Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи - файл n1.doc

приобрести
Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи
скачать (502.4 kb.)
Доступные файлы (5):
n1.doc1364kb.03.09.2002 11:11скачать
n2.doc1132kb.03.09.2002 18:30скачать
n3.doc152kb.29.08.2002 12:14скачать
n5.doc124kb.11.08.2002 20:07скачать
n6.doc131kb.01.09.2002 14:29скачать

n1.doc

1   2   3   4   5


Допустимая величина полной дисперсии в линии D L при скорости передачи в 2.5 Гбит/с составляет 16 000 пс/нм и ей соответствует ретрансляционный участок длиной около 1000 км. Таким образом, сигналы со скоростью 2.5 Гбит/с можно передавать без компенсации дисперсии практически на неограниченное расстояние. Но уже при скорости передачи в 10 Гбит/с допустимая величина полной дисперсии в линии D L уменьшается до 1000 пс/нм и ей соответствует всего лишь 60 километровый ретрансляционный участок. Увеличить длину ретрансляционного участка можно путем компенсации полной дисперсии в линии связи.
§ 26. Компенсация дисперсии в широкой полосе частот
Модули для компенсации дисперсии должны удовлетворять ряду требований: малые потери, широкий диапазоне, малая величина нелинейных эффектов, малые габариты и вес, малая потребляемая мощность и малая стоимость. Кроме того, желательно также, чтобы величина дисперсии в модуле могла регулироваться. В первых конструкциях модулей компенсации дисперсии использовалось специальное DC волокно (DCF - Dispersion Compensating Fiber). Модули с DC волокнами удовлетворяют только двум из приведенных выше требований: они обладают широкой полосой частот и не потребляют мощность (таблица № 1.5). В настоящее время они являются ключевыми элементами в системах со скоростью передачи 10 Гбит/с (STM-64).
Таблица № 1.5. Параметры модулей с DC волокнами для компенсации дисперсии.

Компания

Corning
Lucent Technologies



Тип модуля




DCM-20


DCM-40

DCM-60

DCM-80

DK-40


DK-60

DK-80

Компенсируемая длина линии, км





20

40

60

80

40

60

80

Полная дисперсия, пс/нм





- 329

- 658

- 988

-1317

- 680

-1020

- 1360

Коэффициент наклона полной

дисперсии, пс/нм2

н/д


н/д

н/д

н/д

< -1.2

< -1.9

< - 2.5

Вносимое затухание, дБ





3.2

5.0

6.8

8.6

5.2

7.0

8.9

Эффективность, пс/нмдБ





103

132

145

153

131

146

153

Среднее значение PMD, пс





0.8

1.1

1.4

1.5

0.6

0.75

0.9


Хотя отрицательная дисперсия DC волокон позволяет компенсировать положительную дисперсию SM волокон в достаточно широком диапазоне длин волн (рис. 1.36), однако наклон дисперсионной характеристики DC волокон не согласован с наклоном дисперсионной характеристики SM волокон. Компенсировать полную дисперсию в линии до нужного уровня удается только на одной длине волны (обычно в середине полосы усиления EDFA). При этом в длинноволновой части диапазона С линия будет обладать избыточной отрицательной дисперсией, а в коротковолновой его части избыточной положительной дисперсией. Т.е. возникает так называемая проблема «рассогласования наклонов дисперсионных характеристик».

Кроме того, величина дисперсии в DC волокне фиксирована и всего лишь примерно в пять раз больше дисперсии SM волокна. Поэтому для компенсации дисперсии в линии с SM волокнами необходимо использовать длинные отрезки DC волокон и вносить тем самым дополнительные потери в линию. Потери в DC волокнах складываются из трех основных компонентов:



Рис. 1.36. Зависимость дисперсии и потерь в стандартных DC волокнах от длины волны
Обычно модуль для компенсации дисперсии размещают в стойке рядом с оптическим усилителем. Однако из-за больших потерь, вносимым модулем, его нежелательно устанавливать на выходе оптического кабеля, так как это приведет к уменьшению сигнала на входе в оптический усилитель и, следовательно, увеличению отношения сигнал/шум. Устанавливать модуль на выходе оптического усилителя также нежелательно - из-за большого уровня мощности в DC волокне возникнут сильные нелинейные искажения сигнала.

Оптимальным является размещение модуля между двумя оптическими усилителями. При этом потери, вносимые модулем, компенсируются с помощью первого усилителя, но мощность на его выходе ещё не слишком велика, так что она не приводит к заметным нелинейным искажениям сигнала. Второй же оптический усилитель разгоняет мощность до нужного уровня.

Профиль показателя преломления в DC волокнах выполнен в виде узкого центрального пика, окруженного кольцом с меньшим скачком показателя преломления (рис. 1.37). На коротких длинах волн мода ведется в основном центральным пиком. С увеличением длины волны диаметр моды увеличивается, а модовый показатель преломления, соответственно, уменьшается. При этом изменяется коэффициент дисперсии волокна, величина которого пропорциональна (со знаком минус) второй производной по длине волны от эффективного показателя преломления волокна. Эта производная проходит через максимум, когда поле моды достигает кольца окружающего центральный пик.




Рис. 1.37. Профили показателя преломления (а) стандартного DC волокна с коэффициентом дисперсии порядка - 100 пс/нмкм и (б) с коэффициента дисперсии– 1800 пс/нмкм и шириной рабочего диапазона 24 нм.
Таким способом, удается создавать волокна, обладающие большим (по модулю) отрицательным коэффициентом дисперсии. Однако чем больше величина коэффициента дисперсии, тем уже полоса частот, в которой можно скомпенсировать полную дисперсию в SM волокнах. Промышленные DC волокна (типичные значения D = - 100 пс/нмкм, S = - 0.15 пс/нм2км на  = 1550 нм) позволяют компенсировать дисперсию во всей полосе эрбиевого усилителя (рис. 1.38)


Рис. 1.38. DC волокно обеспечивает компенсацию дисперсии SM волокон в широком диапазоне длин волн, так как у него не только знак коэффициента дисперсии отрицательный (D < 0), но и знак наклона дисперсионной характеристики отрицательный (S < 0).
Применение DC волокон наиболее эффективно в “старых” линиях с SM волокнами, однако в них для компенсации потерь вносимых DC модулями требуется устанавливать дополнительные оптические усилители. В новых линиях с NZDS волокнами, как показано на рис. 1.39, при той же длине ретрансляционного участка требуется меньше оптических усилителей.



Рис. 1.39. Две линии STM-64 (10 Гбит/с) с длиной регенерационных участка в 240 км. В линии с NZDS волокнами используются два оптических усилителя, а в линии c SM волокнами три усилителя, так как DC модули вносят дополнительные потери ~ 20 дБ.
В качестве примера найдем зависимость от длины волны степени компенсации полной дисперсии (CR- compensation ratio) в линии с SM волокнами и модулями DK-80. Коэффициент CR определяется как скомпенсированная доля полной дисперсии в линии. Будем полагать, как это часто делается, что в рабочем диапазоне длин волн коэффициенты дисперсии для SM волокон D() и для DC волокон DDC() зависят линейно от длины волны (рис. 1.38). Тогда для их описания достаточно трех независимых параметров: длины волны c, на которой осуществляется компенсация полной дисперсии, коэффициента дисперсии и наклона коэффициента дисперсии. Для удобства расчетов все необходимые параметры SM волокна и модулями DK-80 приведены в таблице № 1.6.
Таблица № 1.6. Дисперсионные параметры SM волокна и модуля DK-80 на  = 1550 нм.


Дисперсионные параметры


SM волокно

Модуль DK-80

Коэффициент дисперсии, пс/нм км


17

н/д

Коэффициент наклона дисперсии, пс/нм2 км

0.058

н/д

Длина волокна, км


80

н/д

Полная дисперсия, пс/нм


1360

- 1360  40

Коэффициент наклона полной

дисперсии, пс/нм2

4.64

< - 2.5



Полная дисперсия в линии в предвидении, что по ней возможно в будущем будут передаваться солитоны, обычно компенсируется не до нуля, а до небольшого отрицательного значения. Для упрощения расчетов положим, что она скомпенсирована до нуля:
D(c) L = DDC(c) LDC. (1.20)
Тогда не скомпенсированная часть полной дисперсии в линии будет описываться выражением (1.21)
S(c) ( - c) L + SDC (c) ( - c) LDC, (1.21)
а степень компенсации дисперсии выражением (1.22)
CR() = [D(c) L + S(c) ( - c) L + SDC (c) ( - c) LDC] / D(c) L. (1.22)
Подставив в (1.22) численные значения из таблицы № 2.4, получаем
CR() =1 + 16 ( - 1550)/1000. (1.23)
Зависимость CR() изображена на рис. 1.39.



Рис. 1.40. Зависимость степени компенсации от длины волны в линии с SM волокном длиной 80 км и модулем DK-80
Как видно из рис. 1.40, на краю диапазона полная дисперсия не скомпенсирована примерно на 25 %, что при полной дисперсии линии 1360 пс/нм составляет величину около 340 пс/нм. Отсюда можно оценить максимальную длину ретрансляционного участка в линии с компенсирующими модулями DK-80. Например, так как при скорости передачи 10 Гбит/с (STM-64) полная дисперсия в линии должна быть меньше 1000 пс/нм (таблица № 2.2), то получаем, что длина этого участка может достигать 380 км = 240 км. В то же время для скорости передачи 40 Гбит/с (STM-256) компенсация дисперсии в линии оказывается недостаточной, так как в этом случае допустимая величина полной дисперсии (60 пс/нм) меньше не скомпенсированной доли полной дисперсии 340 пс/км).


§ 27. Компенсация дисперсии с помощью фотонных кристаллов
Компенсацию дисперсии во всей полосе, занимаемой DWDM системой, можно осуществить с помощью интенсивно исследуемых в последнее время специальных волокон нового типа (PC - photonic cristal). Эти волокна ещё не вышли за стадию лабораторных исследований. PC волокна (фотонные кристаллы, их ещё называют пористые волокна) представляют собой пористую кварцевую нить с регулярно расположенными отверстиями, окружающими сердцевину из кварцевого стекла (рис. 1.41). Так как эффективный показатель преломления сердцевины больше эффективного показателя преломления окружающей её пористой оболочки, то свет распространяется в сердцевине, испытывая полное внутреннее отражение на границе сердцевины с оболочкой.

Зависимость коэффициента дисперсии PC волокна от диаметра сердцевины изображена на рис. 1.42. Максимальное значение дисперсии в таком волокне составляет примерно –2000 пс/нмкм, что позволяет компенсировать полную дисперсию в линии SM волокнами в 100 раз большей длины.


Зависимость коэффициента компенсации (СR) от длины волны изображена на рис. 1.43. Когда диаметр сердцевины выбран так, чтобы добиться максимального значения дисперсии в PC волокне (кривая (а)), то в диапазоне 1500…1600 нм коэффициент CR меняется более чем на 50 %. Эту зависимость можно существенно уменьшить подбором диметра сердцевины PC волокна. Так при диаметре сердцевины 0.98 мкм коэффициент CR в полосе 100 нм изменяется в пределах  0.2 % (кривая (б)). При этом диаметре наклон дисперсионной кривой на длине волны 1550 нм равен –2.3 пс/нм2км, а коэффициент дисперсии – 680 пс/нмкм, что позволяет полную дисперсию в линии с SM волокнами в 35 раз большей длины.


Рис. 1.43. Зависимость коэффициента компенсации от длины волны для PC волокна (а) с максимальной дисперсией на  = 1550 нм (–2000 пс/нмкм) и (б) с дисперсией (-680 пс/нмкм), при которой обеспечивается компенсация дисперсии в максимально широком диапазоне длин волн.
Малый диаметр сердцевины PC волокон приводит к большим потерям при сварке их с SM волокнами (~ 1.5 дБ). Ожидается, что в ближайшем будущем эти потери удастся существенно уменьшить, модифицируя оболочку волокна.

Раздел VII. Поляризационная модовая дисперсия (ПМД)


§ 28. Поляризационные моды
Свет, распространяющийся в номинально одномодовом волокне, можно представить в виде суммы двух поляризационных мод. Каждая поляризационная мода распространяется параллельно оси волокна со своим значением фазовой и групповой скорости. Фазовый фронт у мод плоский, а нормаль к плоскости фазового фронта параллельна оси волокна. Пространственное распределение полей у поляризационных мод волокна одинаковое (гауссово), и отличаются они только тем, что поляризованы ортогонально.

Все происходит точно так же, как и в случае распространения плоской волны в свободном пространстве. Хорошо известно, что плоскую волну всегда можно представить в виде двух ортогонально поляризованных плоских волн. Как и у плоских волн, у поляризационных мод состояние поляризации может быть также любым, однако обычно используют линейно поляризованные моды LP01 (LP – linear polarized). Делается это исключительно из удобства, так как в волокнах, как правило, преобладает линейное двулучепреломление (рис. 1.44).



Рис. 1.44. Распределение интенсивности (I(r) ~ exp[- 2 r2/(w/2)2]) и направление электрического поля E в поляризационных модах волокна. w – диаметр моды, 2а – диаметр сердцевины
Показатель преломления у телекоммуникационных волокон хоть и слабо, но зависит от состояния поляризации света, т.е. эти волокна обладают двулучепреломлением, причем в основном линейным. Оно наводится в номинально круглом волокне при его изготовлении из-за неизбежного появления небольшой эллиптичности сердцевины и внутренних напряжений, не обладающих аксиальной симметрией (рис. 1.45). Так как наведенные в волокне натяжения не имеют выделенного направления, величина и азимут линейного двулучепреломления изменяется случайным образом вдоль оси волокна.



Рис. 1.45. Причины возникновения двулучепреломления в оптических волокнах.
Хотя поляризационная анизотропия распределена по длине волокна нерегулярно, однако участок волокна менее длины корреляции нерегулярностей двулучепреломления можно рассматривать как однородный. На этом участке волокно обладает примерно постоянным по величине линейным двулучепреломлением. В нем можно возбудить быструю и медленную поляризационные моды, которые будут распространяться вдоль волокна, не обмениваясь при этом мощностью. Фазовые скорости этих поляризационных мод обратно пропорциональны величине показателей преломления:
vб = с/nб и vм = с/nм. (1.24)
А разность их фазовых набегов прямо пропорциональна разности показателей преломления (n = nм – nб) и длине участка волокна L:
 = (2/) (L/ vм – L/ vб) = (2/) n L. (1.25)
Если возбудить одновременно обе поляризационные моды, то состояние света будет периодически изменяться вдоль волокна с периодом равным длине биений Lб (рис. 1.46). Длина биений находится из условия, что разность фазовых набегов поляризационных мод равна 2 и выражается через разность показателей преломления:
Lб = /n (1.26)
У телекоммуникационных волокон на  = 1550 нм длин биений составляет примерно 5 м, что соответствует разности показателей преломления n = 3 10-7.


Рис. 1.46. Двулучепреломление волокна приводит к периодическому изменению состояния поляризации света от линейного к эллиптическому, круговому, эллиптическому, линейному и т.д.
Двулучепреломление приводит не только к появлению разности фазовых запаздываний поляризационных мод, но и к появлению у них разности групповых запаздываний (DGD – differential group delay) и, соответственно, к уширению импульсов (рис. 1.47):
(пс) = (пс/км)  L(км), (1.27)
где  - разности групповых запаздываний поляризационных мод на единице длины волокна. Так как в первом приближении фазовые и групповые скорости поляризационных мод примерно равны друг другу, то с помощью (1.24) находим:
  (1/vм – 1/vб) = n/с. (1.30)
Полагая в (1.30) n = 3 10-7 и с = 3 105 км/с, получаем оценку  = 1 пс/км.

Рис. 1.47. Уширение импульсов в волокне с двулучепреломлением.
В волокнах с регулярным (постоянным по длине волокна) двулучепреломлением, можно избежать уширения импульса из-за DGD. Для этого достаточно, чтобы направление поляризации на входе в такое волокно, совпало с направлением оси двулучепреломления волокна. Тогда в волокне возбудится только одна поляризационная мода, и импульс расширяться из-за двулучепреломления волокна не будет. Однако длина волокна обычно значительно превышает длину корреляции его неоднородностей. В таком волокне неизбежно возбуждается и вторая поляризационная мода, что и приводит к уширению импульсов.
§ 29. Уширение импульсов из-за ПМД
На начальном участке волокна длиной менее длины корреляции нерегулярностей двулучепреломления ещё можно, в принципе, возбудить только одну поляризационную моду. Как уже говорилось, для этого достаточно, чтобы на входе в этот участок свет был поляризован параллельно оси двулучепреломления волокна. Однако на следующем участке волокна оси двулучепреломления будут повернуты под другим углом, поэтому в нем возбудится также и вторая поляризационная мода, а импульс расщепится.

Импульсы будут расщепляться на каждом участке волокна, где достаточно сильно меняется направление оси двулучепреломления. В реальном телекоммуникационном волокне связь распределена случайным образом вдоль волокна, так что импульс при прохождении через волокно будет постепенно расширяться. Выглядеть он будет примерно так же, как и импульс, уширенный из-за хроматической дисперсии.

Схема, поясняющая механизм расщепления импульсов в длинном волокне изображена на рис. 1.48. На вход волокна поступает короткий импульс (1) и возбуждает обе поляризационные моды. На первом участке волокна он расщепляется на два импульса (2). Расстояние между этими импульсами увеличивается прямо пропорционально длине первого участка волокна (3). Во втором участке волокна каждый из этих двух импульсов расщепляется ещё на два импульса (4). После прохождения второго участка волокна исходный импульс оказывается расщепленным на четыре импульса (5).

В этой модели телекоммуникационное волокно представлено в виде двух, соединенных последовательно, участков волокон с линейным двулучепреломлением. Оси двулучепреломления этих участков волокон развернуты друг относительно друга. Угол разворота осей характеризует величину коэффициента связи, а длина этих участков - период коэффициента связи между поляризационными модами волокна.




Рис. 1.48. Уширение импульсов из-за ПМД в телекоммуникационных волокнах.
Случайная связь между поляризационными модами волокна может приводить как к увеличению, так и к уменьшению DGD (разности групповых запаздываний поляризационных мод). Поэтому в длинном волокне среднее значение DGD (<>) увеличивается не прямо пропорционально длине волокна, как в (1.27), а прямо пропорционально квадратному корню из длины волокна.
<>(пс) = PMD(пс/км1/2)  L1/2(км1/2). (1.31)
Для объяснения появления корневой зависимости DGD от L можно воспользоваться аналогией с классической задачей о случайных блужданиях. Как известно, при случайных блужданиях расстояние между конечной и начальной точками увеличивается пропорционально квадратному корню из времени.

Коэффициент поляризационной модовой дисперсии - PMD выражается (с точностью до коэффициента порядка единицы) через  и длину корреляции нерегулярностей двулучепреломления Lc соотношением
PMD(пс/км1/2) = (пс/км)  Lc1/2(км1/2). (1.32)
В «старых» телекоммуникационных волокнах длина корреляции Lc достигала 0.3 км, и они обладали большим PMD. При  = 1 пс/км и Lc = 0.3 км с помощью (1.32) получаем оценку: PMD = 0.55 пс/км1/2. Как будет показано ниже, это слишком большая величина для современных магистральных линий связи.

Уменьшить величину PMD, как видно из (1.32) можно, уменьшая , т.е. увеличивая длину биений в волокне, или уменьшая длину корреляции Lc. Стремиться изготавливать волокна с длиной биений более 10..30 м не имеет смысла, так как в волокне при укладке в кабель наводится достаточно большое двулучепреломление. Поэтому изготовители пошли по пути уменьшения величины Lc. Делается это путем периодического скручивания волокна в процессе его вытяжки.

Таким образом, удается уменьшить величину Lc до 1…10 м. При  = 1 пс/км и Lc = 0.01 км с помощью (1.32), получаем оценку: PMD = 0.1 пс/км1/2. Примерно такой величиной PMD обладают новые модели волокон.

Зная величину PMD, можно найти только среднее значение DGD (<>). Реально же величина DGD () изменяется случайно во времени и может отличаться от своего среднего значения. Её плотность вероятности распределена по Максвеллу (рис. 1.49).




Рис. 1.49. Плотность распределения вероятности (Максвелла) для нормализованной величины DGD – разности групповых запаздываний поляризационных мод.
Как видно из (1.49), среднее значение DGD (<>) близко к его наиболее вероятному значению. Нетрудно показать, что вероятность превысить 2<> равна 1.7 %, а вероятность превысить 3<> составляет всего лишь 4.210-5. Т.е. за год величина DGD может превышать 3<> только в течение 22 минут.

В заключение раздела оценим допустимую величину уширения импульсов из-за ПМД. Конечная ширина импульса t представляет собой сумму квадратов начальной ширины импульса t0 и среднего значения DGD <>:
t = (t20 + <>2)1/2. (1.33)
Учитывая случайную природу поляризационной дисперсии обычно накладывают условие, чтобы вклад от среднего значения DGD был настолько мал, чтобы им можно было пренебречь. Так как t0 и <> входят в (1.33) как сумма квадратов, то для этого достаточно того, чтобы <> было примерно в три раза меньше t0. А так как t0  1/(4B), то это значит, что tPMD должно быть примерно в 12 раз, т.е. на порядок меньше ширины битового интервала 1/B.

Оценки максимального допустимого расстояния между ретрансляторами без компенсации PMD приведены в таблице № 1.7.
Таблица № 1.7. Максимальные расстояния передачи без компенсации PMD.


Скорость передачи данных

Битовый

интервал

Допустимая величина

DGD

Максимальное

расстояние при

PMD = 1 пс/км1/2

Максимальное

расстояние при

PMD = 0.1 пс/км1/2

2.5 Гбит/с STM-16


400 пс


40 пс


1600 км


160 000 км

10 Гбит/с STM-64


100 пс


10 пс


100 км


10 000 км

40 Гбит/с STM-256


25 пс


2.5 пс


6 км


625 км



Поляризационная дисперсия, как и хроматическая дисперсия, является линейным эффектом и в принципе может быть скомпенсирована. Однако, так как флуктуации двулучепреломления в волокне, возникающие под действием факторов окружающей среды приводят к флуктуациям ПМД, то её трудно измерить и скомпенсировать. Хотя устройства для компенсации ПМД в настоящее время интенсивно разрабатываются, но результаты этих разработок ещё далеки от завершения.


ГЛАВА II.

Стандартные одномодовые волокна


§ 1. Введение
В настоящее время в линиях связи по всему миру уложено несколько сот миллионов километров оптических волокон. Причем около 90 % из них приходится на долю стандартных одномодовых волокон (Rec.G. 652). Для обозначения стандартных одномодовых волокон используют несколько различных сокращений: SF – Standard Fiber, SSMF - Standard Single Mode Fiber, NDSF – No Dispersion Shifted Fiber. Наиболее распространенное обозначение: SM – Single Mode.

Как уже обсуждалось ранее, потери и дисперсия являются основными оптическими характеристиками волокна. Так как в российских линиях связи оптические усилители практически не используются и скорость передачи данных, как правило, не превышает 2.5 Гбит/с, то потери в SM волокнах являются основным фактором, ограничивающим длину ретрансляционного участка линии. В то же время, учитывая большой (25 лет) планируемый срок жизни этих линий, необходимо принимать во внимание и вторую важнейшую характеристику SM волокон - дисперсию. Спектр потерь в SM волокнах и их дисперсионные характеристики приведены в I-м разделе.

Хотя SM волокна в соответствии с рекомендациями G.652 оптимизированы для работы на  = 1310 нм, но они могут применяться и на более длинных волнах в системах уплотнения каналов по длинам волн (WDM). На магистральных линиях связи и в сетях регионального и городского масштаба применяются системы плотного спектрального уплотнения (Dense WDM), а в сетях доступа системы с большим (20...25 нм) разносом частот (Coarse WDM). Во II-м разделе рассмотрены особенности применения SM волокон в таких системах, как DWDM, так и CDWM.

Основные параметры оптических кабелей с SM волокнами определены в рекомендациях G.652 ITU-T. Ссылки на этот стандарт часто встречаются в литературе, сам практически недоступен широкому кругу читателей. Для того чтобы восполнить этот пробел, в III-м разделе приведены и снабжены комментариям основные положения Rec.G.652 ITU-T.


§ 2. Спектр потерь в SM волокнах
Потери в волокне. Потери в центрах окон прозрачности приведены в первой строке таблицы № 2.1. Обычно в спецификациях приводится типовое значение потерь; по специальному заказу могут быть поставлены SM волокна с меньшими потерями порядка 0.18…0.19 дБ/км на  = 1550 нм и 0.31…0.32 дБ/км на  = 1310 нм.
Таблица № 2.1. Потери в SMF - 28 (Corning).




1. Спектр потерь

Потери на  = 1310 нм

на  = 1550 нм

на  = 1383  3 нм

Прирост потерь в диапазонах:

1285…1330 нм и 1525…1575 нм


0.34 дБ/км

0.20 дБ/км

 2.1 дБ/км
0.05 дБ/км


2. Потери на изгибе

Приращение потерь при намотке 100 витков на оправку  75 мм на  = 1310 нм

и на  = 1550 нм

при намотке 1 витка на оправку  32 мм



 0.05 дБ

 0.05 дБ

 0.5 дБ

3. Длина волны отсечки

В волокне

В кабеле

1150…1350 нм

< 1260 нм



В первой строке таблицы № 2.1 приведены значения потерь в прямом волокне на нескольких длинах волн. При  < 1600 нм потери ограничиваются в основном релеевским рассеянием и уменьшаются с увеличением длины волны ~ 1/4. Поэтому на  = 1550 нм потери меньше чем на  = 1310 нм.

Во второй строке таблицы № 2.1 приведены значения потерь, возникающих при намотке волокна на оправку. Видно, что потери быстро увеличиваются с уменьшением радиуса намотки. Так, если при намотке 100 витков на оправку диаметром 75 мм, они не должны превышать 0.05 дБ (на  = 1550 нм), то при намотке только одного витка на оправку примерно вдвое меньшего диаметра (32 мм) допустимая величина потерь уже на порядок больше (0.5 дБ).

Диаметры оправок и число витков выбраны не случайно. Диаметр намотки (75 мм) соответствует общепринятому минимальному радиусу изгиба, при котором ещё не возникает повреждений из-за статической усталости волокон, а число витков (100) примерно равно числу изгибов оптического кабеля на длине ретрансляционного участка. При проведении рутинных (многократно повторяющихся) измерений удобно использовать только один виток, но меньшего диаметра (32 мм).

Спектры потерь в изогнутых и “прямых” волокнах могут существенно различаться. Если в прямом волокне потери на  = 1550 нм меньше чем на  = 1310 нм, то для потерь, вносимых при изгибе волокна, ситуации обратная. Происходит это потому, что чем больше длина волны, тем большая её часть выходит в оболочку и тем сильнее эта волна высвечивается при изгибе волокна. Поэтому обеспечить условие того, чтобы приращение потерь при намотке на оправку не превышало 0.05 дБ, труднее всего на более длинной волне 1550 нм.

В третьей строке таблицы № 2.1 приведены значения длины волны отсечки в первичном покрытии и в волокне после его укладки в оптический кабель. Длина волны отсечки волокна в кабеле (< 1260 нм) выбрана в соответствии с рекомендациями G.652 (она была меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона). При таком выборе длины волны отсечки в кабеле одномодовый режим должен выполняться для всех рабочих длин волн.

Длина волны отсечки волокна в первичном покрытии может быть и больше самой короткой длины волны рабочего диапазона. Предполагается, что после укладки в кабель она станет меньше 1260 нм. Естественно, это требует проверки.

Как видно из первой строки таблицы № 2.1, потери в пике поглощения примесей ОН ( = 1383  3 нм) намного превышают потери на  = 1310 нм и  = 1550 нм. В результате значительная часть диапазона длин волн между 1310 нм и 1550 нм оказывается недоступной для связи. В последних разработках SM волокон за счет улучшения технологи очистки от водяных паров удалось снизить потери в “водяном” пике на  = 1383  3 нм.




Волокна без «водяного пика» (LWPF – low water peak fiber) производятся несколькими компаниями: AllWave (Lucent Technologies, теперь OFS ), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli). Потери в водяном пике уменьшены до величины 0.31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности на  = 1310 нм (0.35 дБ/км) (рис. 2.1). В результате появилась возможность создавать системы, работающие в пятом окне (S) прозрачности (1480...1520 нм), и в широком диапазоне длин волн (Е) находящимся между вторым и пятым окном прозрачности (1360…1460 нм). Этот новый диапазон длин волн назвали расширенным (Extended) и обозначают буквой Е.

SM волокна без водяного пика поглощения на  = 1383  3 нм обладают следующими основными преимуществами:

Интересно, что с LWPF волокнами связывают возможность изменения концепции наращивания пропускной способности линии - вместо резервирования «темного волокна» можно будет использовать длину волны излучения в DWDM или CWDM системе.

Геометрические параметры. Величина полных потерь в линии связи определяется не только потерями в волокне, но и потерями в сростках волокон. Потери в сростках волокон тем меньше, чем меньше допуски на геометрические параметры волокон и на диаметр модового пятна. Геометрические параметры и значения диаметров модовых пятен для волокна SMF - 28 приведены в таблице № 2.2.


Таблица № 2.2. Геометрические параметры SMF - 28.


Диаметр модового пятна: на  = 1310 нм

на  = 1550 нм


9.2  0.4 мкм

10.4  0.8 мкм


Эксцентриситет сердцевины и оболочки


 0.5 мкм

Допуск на диаметр оболочки

125  1.0 мкм

Эллиптичность оболочки

 1.0 %

Собственный изгиб волокна

 4.0 м


Как было показано в главе I, диаметр модового пятна w для SM волокон можно рассчитать с помощью простой формулы (1.3): w = 7 . С её помощью находим значения диаметров модовых пятен на  = 1310 нм и  = 1550 нм: w = 9.1 мкм и w = 10.85. Сравнивая их со значениями, приведенными в первой строке таблицы № 2.2, видим, что они совпадают в пределах допуска.

Чем больше допуск на диаметр модовых пятен, тем больше величина рассогласования диаметров модовых пятен соединяемых волокон и тем больше величина потерь в сварных соединениях. Допуск на диаметр модовых пятен в SMF - 28 удовлетворяет требованиям Rec. G.652, так как укладывается в 10-% коридор. Используя значения, приведенные в первой строке таблицы № 2.2 и формулу (1.4) для величины потерь ((дБ) = 4.34 (w/w)2), находим, что эти потери не превышают 0.025. Напомним, что по требованиям Ростелекома, потери в сварных соединениях волокон не должны превышать 0.05 дБ.

Кроме того, как уже упоминалось в первой главе, для волокон, вытянутых из одной заготовки (см. рис. 1.14), относительная флуктуация диаметра модового пятна волокна составляет всего лишь 1..2 % и в этом случае потери из-за рассогласования диаметров модовых пятен свариваемых волокон будут пренебрежимо малы.

Во второй, третьей и четвертой строках таблицы № 2.2 приведены значения эксцентриситета сердцевины и оболочки, эллиптичности оболочки и допуска на её диаметр оболочки. Их величины примерно в два раза меньше соответствующих значений, приведенных в Rec. G.652). Эти параметры несовершенств волокон важны потому, что они определяют величину смещения сердцевин волокон друг относительно друга при соединении их с помощью адаптеров и механических соединителей, а также влияют на степень коррекции эксцентриситета свариваемых волокон.

В последней строке таблицы № 2.2 приведено значение радиуса собственного изгиба волокна. Собственный изгиб волокна влияет на величину потерь при одновременной сварке нескольких пар волокон. Если радиус этого изгиба мал, то не удается одинаково хорошо сьюстировать все пары соединяемых волокон. У большинства фирм изготовителей радиус кривизны собственного изгиба волокна не превышает 4 м.

§ 3. Дисперсионные характеристики SM волокон
Параметры хроматической дисперсии волокон зависят от формы профиля показателя преломления. В SM волокнах форма профиля показателя преломления ступенчатая с относительно большим диаметром сердцевины и малым скачком показателя преломления. Различают два типа таких ступенчатых профилей: с согласованной и с депрессированной оболочкой (рис. 2.2). Сердцевина в обоих типах SM волокон легирована германием (GeO2), однако в волокнах с депрессированной оболочкой степень легирования ниже, так как в них показатель преломления световедущей оболочки уменьшен за счет легирования фтором (F).


Рис. 2.2. Профили показателей преломления SM волокон

а) С согласованной (по показателю преломления) световедущей оболочкой

б) С депрессированной световедущей оболочкой
Так как разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой в SM волокнах относительно невелика, то хроматическая дисперсия в них определяется в основном материальной дисперсией. При этом длина волны нулевой дисперсии 0 в попадает во второе окно прозрачности. Хроматическая дисперсия выражается через длину волны нулевой дисперсии и коэффициент наклона дисперсии S0 на длине волны нулевой дисперсии интерполяционной формулой:
D() = S0 ( - 04/3)/4. (2.1)
Интерполяционная формула (2.1) специфицирована в Rec. G.652 для диапазона длин волн 1260…1360 нм. В диапазоне длин волн 1550 нм её можно применять только для оценок. Рассчитанная с помощью (2.1) зависимость D() при S0 = 0.092 пс/нм2км и 0 = 1310 нм, изображена на рис.2.3.




Величина дисперсии SM волокон может изменяться в относительно небольших пределах (рис. 2.4). Эти вариации (как и у 0) вызваны флуктуациями диаметра сердцевины волокна и разностью показателей преломления между сердцевиной и оболочкой. Особого практического значения эти вариации не имеют, так как их относительная величина мала, а при компенсации полной дисперсии в линии её все равно приходится измерять.




Рис. 2.4. Гистограмма распределения коэффициента дисперсии на длине волны 1550 нм для SM волокна производства Hitachi
Коэффициент наклона дисперсии (S() = dD()/d), как видно из рис. 2.3, уменьшается с увеличением длины волны. Продифференцировав по  выражение (2.1), получаем
S() = S0 (1 + 3 04/4)/4. (2.2)
Зависимость S() при S0 = 0.092 пс/нм2км и 0 = 1310 нм изображена на рис.2.5.



Дисперсионные параметры SMF - 28 приведены в таблице № 2.3. Как видно из первых двух строк этой таблицы, диапазон возможных изменений длины волны нулевой дисперсии и величина наклона коэффициента дисперсии удовлетворяют требованиям Rec. G.652 (1300…1324 нм).
Таблица № 2.3. Дисперсионные параметры SMF - 28.


Длина волны нулевой дисперсии


1301 нм <  < 1321 нм

Наклон коэффициента дисперсии


0.092 пс/нм2км

РМD


0.1..0.2 пс/км1/2


Поляризационная дисперсия (PMD) в «старых» SM волокнах, как правило, велика (1…0.5 пс/км1/2), так как при скоростях передачи до B = 2.5 Гбит/с (STM-16) и относительно коротких расстояниях между ретрансляторами (L ~ 100 км) её вклад в уширение импульсов мал. Действительно, даже если коэффициент PMD равен 1 пс/км1/2, то на расстоянии в 100 км он приведет к уширению импульса tPMD = PMD  L1/2 = 10 пс, что на порядок меньше допустимой ширины импульса t = 1/(4В) = 100 пс для STM-16.

Однако в последние годы скорость передачи возросла до В = 10 Гбит/с (STM-64), а расстояние между ретрансляторами увеличилось до L ~ 1000 км. В этом случае уширение импульса tPMD при коэффициенте PMD, равном 1 пс/км1/2, будет равно 30 пс, что уже больше допустимой ширины импульса t = 1/(4В) = 25 пс для STM-64. Поэтому в «новых» SM волокнах PMD уменьшена в среднем в 5 раз до уровня 0.2…0.1 пс/км1/2.

§ 4. SM волокно с большой площадью модового пятна
Возможность создания DWDM систем с большим числом спектральных каналов (100…300) и пропускной способностью порядка нескольких Тбит/с ограничивается нелинейными эффектами в волокне. Для уменьшения влияния нелинейных эффектов необходимы волокна с большой площадью модового пятна. Кроме того, необходимо, чтобы величина дисперсии и наклоны дисперсионной характеристики у основного и компенсирующего волокна были согласованы.

Для этих целей компания Hitachi создала SM волокно с большой площадью модового пятна (LESMF – large effective area single mode fiber) и DC волокно с специально подобранной величиной дисперсии и наклона коэффициента дисперсии (DSCF – dispersion and its slope compensation fiber) (см. таблица № 2.4).
Таблица № 2.4. Характеристики LESMF и DSCF волокон.


Тип волокна

LESMF

DSCF

Потери на  = 1550 нм

дБ/км

0.183

0.266

Длина волны отсечки в кабеле

нм

1370

1266

Потери при намотке на катушку  20 мм

дБ/м

4.0

н/д

Коэффициент дисперсии на  = 1550 нм

пс/нм км

20.0

-41.1

Наклон коэффициента дисперсии

пс/нм2 км

0.064

-0.13

RDS (наклон/дисперсия)

1/нм

0.0032

0.0032

Диаметр модового пятна

мкм

12

6.2

Площадь модового пятна

мкм2

112

30

PMD

пс/км1/2

0.022

0.043
1   2   3   4   5


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации