Волокна со смещенной дисперсией что значит
Что такое оптические волокна со смещенной дисперсией?
Длина регенерационного участка имеет определяющее значение для работы линий связи, имеющих большую протяженность. Данный показатель должен иметь максимальное значение, однако когда осуществляетсяпрокладка волоконно-оптического кабеля, его дисперсионные характеристики ограничивают возможность увеличения длины участка регенерации. Расчетное значение обычно больше реального из-за искажения формы импульсов, вследствие чего, производя монтаж ВОЛС, требуется уменьшить интервалы установки промежуточных регенераторов и увеличить их число. Для решения этой проблемы используются волокна с нулевой смещенной дисперсией, что позволяет избежать искажения формы импульсов.
Свойства оптических волокон со смещенной дисперсией
Такие оптические волокна были получены благодаря добавлению легирующих веществ и изменению геометрии оболочки и сердцевины. Получившийся в результате волоконно-оптический кабель связи с волокнами, сердцевина которых равна 7,8-8,5 мкм, имеет совпадающие области минимальной хроматической дисперсии и минимальных оптических потерь. При этом на такой кабель связи, в т.ч. и на оптический кабель аудио ценапрактически не изменилась.
Выполняется сварка волоконно-оптического кабеля с волокнами со смещенной дисперсией при создании высокоскоростных линий связи, имеющих большую длину регенерационного участка, при этом применение оптического уплотнения не требуется. Используется такое волокно также в системах, в которых предусмотрено спектральное уплотнение, однако при этом снижается мощность передаваемого сигнала и ограничивается протяженность регенерационного участка и плотность спектральных компонентов.
Параметры, которыми должны обладать оптические волокна со смещенной дисперсией, регламентируются Рекомендацией ITU-T G.653 в редакции 2003 года. В соответствие с этой рекомендацией по значению коэффициента поляризационной модовой дисперсии различают оптические волокна с нулевой смещенной дисперсией двух категорий – А и В. Оптимальные значения затухания и дисперсии такого оптического волокна происходят в диапазоне волн, совпадающим с полосой наибольшего усиления оптических усилителей на легированном ионами эрбия волокне. Реализуется это путем совмещения данных видов волокон с оптическими усилителями, для чего используется аппарат для сварки оптоволокна цена которого сегодня вполне доступна.
Обзор оптических волокон
Одномодовые оптические волокна
С точки зрения дисперсии, существующие одномодовые волокна, которые сегодня широко используются в оптических сетях, разделяются на три основных типа:
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.
Стандартное ступенчатое одномодовое волокно с несмещенной дисперсией (G.652)
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 cтандартное ступенчатое одномодовое волокно с несмещенной дисперсией классифицируемое стандартом G652, стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространенно в телекоммуникационных сетях. Его параметры оптимизированы для диапазона длин волн 1,31 мкм, в котором волокно имеет нулевую хроматическую дисперсию и небольшое значение затуханий. Диаметр световедущей жилы волокна — G.652 равен 9 мкм, а оболочки — 125±2 мкм. Это волокно используется для одноволновой и многоволновой передачи (спектральное уплотнение), в том числе в диапазоне длин волн 1,55 мкм и обеспечивает передачу информации со скоростями до 10 Гбит/с на средние расстояния (до 50 км).
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 смешенной дисперсией (G.653)
Стандарт G.653 распространяется на одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией в области l=1,55 мкм. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы. Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи. Оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. Однако, по нему можно передавать только один спектральный канал информации, то есть оно не может быть использовано в волоконно-оптических системах и сетях, в которых применяются волоконно-оптические усилители и плотное оптическое спектральное мультиплексирование (DWDM-технологии). Причина этого заключается в высоких уровнях световой мощности в волокне после усиления и высокой плотности спектрального уплотнения, т. е. необходимости одновременной передачи большого числа независимых спектральных каналов по одному волокну. Высокая концентрация световой мощности в волокне — G.653 из-за особенностей структуры жилы приводит к проявлению нелинейных эффектов и, в частности, четырехволновому смешению, которое проявляется при нулевой хроматической дисперсии и приводит, в свою очередь, к перекрестным помехам в линии.
По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутрь этого окна. В итоге в середине 80-х годов создается волокно со смещенной дисперсией, классифицируемое стандартом G.653, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм, как по затуханию, так и по дисперсии. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы.
На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи. Оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. С приходом более новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала, большую роль начинают играть эрбиевые оптические усилители типа EDFA, способные усиливать многоканальный сигнал.
Оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (G.655)
Стандарт G.655 относится к волокну со смещенной ненулевой дисперсией — NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber). Волокно NZDSF создается в начале 90-х годов с целью преодолеть недостатки DSF, проявляющиеся при работе с многочастотным оптическим сигналом.
Оптоволокно со смещенной дисперсией
Стандартное телекоммуникационное волокно проявляет нулевую хроматическую дисперсию в 1,3-мкм длинноволновой области. Это было удобно для ранних оптических волоконных систем связи, которые зачастую работают на 1310 нм.
Тем не менее, 1,5-мкм область позже стала более важной, так как в ней потери волокна ниже, и оптические усилители на волокнах, легированных эрбием (EDFA) работают в данной области (в то время как 1,3-мкм усилители не реализуют сопоставимой производительности).
В этой области длин волн, однако, стандартные одномодовые волокна (в настоящее время называются волокнами с несмещенной дисперсией), обладают значительной аномальной дисперсией.
Для передачи сигнала по длинным оптоволоконным линиям это может быть проблемой, потому что это приводит к значительным дисперсионным уширениям импульса, к ограничению достижимой скорости передачи данных или к ограничению расстояния. Таким образом, так называемые волокна со смещенной дисперсией были разработаны таким образом, чтобы их измененная волноводная дисперсия обеспечивала сдвиг длины волны нулевой дисперсии в 1,5-мкм область. Это достигается путем изменения профиля показателя преломления сердцевины.
Общие профили показателей преломления волокна со смещенной дисперсией имеют треугольную, трапециевидную, Гауссову или иную форму.
Нулевая хроматическая дисперсия не обязательно идеально подходит для передачи данных. В частности, для передачи нескольких каналов (см спектральное разделение каналов), четырехволновые эффекты могут быть согласованными по фазе и, следовательно, могут привести к существенным искажениям, если дисперсия слишком слабая. Таким образом, может быть выгоднее использовать волокна со смещенной дисперсией, у которых малая дисперсию в диапазоне длин волн передачи данных, с длиной волны нулевой дисперсии, находящейся за пределами этого диапазона. Альтернативой является использование волокна с несмещенной дисперсией (то есть, стандартного) с большей дисперсией в 1,5 мкм, в сочетании с каким-либо видом компенсации дисперсии.
Есть также волокна с уплощенной дисперсией с относительно постоянной дисперсией групповой задержки в некотором диапазоне длин волн, то есть, малой дисперсией высшего порядка. Они могут, например, проявлять приблизительно нулевую дисперсию в телекоммуникационном диапазоне C. Такие волокна очень важны для передачи данных со спектральным разделением каналов и для адиабатического сжатия солитонов. Они часто имеют W-образный профиль показателя преломления (см. Рис.), хотя профили с градуированными показателями преломления и многоступенчатые профили также были разработаны.
Оптоволокно с ненулевой смещенной дисперсией G.655
Оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией категории G.655 используется в магистральных линиях и глобальных системах связи, работающих по технологии DWDM. Его особенностью является минимальный параметр хроматической дисперсии во всем световом диапазоне. Границы длин волн, передаваемых по волокнам, составляют от 1530 нм до 1565 нм. Для G.655 существует три дополнительных класса А, В и С, различаемых по трем параметрам:
Оптоволокно подкатегории А рекомендуется для использования в одно- и мультиканальных системах с оптическим усилением сигнала и в транзитных магистралях. Характеристики дисперсии и эксплуатационной длины волн ограничивают максимум мощности входного сигнала и возможность использования данного стандарта оптоволокна в мультиканальных системах.
Оптоволокно подкатегории В является аналогом подкатегории. А, но может иметь большую мощность входного сигнала. Используется в системах STM-64 при расстоянии передачи данных до 400 км. Подкатегория С во многом аналогична В, но к ней предъявляются более строгие требования поляризации модовой дисперсии, что даёт возможность применения кабеля G.655 С в системах STM-256 (протокол G.959.1).
Оптоволокно с уменьшенными потерями при небольших радиусах изгиба G.657
Данная категория имеет малый уровень потерь на изгибах и используется, в первую очередь, для эксплуатации в сетях FTTH на ограниченном пространстве. Производить монтаж оптоволоконного кабеля G.657 можно также как и обычный медный кабель.
Категория G.657 подразделяется на два подкласса А и В, различаемых минимальным радиусом изгиба, достаточным для нормальной работы и диаметром сердцевины:
Для данного стандарта основным показателем являются потери на макроизгибах, которые составляют:
Кабель G.657.А рекомендуется в случаях, когда приоритетом является совместимость со стандартным оптоволокном G.652. В категории В больше внимание уделено нечувствительности к изгибам.
Классификация по стандарту ISO/IEC
Стандарт оптоволоконной связи ISO/IEC разработан соответствующими международными организациями и имеет обозначение ISO/IEC 11801. Данный протокол регулирует параметры универсальных оптоволоконных систем и требования производительности отдельных магистралей.
Помимо подразделения по классам каналов стандарт определяет и три класса ММ-волокон ОМ1, ОМ2 и ОМ3, а также класс SM-волокон OS1. Данные категории подразделяются по характеристикам затухания и коэффициенту широкополосности.
Советы по выбору типа оптоволокна
Один из последних сетевых стандартов IEEE 802.3ab указывает, что новое оптическое волокно ОМ4 может передавать информацию со скоростью 40 и 100 Гб/с (Gigabit Ethernet) на расстояние до 150 м. В будущем оптоволокно ОМ4 планируется использовать совместно с аппаратурой 40Gbps. Данная статья поможет потребителям правильно сориентироваться в выборе оптоволокна при проведении новых и модернизации эксплуатируемых оптоволоконных линий связи.
Модовая дисперсия градиентных оптических волокон, как правило, на два порядка ниже, чем у волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления. За счет плавного изменения показателя преломления сердечника волоконного световода уменьшается путь прохождения второго луча вдоль волокна. Вследствие чего уменьшается время запаздывания второго луча относительно первого.
В одномодовых оптических волокнах модовая дисперсия отсутствует и увеличение длительности импульса определяется хроматической дисперсией, которая, в свою очередь, подразделяется на материальную и волноводную.
Материальной дисперсией называют явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества n от длины волны света ( n =ϕ λ() ). Волноводная дисперсия определяется зависимостью коэффициента фазы β от частоты ( β=ϕ ω() ).
Уширение импульса за счет хроматической дисперсии рассчитывается по формуле:
τ m – уширение импульса за счет материальной дисперсии, пс;
τ B – уширение импульса за счет волноводной дисперсии, пс;
∆λ – ширина спектра источника излучения, нм;
М(λ) – коэффициент удельной материальной дисперсии, пс/нм·км;
В(λ) – коэффициент удельной волноводной дисперсии, пс/нм·км.
При распространении поляризованной световой волны вдоль оптического волокна возникает поляризационная дисперсия. Световая волна с точки зрения волновой теории представляет собой постоянно изменяющиеся магнитное и электрическое поля, вектор которых расположен перпендикулярно распространению электромагнитной (световой) волны. Примером световой волны может служить естественный свет, у которого направление электрического вектора изменяется случайным образом. Если излучение монохроматическое и векторы колеблются с некоторой постоянной частотой, то их можно представить в виде суммы двух взаимно перпендикулярных составляющих х и у. Идеальное оптоволокно является изотропной средой, в которой электромагнитные свойства являются одинаковыми во всех направлениях, например показатели преломления. Среда с различными показателями преломления в двух ортогональных осях x и y называется двулучепреломляющей. При этом волокно в данном случае по прежнему остается одномодовым, поскольку две ортогонально поляризованных моды имеют одну и ту же постоянную распространения. Но это справедливо лишь для идеального оптического волокна.
В реальном оптическом волокне две ортогонально поляризованные моды имеют неидентичные постоянные распространения, вследствие чего появляется временная задержка и происходит уширение оптического импульса.
Уширение импульса за счет поляризационной модовой дисперсии (PMD) рассчитывается по формуле:
Таким образом, поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых оптических волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической. Поэтому результирующая дисперсия одномодового оптического волокна определяется следующей формулой:
Дисперсия существенно ограничивает пропускную способность волоконных световодов. Максимальная ширина полосы пропускания на 1 км оптической линии приближенно рассчитывается по формуле:
τ — уширение импульса, пс/км.
Рекомендуем хостинг TIMEWEB
Рекомендуемые статьи по этой тематике