§ 1. Введение

Одномодовые оптические волокна применяются в межконтинентальных линиях связи и других магистральных линиях, где требуется чрезвычайно высокое качество передаваемой информации (например, передача банковских данных). В цифровых линиях связи (наиболее распространенном типе линий) качество передаваемой информации характеризуется коэффициентом битовых ошибок. Его величина тем больше, чем больше вероятность принять бит 0 за бит 1. Вероятность такой ошибки возрастает с уменьшением амплитуды импульсов и увеличением их ширины.

Уширение импульсов обусловлено дисперсией волокон. Дисперсия является также и причиной уменьшения амплитуды импульсов, так как уширение импульсов неизбежно сопровождается уменьшением их амплитуды. Но в большей степени уменьшение амплитуды импульсов обусловлено потерями в волокнах. Таким образом, потери и дисперсия являются основными оптическими характеристиками волокон, применяемых в линиях связи.

В отличие от электрических линий связи, где потери зависят от частоты передаваемых сигналов, в оптических волокнах потери не зависят от скорости передачи данных. Поэтому при низкой скорости передачи предельно допустимое расстояние между ретрансляторами ограничивается потерями в волокнах, а при высоких скоростях - дисперсией.

В волоконных линиях дальней связи, построенных в России, скорость передачи, как правило, не превышает 2.5 Гбит/с (STM-16) и в большинстве из них не используются оптические усилители. Поэтому в них расстояние между ретрансляторами (~100 км) ограничивается потерями в волокне. В этих линиях используются стандартные одномодовые волокна или, как их еще называют, волокна с несмещенной дисперсией (SM- Single Mode). Потери в лучших промышленных образцах таких волокон на длине волны 1550 нм составляют 0.18...0.19 дБ/км.

В большинстве зарубежных линий дальней связи используются оптические усилители, и в этих линиях расстояние между ретрансляторами уже не лимитируется потерями в волокнах. Так, в наземных линиях связи это расстояние может достигать 1000 км, в подводных линиях - и 10 000 км. Скорость передачи данных в большинстве таких линиях составляет 10 Гбит/с (STM-64), а в ближайшей перспективе и 40 Гбит/с (STM-256). Поэтому в них уже существенны ограничения, возникающие из-за дисперсии оптических волокон.

Уширение импульсов в одномодовых волокнах возникает как из-за зависимости скорости распространения света от длины волны (хроматическая дисперсия), так и из-за зависимости этой скорости от состояния поляризации света (поляризационная дисперсия). Полная хроматическая дисперсия в линии может быть сделана достаточно малой за счет использования волокон со смещенной дисперсией (DS – Dispersion Shifted) или за счет ее компенсации путем включения в линию связи волокон с противоположными знаками хроматической дисперсии.

Поляризационная дисперсия становится существенной только при большом расстоянии между ретрансляторами и высокой скорости передачи - 10 Гбит/с (STM-64) и выше. Поэтому ранее на нее не обращали внимания, и в «старые» линии укладывались волокна с недопустимо большой по сегодняшним меркам поляризационной дисперсией. Компенсировать же поляризационную дисперсию из-за ее случайной природы значительно сложнее. В настоящее время такую компенсацию удается осуществлять только при передаче сигналов на одной длине волны (в узкой полосе частот). В новых моделях одномодовых волокон требования к поляризационной дисперсии существенно выше, и она, как правило, меньше почти на порядок, чем в старых моделях SM волокон.

С внедрением оптических усилителей в волоконные линии связи стало экономически целесообразным осуществлять передачу сигналов по одному волокну одновременно на многих длинах волн, так как все они могут быть усилены одним оптическим усилителем. Соответственно стало возможно увеличивать пропускную способность системы, «просто» умножая число длин волн, передаваемых по одному волокну, на скорость передачи на одной длине волны.

Последний рекорд - передача по одному волокну 10.92 Тбит/с (1T = 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 оптического волокна при использовании технологии уплотнения по длинам волн (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing) составляет около 100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.

Нелинейные эффекты в волокнах наиболее сильно проявляются в DWDM системах, так как с увеличением числа длин волн, передаваемых по волокну, увеличивается и передаваемая по нему суммарная оптическая мощность. При этом не только усиливается вклад нелинейных эффектов, наблюдающихся при передаче сигналов на одной длине волны, но начинают проявляться нелинейные эффекты, свойственные только многоволновым линиям передачи.

Наиболее вредным из них является эффект четырехволнового смешения. Оказалось, что для его подавления необходимо, чтобы волокно обладало ненулевой дисперсией. Поэтому пришлось отказаться от использования волокон со смещенной дисперсией (DS), длина волны нулевой дисперсии (1550 нм) которых попадает в рабочий диапазон DWDM системы. Специально для применения в DWDM системах были созданы волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted). В них длина волны нулевой дисперсии смещена так, что она выходит за пределы рабочего диапазона DWDM системы, а в пределах этого диапазона они обладают малой (ненулевой) дисперсией.

В 1 главе рассмотрены основные типы одномодовых волокон (раздел I) и их оптические характеристики: спектр потерь в прямых и изогнутых волокнах (раздел II), хроматическая дисперсия (раздел IV) и поляризационная дисперсия (раздел VII). Анализируются погрешности, возникающие при измерении потерь в линии передачи (раздел III), механизмы уширения и сжатия импульсов (раздел V) и вопросы компенсации полной хроматической дисперсии в линии (раздел VI).