Архів документації і мінлива для адмінів
Оптичні волокна виробляються різними способами, забезпечують передачу оптичного випромінювання на різних довжинах хвиль, мають різні характеристики і виконують різні завдання.
Всі оптичні волокна діляться на дві основні групи: багатомодові MMF (multi mode fiber) і одномодові SMF (single mode fiber).
Багатомодові волокна поділяються на ступінчасті (step index multi mode fiber) і градієнтні (graded index multi mode fiber).
Одномодові волокна поділяються на ступінчасті одномодові волокна (step index single mode fiber) або стандартні волокна SF (standard fiber), на волокна зі зміщеною дисперсією DSF (dispersion-shifted single mode fiber), і на волокна з ненульовий зміщеною дисперсією NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber)
Типи і розміри волокон наведені на рис. 2.1. Кожне волокно складається з серцевини і оболонки з різними показниками заломлення. Серцевина, по якій відбувається поширення світлового сигналу, виготовляється з оптично більш щільного матеріалу. При позначенні волокна вказуються через дріб значення діаметрів серцевини і оболонки. Волокна відрізняються діаметром серцевини і оболонки, а також профілем показника заломлення серцевини. У многомодового градиентного волокна і одномодового волокна зі зміщеною дисперсією показник заломлення серцевини залежить від радіуса. Такий більш складний профіль робиться для поліпшення технічних характеристик або для досягнення спеціальних характеристик волокна.
Широко використовуються два стандарти многомодового градиентного волокна 62,5 / 125 і 50/125 відрізняються профілем серцевини, рис. 2.12 а. Відповідні спектральні втрати для типових волокон показані на рис. 2.12 б.
У стандартному многомодовом градиентном волокні (50/125 або 62,5 / 125) діаметр светонесущей жили 50 і 62,5 мкм, що на порядок більше довжини хвилі передачі. Це призводить до поширення безлічі різних типів світлових променів - мод - у всіх трьох вікнах прозорості. Два вікна прозорості 850 і 1310 нм зазвичай використовують для передачі світла по многомодовому волокну.
У табл. 2.6 наведені основні характеристики багатомодових градієнтних волокон двох основних стандартів 50/125 і 62,5 / 125.
Відзначимо, що смуга пропускання на довжині хвилі 1300 нм перевершує відповідне значення на довжині хвилі 850 нм. Це пояснюється наступним чином. Дисперсія, яка визначає смугу пропускання, складається з межмодовой і хроматичної складових.
Рис.12. Багатомодові градієнтні волокна
а) профілі показників заломлення волокон 50/125 і 62,5 / 125;
б) характерні криві спектральних втрат потужності
Якщо межмодовая дисперсія слабо залежить від довжини хвилі - в співвідношеннях (2-15), (2-16) залежністю показника заломлення від довжини хвилі можна знехтувати, то хроматична дисперсія пропорційна ширині спектра випромінювання. Коефіцієнт пропорційності D (l) при довжинах хвиль в околиці 1300 нм (l0) близький до нуля, в той час як на довжині хвилі 850 нм приблизно дорівнює 100 пс / (нм 2 * км). Специфіка використання багатомодового волокна така, що зазвичай в якості передавачів використовуються світловипромінюючі діоди, які мають розширення спектральної лінії випромінювання завдяки некогерентности джерела приблизно Dl
50 нм, на відміну від лазерних діодів з розширенням Dl
2 нм і менше. Це призводить до того, що хроматична дисперсія на довжині хвилі 850 нм починає відігравати суттєву роль поряд з межмодовой дисперсією. Значно зменшити хроматичну дисперсію можна при використанні лазерних передавачів, що мають значно меншу спектральний розширення. Скористатися цією перевагою лазерних передавачів можна тільки при використанні одномодового волокна в вікнах прозорості 1310 нм і 1550 нм, коли повністю відсутня межмодовая дисперсія і залишається тільки хроматична дисперсія.
Таблиця 2.6. Значення параметрів градієнтних багатомодових волокон, що поставляються фірмою Corning [4]
У ступінчастому одномодовому волокні (SF) діаметр светонесущей жили становить 8-10 мкм і порівняємо з довжиною світлової хвилі. У такому волокні при досить великій довжині хвилі світла l> lCF (lCF - довжина хвилі відсічення) поширюється лише один промінь (одна мода). Одномодовий режим в одномодовом волокні реалізується у вікнах прозорості 1310 і 1550 нм. Поширення тільки однієї моди усуває межмодовую дисперсію і забезпечує дуже високу пропускну здатність одномодового волокна в цих вікнах прозорості. Найкращий режим поширення з точки зору дисперсії досягається в околиці довжини хвилі 1310 нм, коли хроматична дисперсія наближається до нуля. З точки зору втрат це не найкраще вікно прозорості. У цьому вікні втрати становлять 0,3-0,4 дБ / км, в той час як найменше загасання 0,2-0,25 дБ / км досягається у вікні 1550 нм.
У одномодовом волокні зі зміщеною дисперсією (DSF) довжина хвилі, на якій результуюча дисперсія наближається до нуля, - довжина хвилі нульової дисперсії l0 - зміщена у вікно 1550 нм. Таке зміщення досягається завдяки спеціальному профілю показника заломлення волокна, рис. 2.1 м Таким чином, в волокні зі зміщеною дисперсією реалізуються найкращі характеристики як по мінімуму дисперсії, так і по мінімуму втрат. Тому таке волокно краще підходить для будівництва протяжних сегментів з відстанню між ретрансляторами до 100 і більше км. Зрозуміло, єдина робоча довжина хвилі береться близькою до 1550 нм.
Одномодове волокно з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF на відміну від DSF оптимізовано для передачі не однієї довжини хвилі, а відразу декількох довжин хвиль (мультиплексного хвильового сигналу) і найбільш ефективно може використовуватися при побудові магістралей "повністю оптичних мереж" - мереж, на вузлах яких не відбувається оптоелектронного перетворення при поширенні оптичного сигналу.
Передача мультиплексного сигналу на великі відстані вимагає використання лінійних широкосмугових оптичних підсилювачів, з яких набольшее поширення набули так звані ербіевие підсилювачі на основі легованого ербієм волокна (EDFA). Лінійні підсилювачі типу EDFA ефективно можуть посилювати сигнал в своєму робочому діапазоні від 1530-1560 нм. Довжина хвилі нульової дисперсії у волокна NZDSF на відміну від волокна DSF виведена за межі цього діапазону, що значно послаблює вплив нелінійних ефектів в околиці точки нульової дисперсії при поширенні декількох довжин хвиль.
Оптимізація трьох перерахованих типів одномодових волокон абсолютно не означає, що вони завжди повинні використовуватися виключно під певні завдання: SF - передача сигналу на довжині хвилі 1310 нм, DSF - передача сигналу на довжині хвилі 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигналу у вікні 1530-1560 нм. Так, наприклад, мультиплексний сигнал у вікні 1530-1560 нм можна передавати і за стандартним ступінчастому одномодовому волокну SF. Однак, довжина безретрансляціонного ділянки при використанні волокна SF буде менше, ніж при використанні NZDSF, або інакше буде потрібно дуже вузька смуга спектрального випромінювання лазерних передавачів для зменшення результуючої хроматичної дисперсії. Максимальна допустима відстань визначається технічними характеристиками як самого волокна (загасанням, дисперсією), так і приймально-передавального обладнання (потужністю, частотою, спектральним розширенням випромінювання передавача, чутливістю приймача).
волокно SF
На початку 80-х років передавачі на довжину хвилі 1550 нм мали дуже високу ціну і низьку надійність і не могли конкурувати на ринку з передавачами на довжині хвилі 1300 нм. Тому стандартне ступеневу волокно SF (рис. 2.13 а), стало першим комерційним волокном і зараз найбільш широко поширено в телекомунікаційних мережах. Воно оптимізовано по дисперсії для роботи в вікні 1310 нм, хоча і дає менше загасання в вікні 1550 нм.
волокно DSF
У міру вдосконалення систем передачі на довжині хвилі 1550 нм постає завдання розробки волокна з довжиною хвилі нульової дисперсії, що потрапляє всередині цього вікна. У підсумку в середині 80-х років створюється волокно зі зміщеною дисперсією DSF, повністю оптимізоване для роботи в вікні 1550 нм, як по загасання, так і по дисперсії. Протягом багатьох років волокно DSF вважається найперспективнішим волокном. З приходом більш нових технологій передачі мультиплексного оптичного сигналу, велику роль починають грати ербіевие оптичні підсилювачі типу EFDA, здатні посилювати багатоканальний сигнал. На жаль, більш пізні дослідження (на початку 90-х років) показують, що саме довжина хвилі нульової дисперсії (1550 нм), яка потрапляє всередину робочого діапазону ербіевого підсилювача, є головним потенційним джерелом нелінійних ефектів (перш за все чотирьоххвильового змішування), які проявляються в різкому зростанні шуму при поширенні багатоканального сигналу.
Подальше дослідження підтверджують обмежені можливості DSF при використанні в системах WDM. Щоб уникнути нелінійних ефектів при використанні DSF в WDM системах, слід вводити сигнал меншої потужності в волокно, збільшувати відстань між каналами, і уникати передачі парних каналів (симетричних відносно l0).
Чотирьох змішування - це ефект, який призводить до розсіювання двох хвиль з утворенням нових небажаних довжин хвиль. Нові хвилі можуть призводити до деградації розповсюджуваного оптичного сигналу, интерферируя з ним, або перекачувати потужність з корисного хвильового каналу. Саме через ефект чотирьоххвильового змішування стало ясно, що необхідно розробити новий тип волокна, в якому l0 розташовувалася б далеко, тобто, по одну сторону (ліворуч або праворуч) від усіх можливих каналів.
волокно NZDSF
Волокно NZDSF створюється на початку 90-х років з метою подолати недоліки DSF, які проявляються при роботі з мультиплексний оптичним сигналом. Відоме також какl-зміщене волокно, воно має особливість в тому, що довжина хвилі нульової дисперсії винесена за межі смуги пропускання ербію. Це зменшує нелінійні ефекти і збільшує характеристики волокна при передачі DWDM сигналу.
Мал. 2.14. Хроматична дисперсія одномодових волокон у вікні 1550 нм
Таблиця 2.7. Порівняльні характеристики трьох NZDSF волокон: TrueWave [14] і SMF-LS, LEAF [15]
Сучасні тенденції розвитку засобів телекомунікаційного зв'язку свідчать в перспективність систем передачі по волокну, в яких поєднуються тимчасове мультиплексування - TDM мультиплексування (STM-16 на 2,4 Гбіт / с і STM-64 на 10 Гбіт / с) в межах однієї довжини хвилі і хвильове мультиплексування WDM.
Хоча і послідовники технології хвильового мультиплексування (Lucent, MIT, Fujitsu і ін.) Вже широко тестують в рамках випробувальних мереж мультиплексування 32 і більше каналів в розрахунку на одне волокно, домігшись вже швидкості передачі 40 Гбіт / с на відстані в кілька сотень км, в найближчій перспективі бачиться менша кількість мультиплексних каналів (до 16 при швидкості передачі до 2, 4 і 10 Гбіт / c) в великомасштабному індустріальному застосуванні в телекомунікаційних мережах.
Інсталяція нових кабельних сегментів, або нарощування існуючих з урахуванням переходу на швидкості передачі 2,4 і 10 Гбіт / с, може здійснюватися з використанням трьох перерахованих видів волокон. При виборі волокна слід враховувати такі фактори, як загальна вартість проекту, необхідні ємності каналів, надійність, складність системи і ін.
У контексті еволюції ВОЛЗ ключовими параметрами стають методики, використовувані для корекції дисперсії в волоконно-оптичних системах. Корекція дисперсії дозволяє збільшувати довжину волоконно-оптичних TDM систем, раніше обмежених через велику дисперсії, і одночасно уникнути впливу такого ефекту, як чотирьох хвильове змішування. Три методики корекції дисперсії наступні [17]:
- Використання волокон з компенсує дисперсією DCF (dispersion-compensating fibers). Позитивна дисперсія, накопичена на одній ділянці з використанням стандартного волокна SF може компенсуватися подальшим прилеглим сегментом на основі волокна DCF c заздалегідь підібраним значенням негативної дисперсії, в результаті чого підсумкова хроматична дисперсія може бути наближена до нуля. Компенсація хроматичної дисперсії допустима в силу систематичного характеру накопичення дисперсії з ростом довжини;
- Використання оптичних лазерних передавачів з дуже вузькою спектральної шириною (0,1 нм і менш), здатних модулювати випромінювання на частотах в декілька ГГц;
- Використання волокон типу NZDSF, в яких "зсувається" довжина хвилі нульової дисперсії за межі вікна 1550 нм, в результаті чого дисперсія стає досить великою, щоб придушити ефект чотирьоххвильового змішування, в той же час досить малою, щоб підтримувати поширення сигналу високої ємності (високої частоти модуляції) на великі відстані.
Сегменти на основі волокна SF без використання корекції дисперсії допускають протяжність до 90 км (при швидкості передачі 2,4 Гбіт / с). Перші дві методики корекції дисперсії, застосовуючи окремо один від одного або в комбінації, дозволяють збільшити протяжність сегментів до 140 км при збереженні колишньої швидкості передачі, табл. 2.8 а.
Щоб задовольнити робочим вимогам при плануванні мережі слід ретельно виробляти стратегію нарощування мережі. Потрібно оцінювати відповідні топології мереж з урахуванням можливості їх роботи на швидкостях 2,4 і 10 Гбіт / с. Найближча мета - побудувати довгі ділянки (до 120-140 км) при передачі на швидкості 2,4 Гбіт / с з використанням будь-яких з трьох основних типів волокон - повинна розглядатися спільно з планами дальшої перспективи - інсталяція ліній на швидкість передачі 10 Гбіт / с з використанням послідовно встановлених лінійних підсилювачів. Висока швидкість передачі в останньому випадку може бути досягнута шляхом оптимізації довжини сегментів між лінійними підсилювачами (приблизно 70 км).
Хоча волокна SF і DSF цілком прийнятні для здійснення нарощування сегментів мереж, волокно NZDSF більш перспективно при використанні в нових інсталяціях. При порівнянні волокон SF і DSF, відзначимо, що SF краще підходять для мереж, що використовують хвильовий мультиплексування. Недолік SF - велике значення дисперсії в вікні 1550 нм - може компенсуватися або додатковою ділянкою на основі волокна з компенсує дисперсією, або шляхом зменшення спектральної ширина випромінюваного сигналу (наприклад, використовуючи передавачі на основі DFB лазерів).
Загальні можливості по розгортанню кабельних систем на основі SF, DSF і NZDSF наведені в табл. 2.8 а, б.
Таблиця 2.8.a) Передача 2,5 Гбіт / c сигналу (сигналів) по різним типам одномодових волокон