Одномодовое оптическое волокно (статья)

Характеристики и типы одномодового волокна

В отличии от многомодового оптического волокна, одномодовое оптическое волокно имеет другой механизм прохождения света. Благодаря этому способу передачи сигнала, существенно уменьшается влияние модовой дисперсии на движение фотонов в волокне. При этом способе передачи волн одномодовые волокна позволяют передавать информацию на значительно большие расстояния, чем при использовании многомодового волокна. Одномодовые волокна имеют более высокую полосу пропускания, чем многомодовые волокна. Оборудование для одномодового оптического волокна дороже, чем оборудование для многомодового оптического волокна, но производство одномодовых оптических волокон обычно дешевле, так как производятся они в существенно большем масштабе.
Типичное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 8-12 мкм<ref name="arcelect">{{

1. if: {{#if: http://www.arcelect.com/fibercable.htm | {{#if: Fiber Optic Cable Tutorial |1}}}}

 ||Ошибка вызова Шаблон:cite web: Параметры url и title должны присутствовать

}}{{#if: ARC Electronics

 | {{#if: 
   | [[{{{authorlink}}}|{{#if: 
     | {{{last}}}{{#if:  | , {{{first}}} }}
     | ARC Electronics
   }}]]
   | {{#if: 
     | {{{last}}}{{#if:  | , {{{first}}} }}
     | ARC Electronics
   }}
 }}

}}{{#if: ARC Electronics

 | {{#if: | ; {{{coauthors}}}}}

{{#if:

 |  ()}}

}}{{#if: http://www.arcelect.com/fibercable.htm | {{#if: Fiber Optic Cable Tutorial

   |  Fiber Optic Cable Tutorial{{#if:  |{{ref-{{{lang}}}}}}} }}

}}{{#if:

 |  ()

}}{{#if:

 |  {{{work}}}

}}{{#if:

 | . {{{publisher}}}{{#if: ARC Electronics
   | 
   | {{#if:  | ({{{datepublished}}})| }}}}.

}}{{#if: | — {{{description}}}.}}{{#if:

 |  Проверено  {{{accessdate}}}{{#if:  |  {{{accessyear}}} }} г.}}</ref> и диаметр оболочки 125 мкм. 

Есть множество специальных типов одномодовых оптических волокон, которые обладают различными физическими свойствами и различным химическим составом легирующих примесей. Их производят, чтобы получить специальные свойства. B соответствии с рекомендациями ITU-T, различают основные типы одномодового волокна:

• G.652 Стандартное одномодовое
• G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией
• G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки
• G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией
• G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных
• G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

G.652 Стандартное одномодовое оптическое волокно (SM)

Рис.1 Ступенчатая структура профиля преломления стандартного одномодового ОВ

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала ( по сравнению с многомодовым ОВ ) привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, диаметр сердцевины и соотношение показателей преломления сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода (рис. 1).
Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно предназначено для работы в диапазоне длин волн 1,285-1,330 мкм, в котором величина хроматической дисперсии в оптическом волкне достигает минимального, близкого к нулю значения. Возможно также использование этого оптического волкна в спектральном диапазоне 1,525-1,565 мкм, затухание на этих длинах волн очень мало (~0,2 дБ/км), а дисперсия составляет 16-18 пс/нм*км. Параметры стандартного одномодового оптического волкна регламентируются рекомендацией G.652 МСЭ-Т (ITU-T). Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно, используемое промышленно с 1983 г.
Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного одномодового волокна.

G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией (DSF)

Для дальних линий связи на оптическом волокне принципиальное значение имеет длина регенерационного участка, которая должна быть как можно больше. Но для увеличения длины регенерационного участка ВОЛС ограничивающим фактором оказались дисперсионные характеристики оптических волокон. Вследствие искажения формы импульсов эта длина была ниже расчетного значения, что требовало установки промежуточных регенераторов через меньшие интервалы. Решением проблемы искажения формы импульсов стали волокна с нулевой смещенной дисперсией (ZDSF- zerodispersion-shiftedfibre) или просто со смещенной дисперсией (DSF- dispersion-shiftedfibre).
Путем вариаций геометрических размеров сердцевины и оболочки, а также введения легирующих добавок были получены оптические волокна, в которых область минимальных оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Такие волокна обладают сердцевиной меньшего диаметра, она составляет 7,8-8,5 мкм. Волокна со смещенной дисперсией предпочтительны для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка без применения технологий оптического уплотнения. Возможно также использование этого оптического волокна в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонентов.

Параметры оптических волокон с нулевой смещенной дисперсией описываются в Рекомендации ITU-T G.653. Сегодня действует редакция 2006 года. Согласно Рекомендации, оптические волокна со смещенной дисперсией по значению коэффициента поляризационной модовой дисперсии разделяются на две подкатегории - А и В. Такие волокна хорошо совместимы с оптическими усилителями (Рекомендации ITU-T G.691 и G.692), поскольку диапазон длин волн, в котором оптическое волокно имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии, совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на волокне, легированном ионами эрбия. Этот тип волокон оптимизирован для работы в диапазоне 1550 нм. Эффект хроматической дисперсии в таких волокнах зависит от нелинейных оптических эффектов в волокне.

G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки

При проектировании морских и береговых оптических линий возникла необходимость в оптических волокнах, обеспечивающих максимальную дальность передачи за счет использования больших уровней оптической мощности. Для этого были разработаны оптические волокна со смещенной длиной волны отсечки.
Параметры этих волокон и характеристики кабелей на их основе описываются в Рекомендации ITU-T G.654, первая версия которой утверждена в 1988 году под названием "Характеристики одномодовых оптических кабелей, обладающих минимальными потерями в диапазоне 1550 нм". Ныне действует седьмая версия, принятая в 2006 году.
Длиной волны отсечки называется минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду. Различают длину волны отсечки в волокне и длину волны отсечки для волокна в кабеле. Первая соответствует волокну, испытывающему слабое напряжение. Однако на практике приходится иметь дело с кабелем, который при прокладке претерпевает множество изгибов. Волокно испытывает напряжение, как в процессе производства кабеля, так и по окончании инсталляции. Это приводит к подавлению побочных мод и смещению кабельной длины волны отсечки в сторону коротких волн. Длина волны отсечки оптического волокна внутри кабеля может быть определена только экспериментально. Если волоконно-оптический кабель используется для передачи несущих с длинами волн ниже длины волны отсечки, то возникающие дополнительные моды могут привести к существенному увеличению дисперсии и нарушению передаваемого сигнала. Для стандартных одномодовых волокон длина волны отсечки составляет 1260 нм, что позволяет использовать их для организации связи в диапазонах: O, E, S, C, L. Если волоконно-оптический кабель используется для передачи несущих с длинами волн ниже длины волны отсечки, то возникающие дополнительные моды могут привести к существенному увеличению дисперсии и нарушению передаваемого сигнала. Для стандартных одномодовых волокон длина волны отсечки составляет 1260 нм, что позволяет использовать их для организации связи в диапазонах: O, E, S, C, L. Для остальных типов одномодовых оптических волокон длина волны отсечки ниже 1500 нм. Для оптических волокон, соответствующих Рекомендации ITU-TG.654, длина волны отсечки не должна превышать 1530 нм (что накладывает существенные ограничения на диапазоны передачи).
Оптические волокна со смещенной длиной волны отсечки оптимизированы для работы исключительно в диапазоне 1550 нм. Они ориентированы на применение в морских и береговых волоконно-оптических системах дальней связи, несмотря на то, что область минимальной дисперсии таких волокон в кабеле расположена в диапазоне 1310 нм.
Волокна разделены на три подкатегории, имеющие различия в нормах диаметра модового поля и дисперсионных характеристик. Так, среди силикатных одномодовых оптических волокон, применяющихся в телекоммуникационной отрасли, оптические волокна категории B имеют наибольший диаметр модового поля. Его максимальная величина может составлять 13,0±1,0 нм.
В части дисперсионных характеристик коэффициент поляризационной модовой дисперсии волокон категории А не должен превышать 0,5 пс/√км, а для категорий B и C - 0,2 пс/√км. Кроме того, имеются различия и в нормировании коэффициента хроматической дисперсии. Для волокон категории B он не должен превышать 22,0 пс/нм*км , а для категорий A и C - 20,0 пс/нм*км .

G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией

Разработка и внедрение систем DWDM выдвинули новые требования к характеристикам оптических волокон. Для технологии DWDM логичней было бы использовать оптические волокна со смещенной дисперсией. Однако теоретические исследования и эксперименты показали, что за счет нелинейных эффектов в волокне на длинах волн, близких к нулевой дисперсии, возникают перекрестные искажения. Они приводят к взаимным влияниям и ухудшению качества связи. Чтобы избежать влияния нелинейных эффектов, были разработаны волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibre). Для них длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы усиления эрбиевого усилителя. А наличие малой ненулевой дисперсии в диапазоне 1550 нм у NZDSF необходимо для снижения влияния нелинейных эффектов.
Требования к характеристикам таких оптических волокон сформулированы в Рекомендации ITU-T G.655. В настоящее время действует ее третья редакция, вышедшая в 2006 г. Волокна NZDSF оптимизированы для использования в диапазоне волн от 1530 нм до 1565 нм. В процессе исследований возникла необходимость в дополнении полосы пропускания длинноволновым диапазоном 1625 нм. Рекомендации разделяют волокна на пять подкатегорий - А, В, С, D, E, которые различаются по значениям коэффициента поляризационной модовой дисперсии, хроматической дисперсии и рабочему диапазону. Оптические волокна категории G.655.А обладают параметрами, обеспечивающими возможность их применения в одноканальных и многоканальных системах с оптическими усилителями (Рекомендации G.691, G.692, G.693) и в оптических транспортных сетях (Рекомендация G.959.1). Что касается применения в многоканальных системах, рабочие длины волн и дисперсия в волокне ограничивают мощность входного сигнала. Оптические волокна категории G.655.B обладают параметрами, аналогичными G.655.А. Разница в том, что в зависимости от рабочей длины волны и дисперсионных характеристик мощность входного сигнала может быть выше, чем для G.655.А. Требования в части поляризационной модовой дисперсии обеспечивают функционирование систем уровня STM-64 на расстоянии до 400 км.
Категория волокон G.655.C подобна G.655.B, однако более строгие требования в части поляризационной модовой дисперсии позволяют использовать на данных оптических волокнах системы уровня STM-256 (Рекомендация G.959.1) или же увеличивать дальность передачи систем STM-64 до 400 км. При разработке оптических волокон, удовлетворяющих Рекомендации ITU-T G.655, для подводных кабельных линий осуществляется оптимизация параметров. Это может привести к тому, что на практике некоторые характеристики волокон будут выходить за пределы диапазонов, установленных Рекомендацией. Например, длина волны отсечки в одной из моделей световодов составляла 1500 нм. На сегодняшний день существует два подхода к созданию волокон с ненулевой смещенной дисперсией. Основное различие между ними заключается в реализуемом диаметре модового поля. С увеличением этого параметра удобнее вводить излучение в световод, что особенно важно для DWDM-систем, использующих сложную интегральную оптику. Больший диаметр модового поля позволяет повысить уровень мощности излучения, вводимого в волокно, приблизительно на 2 дБ. Однако волокна с меньшим диаметром модового поля обладают меньшими потерями на сгибах и более пологой дисперсионной кривой. Вместе с тем оба подхода в равной мере обеспечивают подавление нелинейных эффектов.
Асимметрия и неконцентричность сердцевины и оболочки в реальных оптических волокнах носят случайный характер, как по длине оптического волокна, так и по времени, что определяет статистическую природу дифференциальной групповой задержки и поляризационной модовой дисперсии.

G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных

Оптические волокна, соответствующие Рекомендации ITU-T G.656, предназначены для передачи широкополосного оптического сигнала на базе CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing - разреженное спектральное уплотнение или спектральное уплотнение с низкой плотностью) и DWDM. Первая редакция Рекомендации ITU-T была утверждена в 2006 г. и действует до настоящего времени.
Эти волокна функционируют в широком диапазоне волн - от 1460 до 1625 нм. Величина затухания нормируется для различных диапазонов. Так, для длин волн 1460-1530 нм типичное значение составляет 0,35 дБ/км, для диапазона 1530-1565 нм -0,275 дБ/км, а для диапазона 1565-1625 нм - 0,35 дБ/км. Диаметр модового поля волокон для широкополосного оптического переноса у различных производителей варьируется от 7 до 11 мкм.

G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба

Мировые тенденции развития волоконно-оптических технологий, обусловленные ростом информационных потоков не только от единичных пользователей, но и от пользовательских групп, привели к разработке одномодовых оптических волокон, характеризующихся малым уровнем потерь на изгибах. Преимущества таких световодов особенно очевидны при использовании в кабелях, предназначенных для прокладки внутри зданий и сооружений. Такие волокна описаны в Рекомендации ITU-T G.657. Первая редакция утверждена в 2006 году.
Оптические волокна, удовлетворяющие требованиям Рекомендации, делятся на две категории: A и B, которые различаются диаметром сердцевины. Для волокон типа A он составляет от 8,6 до 9,5 мкм, а для волокон типа B - от 6,3 до 9,5 мкм. Нормы потерь на макроизгибах существенно ужесточены, поскольку этот параметр для G.657 является определяющим. Так, 10 витков волокна категории A, намотанного на оправку радиусом 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,25 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток того же волокна, намотанного на оправку диаметром 10 мм, при условии, что остальные параметры не изменены, не должен увеличивать затухание более чем на 0,75 дБ. Не допускается также увеличение волокнами категории B затухания на длине волны 1550 нм: 10 витков на оправке диаметром 15 мм - более чем на 0,03 дБ, один виток на оправке диаметром 10 мм - более чем на 0,1 дБ, один виток на оправке диаметром 7,5 мм - более чем на 0,5 дБ.
Для сравнения, согласно Рекомендации ITU-T G.652 приращение затухания в стандартных одномодовых волокнах на 100 витках волокна, намотанного на оправку диаметром 600 мм, не должно превышать 0,5 дБ на рабочей длине волны (1550 и 1625 нм), а изгиб с радиусом 7,5 мм может привести к сколу волокна.

См.также

• Многомодовое оптическое волокно
• Спектральное уплотнение каналов
• Волоконно-оптическая линия связи

Ссылки

• Рекомендации ITU-T
• Типы оптических волокон

Примечания

<references />