О стандартах оптоволокна

Если сравнивать многомодовые волокна между собой (рис. 2.1 а, б), то градиентное волокно имеет лучше технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне - основной источник дисперсии - значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна.

Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

В ВОЛС наиболее широкое используются следующие стандарты волокон (табл. 2.1):

Таблица 2.1 Стандарты оптических волокон и области их применения

• многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 2.1 а);
• многомодовое градиентное волокно 62,5/125 (рис. 2.1 б);
• одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125 (рис. 2.1 в);
• одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (рис. 2.1 г);
• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Рис. 2.1 а) Ступенчатое многомодовое волокно
Рис. 2.1 б) Градиентное многомодовое волокно
Рис. 2.1 в) Ступенчатое одномодовое волокно	Рис. 2.1 г) Одномодовое волокно со смещенной дисперсией (DSF или NZDSF)

Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм, рис. 2.8 [1]. Именно окрестности этих трех длин волн образуют локальные минимумы затухания сигнала и обеспечивают бoльшую дальность передачи.

Среди множества мировых производителей оптического волокна выделяются три крупнейших: Corning Optical Fiber, Lucent Technologies и Alcoa Fujikura. Кроме того, существуют сотни менее крупных производителей волокна. Волокна проходят тестирование как на этапе производства, так и после изготовления. Основные индустриально принятые методы тестирования, использующиеся для определения характеристик производимых волокон, приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Основные методы тестирования волокон [12]

Широко используются два стандарта многомодового градиентного волокна 62,5/125 и 50/125 отличающиеся профилем сердцевины, рис. 2.12 а. Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на рис. 2.12 б.

В стандартном многомодовом градиентном волокне (50/125 или 62,5/125) диаметр светонесущей жилы 50 и 62,5 мкм, что на порядок больше длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов световых лучей - мод - во всех трех окнах прозрачности. Два окна прозрачности 850 и 1310 нм обычно используют для передачи света по многомодовому волокну.

В табл. 2.6 приведены основные характеристики многомодовых градиентных волокон двух основных стандартов 50/125 и 62,5/125.

Отметим, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из межмодовой и хроматической составляющих.

Рис.12. Многомодовые градиентные волокна
а) профили показателей преломления волокон 50/125 и 62,5/125;		б) характерные кривые спектральных потерь мощности

Если межмодовая дисперсия слабо зависит от длины волны - в соотношениях (2-15), (2-16) зависимостью показателя преломления от длины волны можно пренебречь, то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения. Коэффициент пропорциональности D(l) при длинах волн в окрестности 1300 нм (l₀) близок к нулю, в то время как на длине волны 850 нм примерно равен 100 пс/(нм²*км). Специфика использования многомодового волокна такова, что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие уширения спектральной линии излучения благодаря некогерентности источника примерно Dl ~ 50 нм, в отличии от лазерных диодов с уширением Dl ~ 2 нм и меньше. Это приводит к тому, что хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсию можно при использовании лазерных передатчиков, имеющих значительно меньшее спектральное уширение. Воспользоваться этим преимуществом лазерных передатчиков можно только при использовании одномодового волокна в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, когда полностью отсутствует межмодовая дисперсия и остается только хроматическая дисперсия.

Таблица 2.6. Значения параметров градиентных многомодовых волокон, поставляемых фирмой Corning [4]

В ступенчатом одномодовом волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света l > l_CF (l_CF - длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Одномодовое волокно со смещенной дисперсией

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии l₀ - смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна, рис. 2.1 г. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей "полностью оптических сетей" - сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Оптический усилитель на волокне, легированном эрбием

Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования линейных широкополосных оптических усилителей, из которых набольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Линейные усилители типа EDFA эффективно могут усиливать сигнал в своем рабочем диапазоне от 1530-1560 нм. Длина волны нулевой дисперсии у волокна NZDSF в отличии от волокна DSF выведена за пределы этого диапазона, что значительно ослабляет влияние нелинейных эффектов в окрестности точки нулевой дисперсии при распространении нескольких длин волн.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых волокон совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF - передача сигнала на длине волны 1310 нм, DSF - передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультиплексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF. Однако, длина безретрансляционного участка при использовании волокна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется техническими характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемо-передающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения передатчика, чувствительностью приемника).

С точки зрения дисперсии существующие одномодовые волокна, которые широко используются в сетях сегодня, разбиваются на три основных типа: волокна с несмещенной дисперсией SF (стандартные волокна со ступенчатым профилем, рис.2.13 а), волокна со смещенной дисперсией DSF (рис. 2.13 б) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Все три типа волокон очень близки по затуханию в окнах одномодовой передачи 1310 и 1550 нм, но отличаются характеристиками хроматической дисперсии. Поскольку дисперсия влияет на максимальную допустимую длину безретрансляционных участков, то на первый взгляд естественно возникает желание выбрать волокно с наименьшим возможным значением дисперсии применительно к конкретной задаче, к конкретной длине волны. Это справедливо для случая передачи одной длины волны - одноканальной передачи. Многоканальное волновое мультиплексирование (WDM) в окне 1550 нм диктует иной рационализм. Исследования показывают, что когда длина волны нулевой дисперсии попадает в зону мультиплексного сигнала, начинают проявляться нежелательные интерференционные эффекты, приводящие к более быстрой деградации сигнала. Поэтому, поставщики средств связи должны отчетливо представлять себе преимущества и недостатки каждого волокна в аспекте эволюции традиционных сетей к полностью оптическим сетям [13].

Рис.2.13. Профили показателей преломления наиболее распространенных одномодовых волокон:
а) ступенчатое одномодовое волокно (стандартное волокно);		б) одномодовое волокно со смещенной дисперсией (волокно со специальным профилем)

Волокно SF

В начале 80-х годов передатчики на длину волны 1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынке с передатчиками на длине волны 1300 нм. Поэтому стандартное ступенчатое волокно SF (рис. 2.13 а), стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространенно в телекоммуникационных сетях. Оно оптимизировано по дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.

Волокно DSF

По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутри этого окна. В итоге в середине 80-х годов создается волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм, как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. С приходом более новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала, большую роль начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EFDA, способные усиливать многоканальный сигнал. К сожалению, более поздние исследования (в начале 90-х годов) показывают, что именно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм), попадающая внутрь рабочего диапазона эрбиевого усилителя, является главным потенциальным источником нелинейных эффектов (прежде всего четырехволнового смешивания), которые проявляются в резком возрастании шума при распространении многоканального сигнала.

Дальнейшее исследования подтверждают ограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM. Чтобы избежать нелинейных эффектов при использовании DSF в WDM системах, следует вводить сигнал меньшей мощности в волокно, увеличивать расстояние между каналами, и избегать передачи парных каналов (симметричных относительно l₀).

Четырехволновое смешивание - это эффект, приводящий к рассеянию двух волн с образованием новых нежелательных длин волн. Новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ним, или перекачивать мощность из полезного волнового канала. Именно из-за эффекта четырехволнового смешивания стало ясно, что необходимо разработать новый тип волокна, в котором l₀ располагалась бы вдали, то есть, по одну сторону (левее или правее) от всех возможных каналов.

Волокно NZDSF

Волокно NZDSF создается в начале 90-х годов с целью преодолеть недостатки DSF, проявляющиеся при работе с мультиплексным оптическим сигналом. Известное также как l-смещенное волокно, оно имеет особенность в том, что длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбия. Это уменьшает нелинейные эффекты и увеличивает характеристики волокна при передачи DWDM сигнала.

Рис. 2.14. Хроматическая дисперсия одномодовых волокон в окне 1550 нм

Две марки l -смещенного волокна, появившиеся несколько лет назад, широко используется сегодня: волокно TrueWave фирмы Lucent Technologies [14] и волокно SMF-LS фирмы Corning [15, 16]. Оба они имеют ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбия. Волокно TrueWave обеспечивает положительную дисперсию при точке нулевой дисперсии в районе 1523 нм, в то время как SMF-LS обеспечивает отрицательную дисперсию с точкой нулевой дисперсией чуть выше 1560 нм, рис. 2.14.  В начале 1998 года фирма Corning выпустила еще одну марку l -смещенного волокна - LEAF [15]. Сравнительный анализ основных характеристик волокон TrueWave, SMF-LS и LEAF приведен в таблице 2.7.

Таблица 2.7. Сравнительные характеристики трех NZDSF волокон: TrueWave [14] и SMF-LS, LEAF [15]

Характеристики TrueWave™ SMF-LS™ LEAF™ Главное рабочее окно (нм) 1550 1550 1550 Затухание Максимальное затухание на длине волны 1550 нм (дБ/км) 0,22-0,25 < 0,25 < 0,25 Максимальное затухание на длине волны 1310 нм (дБ/км) н/д < 0,5 н/д Максимальное затухание в диапазоне 1525-1575 (дБ/км) < 0,30 < 0,30 < 0,30 Затухание на пике ОН– 1383±3 нм (дБ/км) < 1,0 < 2,0 < 2,0 Затухание при искривлении на длине волны 1550 нм (дБ) < 0,50 (1 виток 32 мм) < 0,05 (100 витков 75 мм) < 0,50 (1 виток 32 мм) < 0,05 (100 витков 75 мм) н/д Затухание на сухом стыке при длине волны 1550 нм (дБ) <0,10 <0,10 н/д Хроматическая дисперсия в зоне ненулевой дисперсии min (пс/нм·км) 0,8 (зона 1540-60 нм) н/д 1,0 (1540-60 нм) max (пс/нм·км) 4,6 (зона 1540-60 нм) -3,5 (зона 1530-1560 нм) 6,0 (1540-60 нм) Наклон нулевой дисперсии S0 (пс/(нм2· км)) н/д < 0,092 н/д Длина волны нулевой дисперсии l0 (нм) < 1540 > 1560 н/д Диаметр модового поля при длине волны 1550 нм (нм) 8,4 ± 0,6 8,4 ± 0,5 9,5 ± 0,5 9,6 (типовое) Кабельная длина волны отсечки lCCF (нм) < 1260 < 1260 н/д Поляризационная модовая дисперсия (пс/км1/2) < 0,5 при 1550 нм (max) < 0,1 при 1550 нм (типовое) < 0,5 при 1550 нм (max) < 0,08 при 1550 нм (типовое) н/д - нет данных

По дисперсионным характеристикам волокно LEAF близко к волокну TrueWave. Главной отличительной чертой этого волокна по сравнению с двумя предыдущими является большая эффективная площадь для светового потока - диаметр модового пятна возрос на 1 мкм. Величина этого параметра становится весьма важной для оптимизации систем диапазона 1550 нм. Больший диаметр модового пятна позволяет увеличить уровень мощности излучения, вводимого волокно, на 2 дБ, сохраняя при этом влияние ряда нелинейных эффектов, в особенности четырехволнового смешивания, на прежнем уровне.

Современные тенденции развития средств телекоммуникационной связи свидетельствуют в перспективность систем передачи по волокну, в которых совмещаются временное мультиплексирование - TDM мультиплексирование (STM-16 на 2,4 Гбит/с и STM-64 на 10 Гбит/с) в пределах одной длины волны и волновое мультиплексирование WDM.

Хотя и последователи технологии волнового мультиплексирования (Lucent, MIT, Fujitsu и др.) уже широко тестируют в рамках испытательных сетей мультиплексирование 32 и более каналов в расчете на одно волокно, добившись уже скорости передачи 40 Гбит/с на расстояния в несколько сотен км, в ближайшей перспективе видится меньшее количество мультиплексных каналов ( до 16 при скорости передачи до 2, 4 и 10 Гбит/c) в крупномасштабном индустриальном применении в телекоммуникационных сетях.

Инсталляция новых кабельных сегментов, или наращивание существующих с учетом перехода на скорости передачи 2,4 и 10 Гбит/с, может осуществляться с использованием трех перечисленных видов волокон. При выборе волокна следует учитывать такие факторы, как общая стоимость проекта, требуемые емкости каналов, надежность, сложность системы и др.

В контексте эволюции ВОЛС ключевыми параметрами становятся методики, используемые для коррекции дисперсии в волоконно-оптических системах. Коррекция дисперсии позволяет увеличивать длину волоконно-оптических TDM систем, ранее ограниченных из-за большой дисперсии, и одновременно избежать влияния такого эффекта, как четырехволновое смешивание. Три методики коррекции дисперсии следующие [17]:

• Использование волокон с компенсирующей дисперсией DCF (dispersion-compensating fibers). Положительная дисперсия, накопленная на одном участке с использованием стандартного волокна SF может компенсироваться последующим примыкающим сегментом на основе волокна DCF c заранее подобранным значением отрицательной дисперсии, в результате чего итоговая хроматическая дисперсия может быть приближена к нулю. Компенсация хроматической дисперсии допустима в силу систематического характера накопления дисперсии с ростом длины;
• Использование оптических лазерных передатчиков с очень узкой спектральной шириной (0,1 нм и менее), способных модулировать излучение на частотах в несколько ГГц;
• Использование волокон типа NZDSF, в которых "сдвигается" длина волны нулевой дисперсии за пределы окна 1550 нм, в результате чего дисперсия становится достаточно большой, чтобы подавить эффект четырехволнового смешивания, в то же время достаточно малой, чтобы поддерживать распространение сигнала высокой емкости (высокой частоты модуляции) на большие расстояния.

Сегменты на основе волокна SF без использования коррекции дисперсии допускают протяженность до 90 км (при скорости передачи 2,4 Гбит/с). Первые две методики коррекции дисперсии, применяясь отдельно друг от друга или в комбинации, позволяют увеличить протяженность сегментов до 140 км при сохранении прежней скорости передачи, табл. 2.8 а.

Чтобы удовлетворить рабочим требованиям при планировании сети следует тщательно вырабатывать стратегию наращивания сети. Нужно оценивать соответствующие топологии сетей с учетом возможности их работы на скоростях 2,4 и 10 Гбит/с. Ближайшая цель - построить протяженные участки (до 120-140 км) при передачи на скорости 2,4 Гбит/с с использованием любых из трех главных типов волокон - должна рассматриваться совместно с планами более далекой перспективы - инсталляция линий на скорость передачи 10 Гбит/с с использованием последовательно установленных линейных усилителей. Высокая скорость передачи в последнем случае может быть достигнута путем оптимизации длины сегментов между линейными усилителями (приблизительно 70 км).

Хотя волокна SF и DSF вполне приемлемы для осуществления наращивания сегментов сетей, волокно NZDSF более перспективно при использовании в новых инсталляциях. При сравнении волокон SF и DSF, отметим, что SF лучше подходят для сетей, использующих волновое мультиплексирование. Недостаток SF - большое значение дисперсии в окне 1550 нм - может компенсироваться либо дополнительным участком на основе волокна с компенсирующей дисперсией, либо путем уменьшения спектральной ширина излучаемого сигнала (например, используя передатчики на основе DFB лазеров).

Общие возможности по развертыванию кабельных систем на основе SF, DSF и NZDSF приведены в табл. 2.8 а, б.

Таблица 2.8.a)  Передача 2,5 Гбит/c сигнала (сигналов) по различным типам одномодовых волокон

Таблица 2.8.б)  Передача 10 Гбит/c сигнала (сигналов) по различным типам одномодовых волокон