2.1.4. Типы оптических волокон

В практике создания магистральных, внутризоновых и внутриобъектовых линий связи при­меняются два основных типа кварцевых оптических волокон — многомодовое и одномодовое, типичная структура которых приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Структура оптического волокна:

а) многомодового, б) одномодового:

1 — сердцевина, 2 — оболочка; 3 — внутренний слой защитного покрытия,

4 — наружный слой слой защитного покрытия

Многомодовое волокно

Существуют два варианта многомодовых волокон: со ступенчатым и градиентным профи­лем показателя преломления сердцевины.

В многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления распро­страняется одновременно большое число мод — лучей, введенных в волокно под разными углами. Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь.

В многомодовом волокне с градиентным профилем показателя преломления значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям по закону [2.5]:

₍₃₎

где — текущий радиус, — радиус сердцевины, — показатель преломления в центре сердцевины (тот же, что и для ступенчатого ОВ), — нормализованная разность показате­лей преломления, — параметр, определяющий форму профиля показателя преломления (при профиль ступенчатый, при профиль параболический).

В соответствии с уравнением (3) моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше, чем в многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления.

Многомодовые волокна оптимизированы для работы на длинах волн 850 и 1310 нм. Эти волокна отличаются большим диаметром сердцевины (стандартное — 50 мкм, для особых целей — от 62,5 до 100 мкм) и высокой числовой апертурой (0,2. ..0,37), что позволяет вво­дить в волокно большую мощность и облегчает операцию сращивания волокон. Большая ширина полосы пропускания градиентных волокон (400.. .1000 ) обеспечивается же­стким технологическим контролем формы (параболической) профиля показателя преломле­ния. Эти волокна, в основном, применяются в локальных и внутриобъектовых сетях.

Необходимость создания высокоскоростных локальных сетей связи, работающих на про­токолах типа Gigabit Ethernet (IEEE 802,32) с использованием лазерных источников, привела к созданию новой серии многомодовых волокон. Эти волокна (марка InfiniCor фирмы Corning, марки GigaGuide и LazerWave фирмы OFS, марка Multimode GLight фирмы Alcatel) способны обеспечить не только скорости передачи от 1 до 10 Гбит/с на относительно большие расстоя­ния, но и увеличение скоростей передачи в будущем. Новые ОВ полностью совместимы с ис­пользуемыми в локальных сетях многомодовыми волокнами и аппаратурой.

Одномодовое волокно

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала привела к не­обходимости создания одномодового оптического волокна, диаметр сердцевины и соотно­шение показателей преломления сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода (строго говоря, две моды с взаимно ор­тогональными состояниями поляризации).

Развитие магистральных и внутризоновых систем связи в направлении роста скорости и дальности передачи обусловило создание нескольких типов одномодовых волокон, которые можно классифицировать по такому критерию, как хроматическая дисперсия. В Рекоменда­циях МСЭ-Т регламентированы параметры этих типов волокон (см. разд. 2.3).

Одномодовое волокно с дисперсией, оптимизированной для использования на длине вол­ны 1310 нм (Рек. G.652 МСЭ-Т). Это исторически первое и наиболее широко распростра­ненное волокно, производство которого осуществляется с 1983 г. для магистральных и внутризоновых сетей связи.

Стандартное одномодовое волокно предназначено для работы в двух рабочих диапазонах длин волн — 1285...1330 нм и 1530...1565 нм, и его затухание на длине волны 1550 нм очень мало (0,2 дБ/км), а дисперсия на этой длине волны составляет 18.. .20 пс/(нм·км) (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Коэффициент затухания и дисперсионные характеристики различных типов одномодовых волокон: 1 — зависимость коэффициента затухания оптических волокон от длины волны; 2 — зависи­мость стандартного оптического волокна; 3 — зависимость оптического волокна с ну­левой смещенной в область 1550 нм дисперсией; 4 и 4' — зависимость оптического волок­на с ненулевой смещенной дисперсией; 5 — ширина спектра оптического усилителя на эрбие­вом волокне; 6 — диапазон минимального затухания ОВ

Принципиально новой модификацией этого типа 0В являются волокна с отсутствием гидроксильного пика: на длине волны 1383 нм коэффициент затухания равен 0,31 дБ/км, стабильность затухания сохраняется даже после испытаний на водородное старение. Эти волокна (марка AllWave фирмы OFS, марка SMF28e фирмы Coming) позволяют увеличить почти на 100 нм рабочий диапазон длин волн по сравнению со стандартным 0В, открывая пятое окно прозрачности 1360...1460 нм, и могут обеспечить многоканальную передачу без компенсации дисперсии в городских и внутризоновых сетях. Преимуществом использова­ния волокон этого типа по сравнению со стандартным ОВ является возможность реализо-вать 16 недорогих CWDM каналов в диапазоне 1260... 1625 нм вместо 12. Волокна соответ­ствуют Рек. G.652.C, полностью совместимы со стандартными ОВ и существующим обору­дованием и могут заменить стандартные ОВ в системах связи.

Одномодовое волокно со смещенной в область 1550 нм длиной волны нулевой дисперсии (Рек. МСЭ-Т G.653). Имеет область минимума оптических потерь, совпадающую с обла­стью минимальной хроматической дисперсии (рис. 2.5). Волокно этого типа хорошо со-дместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн, в котором волокно имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии, совпадает с полосой максимально­го усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне.

Одномодовое волокно с ненулевой дисперсией, смещенной в область длин волн 1550 нм (Рек. МСЭ-Т G.655). Необходимость разработки этого типа ОВ была связана с внедрени­ем эрбиевых оптических усилителей в линиях связи и развитием оптических систем со спектральным уплотнением каналов, что значительно снизило себестоимость каналов. Однако способность эрбиевых оптических усилителей одновременно усиливать уплотнен­ные сигналы в диапазоне 1550 нм, высокий уровень мощности сигнала (100 мВт и более) и большие регенерационные участки (120 км и более) привели к возникновению нелиней­ных оптических эффектов в кварцевом волокне. Нелинейное взаимодействие вызовет ис­кажение сигнала и накапливается вдоль всей длины регенерационного участка.

Одномодовое волокно с контролируемой величиной отличной от нуля хроматической дисперсии, находящейся в пределах 0,1...6,0 пс/нм·км в области спектра оптического усили­теля (1530... 1565 нм), было разработано для уменьшения четырехволнового смешивания — эффекта, наиболее опасного для систем передачи со спектральным уплотнением при рав­номерно разнесенных по частоте каналах. Низкий наклон дисперсионной кривой и малое затухание обеспечивают использование этого волокна в расширенном диапазоне 1530...1625 нм. Структура волокна такова, что величина его дисперсии достаточно вели­ка, чтобы подавить эффект четырехволнового смешивания, но мала, чтобы обеспечить скорость передачи до 10 Гбит/с на большие расстояния без компенсации дисперсии.

Важнейшей характеристикой волокна с ненулевой смещенной дисперсией является большая эффективная площадь сечения , что позволяет уменьшить нелинейные эффекты, не умень­шая мощности вводимого в волокно света и длины линии. При этом оптимизация профиля пока­зателя преломления волокна в сочетании с совершенной технологией его изготовления позволи­ла найти приемлемый компромисс при решении такой противоречивой задачи, как увеличение эффективной площади сечения, уменьшение наклона дисперсионной кривой и снижение оптиче­ских потерь на излучение на микро- и макроизгибах. Лучшим примером такого волокна может служить волокно марки LEAF, впервые изготовленное фирмой Corning, площадь эффективного сечения которого составляет , а также волокно марки TraeWave XL фирмы OFS для подводных кабелей. К этому типу ОВ относится также волокно марки MetroCor фирмы Corning, предназначенное для использования в высокоскоростных городских сетях, поскольку в диапазо­не 1530...1605 нм волокно MetroCor имеет более низкую дисперсию (отрицательную), чем стан­дартное ОВ, и может обеспечить многоканальную передачу с применением недорогих систем спектрального уплотнения каналов DWDM (по сравнению со стандартным ОВ). Кроме того, диа­метр модового поля волокна MetroCor невелик (8,0 мкм), что позволяет снизить наклон кривой дисперсии и сдвинуть на 160 нм вправо точку нулевой дисперсии (-1640 нм).