Раздел I

ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

§ 2. Геометрические параметры оптических волокон

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины и оболочки. Оболочка покрыта защитным слоем из акрилатного лака. Сердцевина легирована германием, и поэтому ее показатель преломления больше, чем у оболочки. Свет распространяется в сердцевине волокна, испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину порядка длины волны, т. е. на глубину много меньше ее толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.

Волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые. Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125 ±1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в зависимости от типа волокна в пределах 7...9 мкм (рис. 1.1). Нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр модового пятна, величина которого зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8... 10 мкм. Отклонение диаметра модового пятна от его средней величины в соответствии с международным стандартом ITU-T Rec. G. 652 не должно превышать 10 %.

Одномодовые волокна Многомодовые волокна

Рис. 1.1. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон

Все типы волокон, применяемые в линиях связи, по своим геометрическим параметрам настолько близки друг к другу, что при внешнем осмотре, если нет специальной маркировки, определить, какой это тип волокна, практически невозможно. Многомодовые волокна применяются в локальных вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа.

Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней: магистральном, уровне распределения и уровне доступа. Типы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой профиля показателя преломления и, соответственно, дисперсионными характеристиками. Существует три основных типа одномодовых волокон: стандартные Одномодовые волокна (SM), волокна со смещенной дисперсией (DS) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS). В России DS волокна не используются, a NZDS волокна только начинают применяться.

§ 3. Волокна со смещенной и несмещенной дисперсией

Волокна с несмещенной дисперсией (стандартные Одномодовые волокна). Основным типом волокон, применяемых в линиях связи, являются стандартные одномодовые волокна (ITU-T Rec.G. 652). Для их обозначения используют несколько различных сокращений: NDSF — No Dispersion Shifted Fiber (волокно с несмещенной дисперсией), SF — Standard Fiber (стандартное волокно), SSMF — Standard Single Mode Fiber (стандартное одномодовое волокно). Наиболее распространенное обозначение: SM- Single Mode (одномодовое).

Среди всех типов волокон, уложенных в наземных линиях связи, на долю SM волокон приходится почти 90 %, а их общая протяженность достигает сотни миллионов километров. Это наиболее зрелый (производится с 1983 г.) и наиболее дешевый (~ 25 $/км) тип волокна. В большинстве линий России (а до недавнего времени и в США) используется именно этот тип волокон. За рубежом кроме SM волокон применяются также волокна со смещенной дисперсией (DS - Dispersion Shifted) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS - Non Zero Dispersion Shifted).

SM волокна имеют наиболее простую (ступенчатую) форму профиля показателя преломления, а длина волны нулевой дисперсии (λ = 1310 нм) в них попадает в один из локальных минимумов потерь. Поэтому при работе на λ = 1310 нм они обеспечивают не только высокую скорость передачи данных, но и малые потери. Кроме того, среди всех типов одномодовых волокон SM волокна обладают наиболее совершенными геометрическими параметрами и стабильным диаметром модового пятна, что позволяет достигать минимальных потерь в сростках таких волокон (типичное значение 0.02 дБ).

Потери для лучших образцов промышленных волокон в локальном минимуме на длине волны λ = 1310 нм составляют 0.31...32 дБ/км. В абсолютном минимуме потерь (λ = 1550 нм) потери меньше 0.18...0.19 дБ/км, а коэффициент дисперсии достигает величины 17...20 пс/(нм∙км).

На российском рынке представлены SM волокна большинства ведущих зарубежных компаний, таких, как Corning и Lucent (США), Sumitomo, Hitachi, Fujikura и Furukawa (Япония), Pirelli (Италия), Alcatel (Франция). Недавно на рынке появились также SM волокна с улучшенной очисткой от примесей воды (ОН): AllWave (Lucent), SMF-28e (Corning) и SMR (Pirelli).

Волокна со смещенной дисперсией (DS - Dispersion Shifted). В 1985 г. был создан новый тип волокон, в которых длина волны нулевой дисперсии была смещена на λ = 1550 нм - в абсолютный минимум потерь в кварцевых волокнах. Длина волны 1550 нм интересна еще и тем, что она лежит примерно в середине полосы усиления эрбиевых оптических усилителей (EDFA- Erbium Doped Fiber Amplifiers). DS волокна используются в основном в магистральных линиях связи Японии, Мексики и частично США. В последние годы производство DS волокон резко уменьшилось, так как из-за большой величины перекрестных помех их применение в системах с уплотнением по длинам волн (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing) ограничено.

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS - Non Zero Dispersion Shifted) появились на рынке в 1993 г. К тому времени промышленностью были освоены эрбиевые оптические усилители, что сделало экономически целесообразным применение DWDM систем (рис. 1.2). В этих системах по одному волокну пропускается излучение на многих длинах волн (до 300 длин волн). Оптический усилитель усиливает излучение одновременно на всех этих длинах волн. Пропорционально числу длин волн увеличивается и пропускная способность линии связи.

Рис. 1.2. Принцип работы системы со спектральным уплотнением по длинам волн (DWDM). 1 - мультиплексор, 2 - оптический усилитель мощности, 3 - линейные оптические усилители, 4 - оптический предусилитель, 5 – демулътиплексор

С увеличением числа спектральных каналов (длин волн) в DWDM системе возрастает суммарная мощность излучения, передаваемого по волокну, и сильнее начинают проявляться нелинейные эффекты. Наиболее вредным является эффект четырехволнового смешения, так как при смешении сигналов, передаваемых на нескольких длинах волн, в волокне возникают паразитные сигналы на новых длинах волн. Некоторые из этих паразитных сигналов попадают в спектральные каналы DWDM системы, что приводит к возникновению перекрестных помех.

Появление сигналов на новых длинах волн можно объяснить тем, что световые волны большой интенсивности создают в волокне бегущие фазовые решетки (бегущие волны показателя преломления). При взаимодействии других световых волн с этими бегущими фазовыми решетками и возникают паразитные сигналы на новых длинах волн. Эффективность этого взаимодействия быстро уменьшается с увеличением дисперсии волокна.

Так, если длина волны нулевой дисперсии волокна попадает между спектральными каналами DWDM системы, то соответствующие этим каналам световые волны распространяются в волокне с одинаковой скоростью и имеют возможность взаимодействовать достаточно длительное время. В NZDS волокнах длина волны нулевой дисперсии лежит вне полосы оптического усилителя, а в полосе оптического усилителя NZDS волокна обладают небольшой (ненулевой) дисперсией, необходимой для подавления перекрестных помех.

Основные типы одномодовых волокон, применяемых в линиях связи, нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G. 652...G. 655:

• G.652: волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии и длиной волны отсечки в районе 1310 нм.

• G.653: волокна со смещенной дисперсией (DS волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1550 нм и длиной волны отсечки в районе 1310 нм.

• G.654: волокна с несмещенной дисперсией (SM волокна) с длиной волны нулевой дисперсии в районе 1310 нм и длиной волны отсечки в районе 1550 нм.

• G.655: волокна со смещенной ненулевой дисперсией (NZDS волокна), обладающие малой дисперсией (0.1...6 пс/(нм∙км)) в диапазоне длин волн 1530... 1565 нм.

Специальные типы одномодовых волокон. Кроме перечисленных выше трех основных типов одномодовых волокон, существует еще несколько специальных типов одномодовых волокон, применяемых в волоконно-оптических устройствах.

• Волокна для компенсации дисперсии (DC - Dispersion Compensating), применяемые в модулях компенсации дисперсии.

• Волокна с примесью редкоземельных элементов, применяемые в оптических усилителях, например в EDFA - Erbium Doped FiberAmplifier.

• Волокна, сохраняющие состояние поляризации излучения (РМ - Polarization Maintaining), применяемые в поляризационных делителях и смесителях.