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 (l_с).

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

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

∆n_экв<∆n = n_c – n_об и V_экв < 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

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 (D_l) как сумма материальной (D_M) и волноводной (D_B) 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.