Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

5. Телекоммуникационные ОВ. Физико-технологические основы волоконно-оптической техники

Физико-технологические основы волоконно-оптической техники

5. Телекоммуникационные ОВ

5.1 Многомодовые ОВ

5.1.1. ОВ типа 'кварц-кварц'

5.1.2. ОВ типа 'кварц-полимер'

5.2. Одномодовые ОВ

         ОВ, применяемые в телекоммуникации, делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые, причем последних производится в настоящее время значительно больше, как это видно из рис. 5.1. Основную долю ОВ, произведенных в рекордном 2002 г. составляют стандартные одномодовые ОВ (90%), доля одномодовых ОВ с ненулевой смещенной дисперсией составляет ~ 4,8 %, а для многомодовых ОВ лишь ~ 4 %, хотя развитие волоконной оптики берет начало именно с многомодовых ОВ. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, внешний диаметр кварцевой технологической оболочки имеет стандартный размер 125±1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон составляет 50 или 62,5 мкм, а у одномодовых он может меняться в пределах 7…9 мкм в зависимости от типа волокна. Диаметр двухслойного защитного покрытия у обоих типов волокон по существующим стандартам должен быть 245±10 мкм.

Рис. 5.1. Мировое производство в 2002 г. ОВ по типу волокна (%): 1 – стандартное одномодовое волокно, 2 – одномодовое волокно с ненулевой смещенной диспер-сией, 3 – многомодовое волокно, 4 – специальное волокно



5.1. Многомодовые ОВ

         Многомодовые ОВ можно подразделить на два типа: "кварц-кварц" и "кварц-полимер". В первом случае ОВ имеют сердцевину и светоотражающую оболочку из чистого или легированного кварцевого стекла, во втором случае – светоотражающая оболочка формируется полимерным материалом (обычно силаксановым эластомером – СИЭЛ). Заготовки ОВ типа "кварц-кварц" изготавливают парофазными методами, изложенными в гл. 3, и, когда говорят о кварцевых ОВ, то по умолчанию понимают, что речь идет об ОВ типа "кварц-кварц", которые используются практически во всех ВОСПИ.



5.1.1. ОВ типа 'кварц-кварц'

В настоящее время многомодовые ОВ применяются в основном в локальных вычислительных сетях и в линиях с низкой скоростью передачи данных . Стандартные многомодовые волокна были рассчитаны на применение со светодиодами – наиболее надежными и дешевыми полупроводниковыми источниками излучения. Многомодовые кварцевые световоды со ступенчатым профилем ПП были исторически первым типом волокна (1974-1975 г.), которые нашли практическое применение в волоконно-оптических линиях связи. Специально для работы в стандарте Gigabit Ethernet были разработаны волокна с более высоким коэффициентом широкополосности. Они используются совместно с лазерами, т.к. светодиоды не обладают быстродействием, необходимым для работы в стандарте Gigabit Ethernet.

         Согласно лучевой теории свет, распространяющийся в волокне, можно представить в виде суммы плоских волн, изображаемых в виде лучей, образующих конус. Причем чем выше номер моды, тем больше угол раствора лучей, образующих этот конус (рис. 5.2). Хотя моду можно представить только полным набором таких лучей, ее часто изображают одним лучом. Число мод, распространяющихся в многомодовом ОВ со ступенчатым профилем ПП определяется уравнением:

N = V2/2                                                    (5.1),

где V – так называемая  нормализованная частота, равная

                                 (5.2),

где dсер. – диаметр сердцевины в волокне, l - длина волны, NA - числовая апертура волокна, n - ПП кварцевого стекла, Dn – разность ПП материалов сердцевины и светоотражающей оболочки.

Рис. 5.2. Лучи, формирующие первую и вторую моды волокна. Угол наклона лучей во второй моде больше, чем в первой, и они глубже проникают в оболочку.

         В цифровых линиях ВОСПИ свет распространяется в волокне в виде последовательности импульсов, скорость распространения которых определяется групповой скоростью. Эта последовательность импульсов переносится одновременно всеми модами и, соответственно, образующими их лучами. Так как угол наклона лучей, образующих более высокую моду, больше, чем у лучей, образующих более низкую моду, то высшие моды запаздывают сильнее (проходят как бы больший путь, что видно на рис. 5.2.). Поэтому в многомодовом ОВ импульсы, передаваемые разными модами, испытывают уширение и могут накладываться друг на друга. Этот механизм уширения импульсов называется межмодовой дисперсией (см. гл. 1). Для уменьшения межмодовой дисперсии используют градиентный профиль ПП в сердцевине, который записывается как (1.18). Траектория меридиональных лучей в градиентном волокне показана на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Траектории меридиональных лучей в градиентном волокне: 1 – светоотражающая оболочка, 2 – лучи, соответствующие высшей моде, 3 -  лучи, соответствующие низшей моде. Числовая апертура NA = n0×sinα

Лучи, соответствующие основной (первой) моде волокна, проходят кратчайший путь, но с наименьшей скоростью, т.к. распространяются вблизи оси волокна, где ПП сердцевины максимален. Лучи, соответствующие высшим модам, проходят по более длинным траекториям, но с большей скорость., т.к. проходят по областям с меньшим ПП. В результате, несмотря на разную длину траекторий, лучи проходят их за одинаковое время. Число мод, распространяющихся в градиентном многомодовом ОВ, определяется как:

N = V2/4                                           (5.3),

т.е. в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым профилем ПП при одинаковых значениях максимальной разности ПП сердцевины и оболочки.

         Провал в центре профиля ПП сердцевины характерен для ОВ, заготовки которых получены методами MCVD, OVD, PMCVD, PCVD, и обусловлен испарением легирующих компонентов во время сжатия трубки с осажденными слоями в штабик-заготовку. Наличие этого провала приводит к тому, что в волокне возбуждаются одновременно моды и наиболее низкого, и наиболее высокого порядка при использовании лазерного диода в качестве источника излучения. Так как эти моды распространяются с разными скоростями, то возникает так называемый эффект дифференциальной модовой задержки, приводящий к расщеплению импульсов. Устранить это расщепление импульсов можно, сместив на 10-20 мкм место ввода излучения от оси волокна. Это смещение осуществляется с помощью специальных шнуров MCP (Mode Conduction Patchcord). Волокна без провала в центре профиля ПП, полученные, например, методом VAD, соединяются с лазером в системе Gigabit Ethernet непосредственно без использования шнуров MCP. В качестве источников излучения в этой системе регламентируется использовать плоскостные полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), работающие в диапазоне 0,85 мкм.

         Максимальная широкополосность многомодовых градиентных ОВ, строго говоря, достигается только на одной длине волны, т.к. степенной параметр (u) в уравнении (1.18) зависит как от материала сердцевины, так и от рабочей длины волны. При производстве новых типов волокон координату максимума сдвигают в сторону коротких волн (рис. 5.4), что приводит нетолько к увеличению коэффициентов широкополосности ОВ в первом окне прозрачности (l ~ 0,85 мкм), но и делает тракт более универсальным, вырав нивая значения этих коэффициентов в первом и втором (l ~ 1,3 мкм) окнах

прозрачности.

Рис. 5.4. Спектральные характеристики коэффициента широкополосности градиентных выолокон: 1 – стандартное волокно, 2 – широкополосное волокно

В таблице 5.1. даны стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ.

Таблица 5.1.

Стандартные спецификации градиентного многомодового ОВ.

  Диаметр

сердцевины,

       мкм

       Потери, дБ/км 

       Коэффициент

широполосности, МГц*км

l = 0,85 мкм

l = 1,3 мкм

l = 0,85 мкм

l = 1,3 мкм

     62,5

Не более 3,5

Не более 1,5

Не менее 200

Не менее 500

     50

Не более 3,5

Не более 1,5

Не менее 500

Не менее 500


Рис. 5.5. Зависимость стоимости ВОСПИ от длины тракта с многомодовыми (1) и одномодовыми (2) волокнами

Из таблицы 5.1 видно, что и величина потерь и пропускная способность многомодовых ОВ уступает одномодовым ОВ, которые к тому же значительно дешевле. Однако из-за меньшей стоимости оконечной аппаратуры и монтажа линии с многомодовыми ОВ ценовое преимущество одномодового ОВ начинает сказываться только при длинах линии больше 1,5 км (рис. 5.5).



5.1.2. ОВ типа 'кварц-полимер'

         В этих ОВ сердцевина сформирование чистым кварцевым стеклом типа КУ, КВ, КИ или КУВИ (см. гл. 2) в зависимости от спектрального диапазона работы волокна, а светоотражающая оболочка –полимером, имеющим ПП меньше ПП кварцевого стекла. Обычно в качестве такого полимера используют СИЭЛ – 305, имеющий n ≈ 1,40 и плотность ~ 1,1 г/см3. Получают такие ОВ путем вытяжки кварцевого штабика с одновременным нанесением покрытия на вышеописанной вытяжной установке (рис. 4.1). ОВ типа "кварц-полимер" используются, главным образом, для передачи большой мощности световой энергии или в локальных вычислительных сетях небольшой протяженности. Эти ОВ находят также широкое применение в медицине, поскольку являются значительно более дешевыми, чем ОВ типа "кварц-кварц". Диаметр кварцевой сердцевины обычно составляет 200…1000 мкм и зависит от энергии, которую надо передавать по ОВ (например, при диаметре сердцевины 600 мкм по ОВ передают мощность до 100 Вт). При этом следует иметь в виду, что с увеличением диаметра сердцевины растет допустимый радиус изгиба волокна и его "жесткость". СИЭЛ является термоотверждаемым покрытием. Температура в печи обычно составляет 350…3900С и определяется длиной печи и скоростью вытяжки волокна с тем, чтобы за время пребывания в печи это покрытие успело бы полимеризоваться. СИЭЛ является мягким покрытием и его можно использовать в качестве первичного (тем более, что имеются модификации с ПП, равным 1,52, т.е. большим, чем ПП кварцевого стекла), однако скорость его полимеризации значительно уступает уретанакрилатным композициям (см. гл. 4). В качестве вторичного покрытия применяют полиамид (например, нейлон) или фторопласт (например,"Тефзель"). Значительная разность ПП кварцевого стекла и СИЭЛ позволяет получать ОВ с числовой апертурой до ~ 0,4 для коротких образцов (£10 м) и до 0,25 для более длинных образцов (£ 100 м). 

Рис. 5.6. Спектральная зависимость потерь в ОВ типа «кварц-полимер»: 1- потери в кварцевом стекле, 2- потери в волокне, 3- потери в полимерном материале СИЭЛ.

Недостатком ОВ типа "кварц-полимер" являются значительно большие потери по сравнению с ОВ типа "кварц-кварц". На рис. 5.6. приведены спектральные зависимости потерь в кварцевом стекле, в полимере СИЭЛ и в ОВ типа "кварц-полимер". Эти зависимости показывают, что высокие потери в данных ОВ обусловлены потерями светоотражающего покрытия СИЭЛ, куда свет частично проникает. Но поскольку рабочая длина образцов редко превышает сотни метров, то этот недостаток не является критическим. Минимальные потери составляют обычно ~ 10 дБ/км в районе 0,8 мкм

Второй недостаток ОВ типа «кварц-полимер» связан с температурной зависимостью оптических параметров ОВ. На рис 5.7 (а) приведена зависимость ПП СИЭЛ от температуры. Видно, что до – 600С ПП линейно возрастает с температурой. При температуре ниже – 600С происходит резкое увеличение ПП, которое связано с кристаллизацией полимера. При обратном нагреве ход зависимости ПП от температуры будет несколько отличаться, что связано с гистерезисом. ПП резко уменьшается при нагреве выше – 400С, а при температуре выше – 350С ход прямой повторяется. На рис. 5.7 (б) показано изменение потерь в ОВ типа "кварц-полимер" в зависимости от температуры при использовании СИЭЛ в качестве светоотражающей оболочки. С понижением температуры оптические потери плавно возрастают, т.к. Dn уменьшается, а при температуре – 600С они начинают резко возрастать из-за значительного уменьшения разности ПП кварцевой сердцевины и полимерной оболочки.

Рис. 5.7. Температурные зависимости показателя преломления СИЭЛ (а) и оптических потерь (б) в ОВ типа «кварц-полимер»



5.2. Одномодовые ОВ

Одномодовые ОВ применяются в межконтинентальных ВОСПИ и других магистральных линиях, где требуется чрезвычайно высокое качество и большой объем передаваемой информации. Условием распространения одной, основной моды (LP01 – Linear Polarized) в ОВ является:

V £ 2,405                                                   (5.4),

где V – нормализованная частота, определяемая формулой (5.2). Если 2,405 < V <3,83 добавляется "первая" высшая мода LP11, а если - V> 3,83, то появляется следующая мода LP02 и т д.. Длина волны, при которой отсекается первая высшая мода и распространяется только основная мода, называется длиной волны отсечки (lс).

         Практически важно знать радиальное распределение амплитуды или интенсивности поля моды одномодового ОВ, так как именно оно определяет такие параметры, как эффективность согласования ОВ между собой и с источником излучения, затухание света в оболочке и т. д. Естественно, что данное распределение изменяется с изменением длины волны излучения или, что то же самое, с изменением V. Форма поля LP01-моды в сечении волокна ("ближнее" поле) вблизи отсечки (т.е. при V=2,405) достаточно точно описывается гауссовым распределением:

I(r) = I0´exp (-4r2/w2)                                           (5.5),

где I0 - интенсивность поля на оси волокна, w – диаметр модового пятна, т.е. значение диаметра, при котором интенсивность излучения составляет (1/е2)´I0 = 0,135 I0.

Рис. 5.8. Распределение интенсивности ближнего поля I(r) в одномодовых ОВ при различных значениях нормализованной частоты. Точки соответствуют гауссову приближению поля

На рис. 5.8 приведено распределение интенсивности ближнего поля I (r) в одномодовых ОВ при различных значениях нормализованной частоты (V), а точки соответствуют гауссовому распределению. Видно, что по мере уменьшения величины V все большая часть излучения выходит в светоотражающую оболочку и интенсивность излучения отклоняется от гауссовского. Диаметр модового пятна однозначно определяется величиной V и его можно вычислить с точностью ~ 1 % при 1,2< V < 2,4 для ОВ со ступенчатым профилем ПП по формуле:

w /2a = 0,65 +1,619 V-3/2 + 2,879 V-6                             (5.6),

или по приближенной формуле

w = 0,83 l / NA                                         (5.7),

где a – радиус сердцевины, NA – числовая апертура волокна. Из (5.7) видно, что в первом приближении радиус модового пятна не зависит от радиуса сердцевины и определяется отношением длины волны излучения к числовой апертуре волокна. Расчет по формулам (5.7) и (5.8) показывает, что при V = 2,4 - w/2a = 1,085, при V = 1,8 - w/2a = 1,32, а при V = 1,2 -w/2a = 1,882, т.е. в первом случае поле заходит в светоотражающую оболочку на ~ 4,5 %, во втором на ~ 16%, а в третьем на ~ 44 %. Типичный профиль ПП в заготовке стандартного одномодового ОВ показан на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Типичный ППП в одномодовом ОВ, полученном MCVD – технологией: 1 – сердцевина (SiO2*GeO2), 2 – светоотражающая оболочка (SiO2*P2O5*F), 3 – технологическая оболочка (SiO2)

Провал в центре профиля ПП является типичным для заготовок, полученных методом MCVD, и объясняется испарением легирующего компонента (GeO2). Для примера, геометрические параметры стандартных одномодовых ОВ (типа SMF-28 – single mode fiber), производимых фирмой "Corning", приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 Геометрические параметры ОВ SMF – 28

Диаметр модового пятна:

на l = 1,31 мкм

на l = 1,55 мкм

 

9,2 ±0,4 мкм

10,4 ± 0,8 мкм

Эксцентриситет сердцевины и оболочки

£0,6 мкм

Диаметр кварцевого волокна

125 ± 1,0 мкм

Эллиптичность оболочки

£ 1,0 %

Собственный изгиб волокна

³1,0 м

Неконцентричность покрытия

± 10 мкм

Очень часто при расчетах реальный профиль ПП заменяют модельным (так называемым, эквивалентным) ступенчатым ПП, который достаточно хорошо изучен теоретически. На рис. 5.10 приведены профили ПП трех типов ОВ и соответствующие им эквивалентные ступенчатые ППП и распределение полей, соответствующих реальным профилям ПП (кружки) и эквивалентным (треугольники). Следует отметить, что во всех случаях

∆nэкв<∆n = nc – nоб  и  Vэкв < V                                    (5.8).

Рис. 5.10. Профили ПП трех типов одномодовых ОВ (кривые 1) и соответствующие им эквивалентные ступенчатые профили ПП (кривые 2, верхние рисунки) и распределение полей E(r)

Одними из основных параметров одномодовых ОВ, определяющих длину ретрансляции участка, являются потери и дисперсия (т.е. ширина полосы пропускания). В таблице 5.3 приведены типичные потери в одномодовых ОВ SMF - 28.

Из таблицы видно, что потери в одномодовых ОВ близки к теоретическому пределу для кварцевого стекла (~ 0,15 дБ/км). Однако опыт эксплуатации ОВ показал возможность увеличения потерь со временем из-за так называемого «водородного старения», т.е. взаимодействия молекулярного водорода (неизбежно присутствующего внутри или снаружи оптического кабеля) с атомарными дефектами или примесями, имеющимися в ОВ. К таким дефектам кварцевого стекла, вызывающим рост потерь на длинах волн 1,38 мкм (OH-группа) и 1,53 мкм (пик SiH), относятся немостиковые дырочные центры (Si-O*) и пероксирадикал (Si-O-O* *Si). Механизм реакции водорода с этими дефектами описывается следующим образом:

Таблица 5.3 Типичные потери в одномодовых ОВ SMF - 28

Спектр потерь Потери на l = 1,31 мкм

на l = 1,55 мкм

на l = 1,38 мкм

Прирост потерь в диапазонах:

1,285 ¸1,33 мкм и 1,525¸1,575 мкм

    0,34 дБ/км

     0.20 дБ/км

    £ 2,1 дБ/км

      0,05 дБ/км

  Потери на

     изгиб

  Приращение потерь при намотке

100 витков на оправку диам. 75 мм

             на l = 1,31 мкм

              на l = 1,55 мкм

   при намотке 1 витка на оправку

 диаметром 32 мм на l = 1,55 мкм

      £ 0,05 дБ

       £ 0,05 дБ

         £ 0,5 дБ

Длина волны

     отсечки

                      В волокне

                      В кабеле

   1,15¸1,35 мкм

      < 1,26 мкм

Si-O* *O-Si + H2 → Si-O-H + H-O-Si                                     (5.9)

Si-O-O* *Si + H2 → Si-O-O-H + H-Si → Si-O-O-Si + H2        (5.10)

Рис. 5.11. Спектральные зависимости потерь в одномодовом ОВ: 1 – исходное волокно, 2 – волокно через 37 дней после выдержки в 1 % Н2 при 20 0С

Для примера на рис. 5.11 показано увеличение потерь в результате водородного старения на λ = 1,38 мкм из-за первого дефекта. Максимальные потери в области этого пика составили 2,0 дБ/км, что не гарантирует сохранение рабочих характеристик ОВ в течение его службы (25 лет). Вышеуказанные дефекты кварцевого стекла могут быть сведены к минимуму за счет оптимизации окислительно-восстановительных условий при получении заготовок и вытяжке волокна.

Третий тип потерь в результате «водородного старения» обусловлен наличием примесей (Na, Li, K и др.) в германосиликатной сердцевине ОВ. Наличие примесей щелочных металлов в количестве десятых ppm может оказаться критическим из-за активного взаимодействия водорода с германиевыми дефектами (Ge+3) согласно реакции:

                      Na+       Na+                 Na          Na

Si-O* *O-Ge + H2 → Si-O-H + H-O-Ge                           (5.11)

Таким образом, щелочное загрязнение приводит к росту потерь из-за «водородного старения» в области гидроксильного пика и в длинноволновом спектре, влияя на длины волн > 1,36 мкм.

Зная динамический диапазон ВОСПИ (например, 40 дБ) можно рассчитать длину ретрансляционного участка:

                            L = 40/0,2 » 200 км.

Однако длина ретрансляционного участка зависит не только от величины потерь, но и от дисперсии сигнала, т.е. от его расширения. При расширении импульсов имеет место уменьшение их амплитуды так, что:

Р1 / Р2 = Dt2 / Dt1                                        (5.12),

где Р1 и Р2 – пиковые мощности импульсов на входе и на выходе линии, а

D t1 и  Dt2 – ширина импульсов (на уровне полувысоты) на входе и на выходе соответственно.

Расширение сигналов может приводить к их перекрытию, и тогда трудно различить есть сигнал или его нет. Для иллюстрации, на рис. 5.12 показано прохождение импульсов (2,5 Гбит/с), полученных при прямой модуляции DFB лазера (l = 1,55 мкм), по линии с одномодовым ОВ. Видно, что после прохождения волокна импульсы должны быть усилены (с помощью эрбиевого усилителя – EDFA – Erbium-Doped Fiber Amplifier), а форма их восстановлена с помощью специальных волокон, компенсирующих дисперсию – КД (DC – Dispersion Compensating Fiber).

Вопросы дисперсии импульсов, в том числе и в одномодовых ОВ, рассмотрены в гл 1. Отметим только, что для одномодовых ОВ наибольшее значение имеет хроматическая дисперсия, которая характеризует зависимость групповой задержки моды от длины волны излучения. Составляющими хроматической дисперсии являются материальная и волноводная дисперсии, которые могут иметь разные знаки и частично компенсировать друг друга. Длина волны нулевой дисперсии (ДВНД) для кварцевых ОВ располагается вблизи 1,3 мкм (рис. 1.24). Однако с целью увеличения ретрансляционного участка её желательно сдвинуть в район 1,55 мкм, где имеют место минимальные потери кварцевых ОВ. Добиться этого можно за счет уменьшения либо материальной, либо волноводной дисперсии. Изменение состава компонентов, вводимых в стекло, не приводит к желаемому результату, т.к. материальная дисперсия слабо зависит от состава легирующих компонентов.

Рис. 5.12. Прохождение импульсов (2,5 Гит/с), полученных при прямой модуляции лазера в линии со стандартным одномодовым ОВ

Рис. 5.13. Профили ПП одномодовых ОВ со смещенной дисперсией (DS) и с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS): а) – треугольник на пьедестале, б) – трезубец

В больших пределах меняется волноводная дисперсия (за счет изменения формы профиля ПП). На рис. 5.13 приведены профили ПП ОВ со смещенной (DS - Dispersion Shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (NZDS - Non Zero Dispersion Shifted), а на рис. 5.14 показана хроматическая дисперсия (Dl) как сумма материальной (DM) и волноводной (DB) дисперсий в стандартном одномодовом волокне (SM – Single Mode).

Рис. 5. 14. Хроматическая дисперсия (1) как сумма материальной (2) и волноводной (3) дисперсии

С внедрением оптических усилителей в линиях ВОСПИ стало экономически целесообразным осуществлять передачу сигналов по одному волокну одновременно на многих длинах волн, т.к. они могут быть усилены одним усилителем. Соответственно стало возможным увеличивать пропускную способность системы, просто умножая число длин волн, передаваемых по одному волокну, на скорость передачи на одной длине волны. Подобные системы уплотнения каналов по длинам волн обозначаются как WDM (Wavelength Division Multiplexing) со скоростью передачи по каждому волокну 2,5 Гбит/с или как DWDM (Dense WDM) со скоростью передачи 10¸40 Гбит/с. 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 ОВ, при использовании технологии уплотнения по длинам вон (DWDM), составляет ≈100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.

Нелинейные эффекты появляются в DWDM – системах из-за того, что с увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увеличивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. При этом начинают проявляться нелинейные эффекты, наиболее вредным из которых является эффект четырехволнового смешения, вызывающий перекрестные помехи. Если в ОВ вводится N длин волн, то за счет 4-х волнового смешения появляются N 2 (N-1) / 2 новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн дисперсия волокна близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно. На рис. 5.15 показано роль дисперсии в этом процессе. В ОВ с дисперсией D=0 и D=2,5 пс/нм×км вводится излучение четырех спектральных каналов мощностью 2 мВт в каждом. На выходе ОВ длиной 50 км (чем длиннее волокно, тем выше эффективность нелинейных процессов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются. В световоде же с нулевой дисперсией длиной 25 км эффективно идет 4-х волновое смешение, и ясно видны более 20 дополнительных длин волн. Отсюда вытекает требование к ОВ для систем со спектральным уплотнением каналов – отличная от нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимальным. Такие ОВ называют волокнами с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS). В этих волокнах ДВНД лежит вне полосы оптического усилителя, а в полосе оптического усилителя NZDS волокна обладают небольшой дисперсией, необходимой для подавления перекрестных помех.

Рис. 5.15. Спектр излучения на выходе ОВ с различной величиной дисперсии (D) при возбуждении световодов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны 1546 нм: а) – D = 0 пс/нм×км, б) – D = 2,5 пс/нм×км

Ниже перечислены основные типы одномодовых оптических волокон, которые применяются в линиях связи и которые нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G.652…G.655:

G.652 – волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна – стандартные ОВ) имеют ДВНД и длину волны отсечки в районе 1,31 мкм;

G.653 – волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) имеют ДВНД в районе 1,55 мкм и длину волны отсечки в районе 1,31 мкм;

G.654 – волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) имеют ДВНД в районе 1,31 мкм и длину волны отсечки в районе 1,55 мкм;

G655 – волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS волокна) обладают малой дисперсией (0,1¸6 пс/(нм×км)) в диапазоне длин волн 1,53¸1,55 мкм.

Взаимосвязь между дисперсией в волокне (D), длиной ретрансляционного участка (L) и скоростью передачи данных (B), измеряемую в Гбит/с, определяется соотношением:

D´L = 105 / B2                                           (5.10).

Отсюда следует, что при постоянно увеличивающей скорости передачи данных длина ретрансляционного участка может увеличиваться только за счет практически полной компенсации дисперсии. Модули компенсаторов дисперсии использовали специальные КД волокна (КД - DCF – Dispersion Compensating Fiber) с отрицательной дисперсией, которые позволяли компенсировать положительную дисперсию одномодовых ОВ. Волокна, используемые в качестве КД, имеют специфический профиль ПП (рис.5.14) выполненный в виде узкого пика, окруженного кольцом с меньшим ПП.

Рис. 5.14. Профили ПП волокон: а) 1 – стандартное одномодовое ОВ, 2 – волокно, компенсирующее дисперсию (КД) с коэффициентом дисперсии ~ 100 пс/(нм*км), б) –КД-волокно с коэффициентом дисперсии 1800 пс/(нм*км) и шириной рабочего диапазона 24 нм

Для сравнения на рис. 5.14 (а) приведен ступенчатый профиль ПП в стандартных одномодовых ОВ. На коротких длинах волн в КД-волокнах мода ведется в основном острым пиком. С увеличением длины волны диаметр моды увеличивается, а модовый ПП, соответственно, уменьшается. При этом изменяется коэффициент дисперсии волокна, величина которого пропорциональна (со знаком минус) второй производной по длине волны от эффективного ПП волокна. Это производная проходит через максимум, когда поле моды достигает кольца, окружающего центральный пик. Таким образом, удается создавать волокна, обладающие большим (по модулю) отрицательным коэффициентом дисперсии. Промышленные волокна КД (типичные значении Д=-100 пс/(нм×км), S = -0,15 пс/(нм2×км) на λ = 1,55 мкм) позволяют компенсировать дисперсию во всей полосе эрбиевого усилителя, т.к. у КД-волокон не только знак дисперсии отрицательный (Д<0), но и знак наклона дисперсионной характеристики отрицательный (S<0). Однако, чем больше величина коэффициента дисперсии, тем уже полоса, в которой можно скомпенсировать полную дисперсию в SM – волокнах. Строго говоря, компенсировать полную дисперсию в линиях до нужного уровня удается только на одной длине волны (обычно в середине полосы EDFA - рис. 5.16) из-за того, что наклон дисперсной характеристики DC – волокон не согласован с наклоном дисперсной характеристики SM – волокон (рис. 5.17).

Рис. 5. 16. Зависимость степени компенсации от длины волны в линии со стандартным одномодоваым ОВ (SM) длиной 80 км и модулем DK-80

При этом в длинноволновой части спектра (диапазон С) линия ВОСПИ будет обладать избыточной отрицательной дисперсией, а в коротковолновой его части избыточной положительной дисперсией. Расчеты показывают, что если степень некомпенсации не превышает 25 %, то при скорости передачи 10 Гбит/с длина ретрансляционного участка может достигать 240 км.

Рис. 5.17.  Спектральные зависимости дисперсии в стандартном одномодовом ОВ (1) и КД-волокне (2), 3 – типичный диапазон работы эрбиевого усилителя

Величина дисперсии в КД-волокнах всего лишь в 5-8 раз больше дисперсии в стандартных одномодовых ОВ, поэтому для компенсации дисперсии линиях с SM необходимо использовать длинные отрезки КД– волокон и вносить тем самым дополнительные потери в линию, поскольку дополнительные потери в КД-волокнах больше, чем в SM. Потери в КД – волокнах складываются из трех основных компонент:

·     собственные потери в КД-волокне составляют ~ 0,5 дБ/км на λ = 1,55 мкм, что почти в ~ 2,5 раза больше, чем в стандартных SM волокнах;

·  потери на изгибы волокна. Из-за сложной структуры профиля ПП в КД– волокнах допустимый радиус изгиба последних значительно больше, чем у SM – волокна (~ 15…20 см вместо ~ 5 см);

·       потери в месте соединения КД-волокон с SM – волокнами возникающие из-за рассогласования диаметров модовых пятен. Так, у КД– волокон площадь модового пятна 15 мкм2 , а у стандартных одномодовых ОВ ~ 85 мкм2 из-за меньшей величины .

Для компенсации потерь, вызванных применением компенсаторов дисперсии в «старых» линиях ВОСПИ с SM-волокнами, используют дополнительные оптические усилители. В новых линиях ВОСПИ с NZDS-волокнами при той же длине ретрансляционного участка требуется меньшее количество оптических усилителей.

Физико-технологические основы волоконно-оптической техники





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