше ради­ус изгиба волокна.

- Третья причина потерь на микроизгибах обусловлена тем, что часть мощности основной моды передается модам высших порядков, а в многомодовых оптических волокнах мощность сигнала также теряется, поскольку направляемые моды высших порядков преобразуются в вытекающие и излучаемые (рис. 1.23).

Рис. 1.22. Факторы потерь на макроизгибе оптического
волокна.

 

 

Рис. 1.23. Потери на микроизгиб.

 


1.7. Дисперсия оптических волокон

Общие положения

Дисперсией оптического волокна называют рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Основная причина дисперсии – разные скорости распространения отдельных составляющих оптического сигнала. Дисперсия проявляется как уширение, увеличение длительности распространяющихся по волокну оптических импульсов.

В общем случае указанная величина уширения оптического импульса Ds определяется непосредственно значениями среднеквадратической длительности на передающей sin и sout, соответственно:

с.

(1.26)

В свою очередь дисперсия создает переходные помехи, приводит к межсимвольной интерференции и, соответственно, ошибкам при приеме сигналов, что ограничивает скорость передачи в линии или, иными словами, длину регенерационного участка (РУ).

Межмодовая дисперсия

Межмодовая дисперсия характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в многомодовых световодах из-за наличия большого числа мод с различным временем распространения за счет различной длины пути, который отдельные моды проходят в сердцевине волокна (рис. 1.10 – 1.11).

Полоса пропускания типовых градиентных многомодовых оптических волокон характеризуется коэффициентом широкополосности DF, МГц∙км, значение которого указывается в паспортных данных на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Стандартные полосы пропускания типовых многомодовых оптических волокон составляют 400…2000 МГц∙км.

Реализация высокоскоростных многомодовых ВОЛП требует применения одномодовых лазеров в качестве источников излучения оптоэлектронных модулей ОСП, обеспечивающих скорость передачи данных свыше 622 Мбит/с (STM-4). В свою очередь, основным фактором искажения оптических сигналов одномодовых ОСП, распространяющихся по волокнам многомодовых ВОЛП является уже не многомодовая дисперсия, а дифференциальная модовая задержка (DMD). DMD носит случайный характер и зависит непосредственно от параметров конкретной пары «источник–волокно», а также от условий ввода излучения с выхода лазера в линейный тракт многомодовой ВОЛП. Поэтому в паспортных данных на новый тип многомодовых волоконных световодов – волокон, оптимизированных для работы с лазерами – помимо значений коэффициента широкополосности, позволяющего оценить величину межмодовой дисперсии при передаче сигналов многомодовых ОСП по многомодовым ВОЛП, также указываются дополнительные сведения, полученные в результате измерений DMD в процессе изготовления волокна, – например, предельная длина ЭКУ одномодовой ОСП Gigabit Ethernet.

Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется. Одними из основных факторов искажений сигналов, распространяющихся по одномодовым оптическим волокнам являются хроматическаяи поляризационная модовая дисперсии.

Хроматическая дисперсия

Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и различием скоростей распространения отдельных спектральных составляющих оптического сигнала. Хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной дисперсии, и проявляется как в одномодовых, так и многомодовых оптических волокнах:

(1.27)

Материальная дисперсия

Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина оптического волокна – кварца и легирующих добавок. Спектральная зависимость показателя преломления материала сердцевины и оболочки (рис. 1.24) вызывает изменения с длиной волны и скорости распространения.

Достаточно часто данная зависимость описывается известным уравнением Селлмейера, которое имеет следующий вид [48, 49]:

(1.28)

где Aj и Bj – коэффициенты Селлмейера, соответствующие заданному типу материала, легирующей примеси и ее концентрации.

Рис. 1.24. Спектральная зависимость показателя преломления
чистого кварца (сплошная кривая) и кварца, легированного 13,5% германием (штриховая кривая).

Очевидно, что эту характеристику для кварцевых волокон можно считать неизменной. Материальная дисперсия характеризуется коэффициентом Dmat пс/(нм.км), который определяется из известного соотношения:

(1.29)

Рис. 1.25. Спектральная зависимость коэффициента
материальной дисперсии чистого кварца (сплошная кривая) и кварца, легированного 13,5% германия (штриховая кривая).

В качестве примера, на рис. 1.25 представлены спектральные характеристики коэффициентов материальной дисперсии чистого кварца и кварца, легированного 13,5% германия.

Очевидно, что характер проявления материальной дисперсии зависит не только от ширины спектра излучения источника, но и от его центральной рабочей длины волны. Так, например, в области третьего окна прозрачности l=1550 нм менее длинные волны распространяются быстрее, чем более длинные, а материальная дисперсия больше нуля (Dmat>0). Данный диапазон получил название области нормальной или положительной дисперсии (рис. 1.26 (б)).

В области первого окна прозрачности l=850 нм, напротив, более длинные волны распространяются быстрее, чем короткие, а материальной дисперсии соответствует отрицательное значение (Dmat<0). Данный диапазон называется областью аномальной или отрицательной дисперсии (рис. 1.26 (в)).

(а)

(б)

(в)

(г)

Рис. 1.26. Хроматическая дисперсия: (а) импульс на входе ВОЛП; (б) нормальная дисперсия; (в) аномальная дисперсия; (г) область нулевой дисперсии.

В некоторой точке спектра, называемой точкой нулевой материальной дисперсии l0, происходит совпадение, при этом и короткие, и длинные волны распространяются с одинаковой скоростью (рис. 1.26 (г)). Так, например, для чистого кварца SiO2 точка нулевой материальной дисперсии соответствует длине волны 1280 нм (рис. 1.25).

Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины волны, характер которой определяется формой профиля показателя преломления оптического волокна. Указанная зависимость определяется пространством, занимаемым модой по отношению к профилю показателя преломления волокна. Так, в ряде случаев в световодах с большим диаметром сердцевины волноводной дисперсией можно пренебречь. В одномодовых оптических волокнах из-за малого радиуса сердцевины, напротив, волноводная дисперсия достаточно велика. Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение [48]:

(1.30)

где V – нормированная частота, значение которой определяется по формуле (1.11);

b – нормированная постоянная распространения, которая связана с b следующим соотношением:

(1.31)

при этом составляющая формулы (1.29) получила название нормированный параметр волноводной дисперсии.

Спектральные характеристики хроматической дисперсии одномодовых оптических волокон действующих рекомендаций МСЭ-Т

Результирующее значение хроматической дисперсии Dch, которое складывается из материальной Dmat и волноводной Dw составляющих (1.27), непосредственно связано с первой и второй производной постоянной распространения следующим соотношением [48]:

(1.32)

Рис. 1.27. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических
волокон рек. МСЭ-Т G.652.

Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет соответствующим образом изменить итоговую спектральную характеристику хроматической дисперсии.

Так, в волокнах SSF, которые характеризуются типовым ступенчатым профилем показателя преломления, преобладает положительная материальная дисперсия, которая и формирует минимум хроматической дисперсии в области длины волны 1300 нм (рис. 1.27, 1.28) [48, 50].

Рис. 1.28. Хроматическая дисперсия одномодовых оптических
волокон SSF (рек. МСЭ-Т G.652)

Профили показателя преломления волокон DSF и NZDSF сформированы таким образом, чтобы компенсировать материальную дисперсию отрицательной волноводной. В волокнах DSF при сложении материальной и волноводной составляющих дисперсии длина волны нулевой дисперсии смещается в область третьего окна прозрачности l=1550 нм. Для волокон NZDSF длина волны нулевой дисперсии не нормируется. Она обычно находится за пределами диапазона длин волн третьего окна прозрачности (диапазона C).

Дисперсионные параметры одномодовых оптических волокон

Хроматическая дисперсия характеризуется коэффициентом хроматической дисперсии D, имеющим размерность пс/(нм.км), значение которого в паспортных данных достаточно часто указывается на длинах волн, соответствующих второму и третьему окнам прозрачности (1310 и 1550 нм). В качестве примера, в табл. 1.7 приведены типовые значения коэффициента хроматической дисперсии D волокон рек. МСЭ-Т G.652 и G.653.

Таблица 1.7.

D, пс/(нм.км)

SSF (G.652)

DSF (G.653)

l=1310 нм

£ 2,7…3,5

£ 25

l=1550 нм

£ 17…18

£ 2,7

Кроме параметра D в качестве характеристик хроматической дисперсии оптических волокон также используют коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0, который имееет размерность пс/(нм2.км) и относительный коэффициент наклона дисперсионной характеристики RDS=S0/D с размерностью 1/нм. Последняя величина однозначно связана с полосой пропускания оптического волокна и характеризует поведение дисперсионной характеристики в заданном диапазоне длин волн.

Выше было отмечено, что на сегодняшний день, благодаря усовершенствованию технологии производства оптических волокон стала доступна вся область низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. В общем случае значение коэффициента хроматической дисперсии D волокон SSF на конкретной несущей l из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей формуле [48, 54]:

(1.33)

Значения коэффициент наклона дисперсионной характеристики S0 и длины волны нулевой дисперсии также указываются в паспортных данных на оптические волокна. Например, указанные параметры одномодового оптического волокна CorningÒ SMF-28eÔ составляют: S0=0,092 пс/(нм2.км); l0=1301,5…1321,5 нм [48].

Для волокон со смещенной дисперсией (DSF) величина D на определенной несущей l из заданного спектрального диапазона оценивается по следующей интерполяционной формуле [48, 50]:

,

(1.34)

В ряде случаев (в частности, для одномодовых оптических волокон NZDSF) указываются значения коэффициентов хроматической дисперсии на длинах волн l1и l2, соответствующих границам спектральных диапазонов (l1l2) – например, диапазонам С и L, и формула вычисления D(l) (l1<l<l2) определяется непосредственно значениями D(l1) и D(l2):

(1.35)

В качестве примера в табл. 1.8 приведены значения коэффициента хроматической дисперсии D для волокон CorningÒ LEAFÒ на границах диапазонов C и L [48].

Таблица 1.8.

D, пс/(нм.км)

Диапазон C

Диапазон L

1530 нм

1565 нм

1565 нм

1625 нм

2,0

6,0

4,5

11,2

Максимально допустимое значение хроматической дисперсии на РУ ВОЛП при передаче сигналов со скоростью B, Гбит/с, при условии приращения уровня помех не более чем на 1 дБ, приближенно определяется из следующего соотношения:

пс/нм

(1.36)

Результаты оценки дисперсии ВОЛП и максимальная протяженность РУ, в пределах которого не требуется проведение дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии, для волокон SSF и NZDSF на длине волны l=1550 нм представлены в табл. 1.9 [48].

Таблица 1.9.

B, Гбит/с

2,5

10

40

SDH: STM–

16

64

256

Дисперсия, DРУ max пс/нм

16640

1040

65

Lmax, км: ОВ SSF

(l=1550 нм, D=17 пс/(нм.км))

980

62

4

Lmax, км: ОВ NZDSF

(l=1550 нм, D=4,4 пс/(нм.км))

3782

236

14

Допустимая величина дисперсии на выходе ВОЛП при скорости передачи 2,5 Гбит/с составляет 16640 пс/км. Данной величине соответствуют предельные значения длины РУ 980 км для волокон SSF и 3782 км для волокон NZDSF. Таким образом, сигналы ОСП уровня STM-16 на рабочей длине волны, соответствующей третьему окну прозрачности, можно передавать по волокнам особенно со смещенной дисперсией практически на неограниченное расстояние. Но уже при скорости передачи 10 Гбит/с (STM-64) допустимая величина дисперсии уменьшается до 1040 пс/нм, и если для волокон NZDSF значение Lmax уменьшается до 236 км, то максимальная длина РУ ВОЛП на основе волокон SSF не превышает 62 км. В этом случае увеличение протяженности РУ потребует проведения дополнительных мероприятий по компенсации дисперсии.

Проектирование, строительство и техническая эксплуатация ВОЛП





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru