Листвин А.В.
Листвин В.Н.
Швырков Д.В.
Оптические волокна
для линий связи
Москва 2003
Аннотация
В книге рассмотрены вопросы ослабления и дисперсии света в оптических волокнах, применяемых при строительстве линий связи. Наибольшее внимание уделено физическим принципам и практическим применениям. Дано описание современных моделей одномодовых и многомодовых волокон и обсуждены проблемы их производства. Некоторые рассматриваемые в книге вопросы до сих пор освещались лишь в специальных журналах. Книга написана четким и понятным языком, содержит много иллюстраций и численных примеров. Предназначена для инженерно-технических работников, специализирующихся в волоконно-оптической связи. Может служить учебным пособием для студентов вузов.
Оглавление
Предисловие
Глава I. Оптические характеристики одномодовых волокон
§ 1. Введение
Раздел I. Типы оптических волокон
§ 2. Геометрические параметры оптических волокон
§ 3. Волокна со смещенной и несмещенной дисперсией
Раздел II. Оптические потери в одномодовых волокнах
§ 4. Спектр потерь в прямом волокне
§ 5. Окна прозрачности
§ 6. Механизмы возникновения потерь при изгибе волокна
§ 7. Спектр потерь в изогнутом волокне
§ 8. Эффективная длина волны отсечки
§ 9. Потери из-за разности диаметров модовых пятен
§ 10. Потери из-за смещения сердцевин волокон
Раздел III. Измерение потерь в волоконно оптических линиях связи
§ 11. Распределение потерь в линии связи
§ 12. Потери в сварных соединениях волокон
§ 13. Потери в оптических разъемах
§ 14. Погрешности при измерении потерь с помощью рефлектометра
§ 15. Погрешности при измерении потерь с помощью мультиметров
Раздел IV. Хроматическая дисперсия
§ 16. Понятие дисперсии в оптической связи
§ 17. Коэффициент наклона и длина волны нулевой дисперсии
§ 18. Материальная и волноводная дисперсии
Раздел V. Механизмы уширения и сжатия импульсов
§ 19. Чирпинг эффект из-за хроматической дисперсии
§ 20. Ширина спектра импульса с чирпингом
§ 21. Чирпинг эффект при прямой модуляции лазера
§ 22. Чирпинг эффект из-за фазовой самомодуляции волн
Раздел VI Компенсация полной дисперсии в линии передачи
§ 23. Максимально допустимая величина уширения импульсов
§ 24 Связь между начальной и конечной шириной импульсов
§ 25. Максимальное расстояние между ретрансляторами
§ 26. Компенсация дисперсии в широкой полосе частот
§ 27. Фотонные кристаллы для компенсации дисперсии
Раздел VII. Поляризационная модовая дисперсия (ПМД)
§ 28. Поляризационные моды
§ 29.Уширение импульсов из-за ПМД
Глава II. Стандартные одномодовые волокна (SM)
§ 1. Введение
Раздел I. Оптические характеристики SM волокон
§ 2. Спектр потерь в SM волокнах
§ 3. Дисперсия в SM волокнах
§ 4. SM волокно с большой площадью модового пятна
§ 5. Параметры SM волокон представленных на российском рынке
Раздел II. Применение SM волокон в системах со спектральным уплотнением каналов
§ 6. Системы WDM
§ 7. Системы DWDM
§ 8. Системы СWDM
Раздел III. Стандарты на оптические волокна
§ 9.Основные положения Rec. G.652 ITU-T
§ 10.Организации устанавливающие стандарты на оптические волокна
Глава III. Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS)
§ 1. Введение
Раздел I. Нелинейные эффекты в оптических волокнах
§ 2. Эффективность нелинейных процессов в оптических волокнах
§ 3. Вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS)
§ 4. Вынужденное рассеяние Рамана (SRS)
§ 5. Фазовая самомодуляция волн (SPM).
§ 6. Модуляционная нестабильность (MI)
§ 7. Перекрестная фазовая модуляция (ХРМ)
§ 8. Четырехволновое смешение (FWM)
Раздел II. Дисперсионные характеристики NZDS волокон
§ 7. Волокна с положительной дисперсией
§ 8. Волокна с отрицательной дисперсией
§ 9. Волокна с плоской дисперсионной характеристикой
§ 10. Области применения одномодовых волокон
Глава IV. Многомодовые волокна (MM)
§ 1. Введение
Раздел I. Межмодовая дисперсия
§ 2. Связь между понятиями луча и моды
§ 3. Градиентные волокна
§ 4. Дифференциальная модовая задержка
§ 5. Спектры коэффициентов широкополосности
Раздел II. Технология изготовления оптических волокон
§ 6. Методы изготовления волокон с малыми потерями
§ 7. Способ, разработанный впервые в компании Corning
§ 8. Внешнее осаждение (OVD метод)
§ 9. Осевое осаждение (VAD метод)
§ 10. Внутреннее осаждение (MCVD метод)
§ 11. Плазменное внутреннее осаждени (PCVD метод)
§ 12. Внутреннее осаждение и плазменное жакетирование (APVD метод)
§ 13. Механическая прочность волокон
Литература
Приложение. Спецификации на оптические волокна
§ 1. Типы волокон представленных на российском рынке
Раздел I. Оптические волокна компании Alcatel
§ 2. Стандартное одномодовое волокно
§ 3. Улучшенное одномодовое волокно
§ 4. Одномодовое волокно TeraLight™ Metro
§ 5. Одномодовое волокно TeraLight™ Ultra
§ 6. Одномодовое волокно Ribbon
§ 7. Многомодовое волокно GLight™ 50/125
§ 8. Многомодовое волокно 50/125
§ 7. Многомодовое волокно GLight™ 62.5/125
§ 8. Многомодовое волокно 62.5/125
Раздел II. Оптические волокна компании Corning
§ 9. Стандартное одномодовое волокно SMF-28™
§ 10. Стандартное одномодовое волокно SMF-28e™
§ 11. Одномодовое волокно MetroCor™
§ 12. Одномодовое волокно LEAF
§ 13. Многомодовое волокно 50/125
§ 14. Многомодовое волокно 62.5/125
Раздел III. Оптические волокна компании OFS
§ 15. Стандартное одномодовое волокно Matched Cladding
§ 16. Одномодовое волокно AllWave
§ 17 Одномодовое волокно с ненулевой дисперсией TrueWaveRS
§ 18. Многомодовое волокно 50/125
§ 19. Многомодовое волокно 62.5/125§ 15.
Раздел IV. Оптические волокна компании YOFS
§ 15. Стандартное одномодовое волокно Matched Cladding
§ 17 Одномодовое волокно с ненулевой дисперсией LAPOSH
§ 18. Многомодовое волокно 50/125
§ 19. Многомодовое волокно 62.5/125§ 15.
Предисловие
С технологией передачи данных по оптическому волокну связано множество разнообразных и часто малоизвестных физических явлений, практических и экономических ограничений и на эту тему написано много хороших книг. Для того чтобы новая книга оказалась интересной достаточно широкому кругу читателей, она должна иметь свою четко обозначенную специфику. Замысел авторов выражен в название книги - "Оптические волокна для линий связи". Её цель: дать читателю минимальный набор сведений по волоконной оптике необходимых при строительстве волоконно-оптических линий связи.
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. В России в настоящее время почти исключительно используются только стандартные одномодовые оптические волокна. В тоже время за рубежом в связи с интенсивным развитием WDM систем большое внимание уделяется волокнам нового типа - с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS - Non Zero Dispersion Shifted). Все эти типы волокон рассмотрены нашей книге.
Книга явилась результатом курса лекций по волоконной оптике, читавшихся в течение нескольких лет строителям оптических линий связи. Она может служить настольным справочным пособием для специалистов, которые хотели бы пополнить и систематизировать свои знания в этой области. Материал изложен, как мы надеемся, достаточно просто, и может быть хорошим введением для тех, кто только начинает знакомиться с волоконной оптикой. Авторы книги - сотрудники компании "ВЭЛКОМ", представляющей на российском рынке телекоммуникационное оборудование, волокна и кабели ведущих зарубежных и отечественных производителей.
Глава I Оптические характеристики одномодовых волокон
§ 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 так же 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 ещё 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 её 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 её 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 (1Т = 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 оно обладает малой (ненулевой) дисперсией.
В I-й 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 (разделVII). 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).
Раздел I. Типы одномодовых 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 её 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 её 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, применяемых 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, а NZDS волокна только начинают применяться.
§ 3. Волокна со смещенной и c 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 (~ 60 $/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 так же 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 ( = 1310 нм) в них попадает в один из локальных минимумов потерь. Поэтому при работе на = 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 = 1310 нм составляют 0.31...32 дБ/км. В абсолютном минимуме потерь ( = 1550 нм) потери меньше: 0.18…0.19 дБ/км, а коэффициент дисперсии достигает величины: 17…20 пс/нмкм.
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 = 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.
1
2
3
N
1
2
3
N
1
2
3
4
5
3
1 ….N
1 ….N
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 – демультиплексор.
С увеличением числа спектральных каналов (длин волн) в DWDM системе возрастает суммарная мощность излучения передаваемого по волокну, и сильней 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 c 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 c 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/нмкм) в диапазоне длин волн 1530…1565 нм.
Специальные типы одномодовых волокон. Кроме этих 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 Fiber Amplifier.
Волокна, сохраняющие состояние поляризации излучения (PM – Polarization Maintaining), применяемые в поляризационных делителях и смесителях.
Раздел II. Оптические потери в одномодовых волокнах
§ 4. Спектр потерь в прямом волокне
Зависимость потерь в кварцевых оптических волокнах от длины волны света представлена на рис. 1.3.. Как видно из этого рисунка, потери ограничиваются: релеевским рассеянием, инфракрасным поглощением и резонансным поглощением ионов ОН («водяные» пики). Кривая носит иллюстративный характер, так как для разных типов волокон и разных производителей величина потерь может различаться. Наиболее сильно могут различаться потери в «водяных» пиках на = 1290нм и 1383 нм. Так в новых моделях SM волокон: AllWave (Lucent Technologies), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli) – отсутствует пик на = 1383 нм и снижена чувствительность к воздействию водорода.
|