Волокна из кварцевого стекла

В середине 70-х годов двадцатого века после серии успешных экспериментов фирмой Corning (США) была разработана технология получения оптического волокна с потерями 4 дБ/км. Это было многомодовое оптическое волокно с диаметром сердцевины 50 мкм, рассчитанное на работу в диапазоне длин волн 0,82 … 0,87 мкм. На его основе были созданы первые промышленные волоконно-оптические кабели, которые в ограниченном объеме начали применяться для решения специализированных связистских задач.

Какое-то время казалось, что эта ситуация продлится достаточно долго и, что до широкого применения волоконной оптики в связи пройдет не один десяток лет. Однако уже в начале 80-х годов большая потребность в каналах связи заставила связистов обратить внимание на уникальные возможности волоконной оптики. Целый ряд компаний США, Японии, Германии и других стран выделили значительные средства на развитие волоконной оптики. В результате этого были разработаны и созданы новые технологии и типы оптических волокон и кабелей различного назначения.

Согласно ГОСТ 26793-85 «Компоненты ВОСПИ. Система условных обозначений» все ОВ подразделяются на группы — по типу распространяющегося излучения, на подгруппы-по типу профиля показателя преломления и на виды — по материалу сердечника и оболочки.

Различают следующие группы ОВ: многомодовое (М), одномодовое без сохранения, поляризации излучения (Е) и одномодовое с сохранением поляризации излучения (П). Группа многомодовых ОВ делится на две подгруппы: со ступенчатым (С) и градиентным (Г) профилями показателя преломления. В зависимости от материалов сердцевины и оболочки ОВ подразделяются на следующие виды: 1 — сердцевина и оболочка кварцевые; 2 — сердцевина кварцевая, оболочка полимерная; 3 — сердцевина и оболочка из многокомпонентного стекла; 4 — сердцевина и оболочка из полимерного материала;5-прочие.

Международная система классификации оптических волокон основана на Рекомендациях ITU-Т G.650 и публикации IEC №793 [1,2]. Так, согласно рекомендациям IEC предусмотрены два класса ОВ: А и В, к которым соответственно относятся многомодовые и одномодовые волокна. При этом категория многомодовых ОВ определяется материалом сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления, а категория одномодовых волокон определяется центральной длиной волны и длиной волны нулевой дисперсии (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Категории оптического волокна

Первое использованное в системах связи оптическое волокно было многомодовым, в котором может распространяться одновременно большое число мод — лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой, что облегчает его монтаж и эксплуатацию. Основным недостатком такого волокна является межмодовая дисперсия для уменьшения влияния которой было разработано многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию все же не удается, что объясняется как несовершенством профиля показателя преломления, так и наличием так называемых спиральных мод, возникающих вследствие осевой симметрии ОВ, избавиться от которых в принципе невозможно.

Градиентное ОВ характеризуется профилем показателя преломления, являющимся монотонной убывающей функцией радиуса в пределах его сердцевины. Оптимальным профилем показателя преломления в ОВ является параболический. Однако в реальных условиях получить параболический профиль показателя преломления практически не удается вследствие несовершенства технологии изготовления заготовок, поэтому обычно вводят термин квазипараболический профиль показателя преломления, характеризующийся многоступенчатостью и наличием центрального провала, ухудшающего дисперсионные свойства ОВ (рис. 3.1).

Основные характеристики многомодовых ОВ, выпускаемых некоторыми ведущими фирмами [4, 5, 6, 7] в соответствии с требованиями международного стандарта и Рекомендации ITU-Т G-651 [2, 3], приведены в табл. 3.2. Сегодня применение МОВ, работающих в первом и втором окнах прозрачности с номинальными длинами волн 850 нм и 1300 нм, ограничено, как правило, локальными сетями и сетями связи с технологией PDH.

Например, фирма Corning в последние годы для высокоскоростных, базирующихся на лазерной технологии локальных сетей (LAN), таких как Gigabit Ethernet выпустила волокна InfiniCor™ 300, InfiniCor™ 600 и InfiniCor 1000. Эти волокна способны передавать информацию до 300, 600 и 1000 м, соответственно. При использовании более медленных протоколов, таких как Fast Ethernet, FDDI и 155 МБит/с АТМ, эти волокна могут эффективно работать и на расстояниях больших, чем 2000 м.

Таблица 3.2. Характеристики многомодовых ОВ, выпускаемых некоторыми фирмами

Фирма	Lucent Technologies	Corning	Fujikura	Sumitomo Electric
Диаметр сердевины, мкм	62,5 ± 3,0	62,5 ± 3,0	50 ± 3,0	50 ± 3,0	50 ± 3,0	62,5 ± 3,0	100 ± 5
Неконцентричность сердцевины, %	≤6,0	≤5,0	≤5,0	–	–	–	–
Диаметр оболочки, мкм	125,0 ± 1,0	125,0 ± 0,2	125,0 ± 0,2	125,0	125,0 ± 0,2	125,0 ± 0,2	140,0 ± 3,0
Диаметр покрытия, мкм	245,0 ± 10	245,0 ± 10	245,0 ± 10	250,0	250,0 ± 10	250,0 ± 10	250,0 ± 10
Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм	≤ 3,0	≤ 3,0	≤ 3,0	—	—	—	—
Некруглость оболочки, %	≤ 2,0	≤ 2,0	≤ 2,0	—	—	—	—
Неконцентричность покрытия, мкм	≤ 12	≤ 12	≤ 12	—	—	—	—
Длина волны нулевой дисперсии, нм	1328 ÷ 1350	1332 ÷ 1354	1297 ÷ 1316	—	—	—	—
Наклон кривой дисперсии пс/(нм2 км)	0,11	0,097	≤ 0,101	—	—	—	—
Максимальное затухание (дБ/км) на , нм		2,8 ÷ 3,5	2,8 ÷ 3,0	≤ 2,5	2,4 ÷ 2,5	3,0	3,0	2,5		3,5	3,5	4,0	4,0
	0,7 ÷ 1,0	0,6 ÷ 0,7	≤ 0,8	0,5 ÷ 0,8	1,0	1,0		0,7	1,5	1,5	2,0	2,0
Мах. превышение затухания на =1380 нм, относительно затухания на =1300 нм	Менее чем на 1,0	Менее чем на 1,0	Менее чем на 0,3	—	—	—	—
Затухание на изгибе (100 витков радиусом в 75 мм на , нм		—	≤ 0,5	≤ 0,5	—	—	—	—
	—	≤ 0,5	≤ 0,5	—	—	—	—
Ширина полосы пропускания (МГц км) на , нм		160 ÷ 250	160 ÷ 200	400 ÷ 600
	400 ÷ 1000	200 ÷ 600	400 ÷ 1000	200 ÷ 500
Прочность, ГПа	≥0,7 (1% удлинении)	≥ 0,7 (1% удлинении)	≥ 0,7 (1% удлинении)	—	—	—	—
Сила снятия покрытия, Н	1,3 …≤ 8,9	3,2	3,2	—	—	—	—
Вид покрытия	D-LUX двойной слой улучшенного УФ-акрилата	СРС6 улучшенное двойное покрытие из акрилата	СРС6 улучшенное двойное покрытие из акрилата	УФ-акрилат или силикон+нейлон	УФ-акрилат или силикон+нейлон	УФ-акрилат или силикон+нейлон	УФ-акрилат или силикон+нейлон
Собственный радиус изгиба, м	≥ 2	—	—	≥ 2	—	—	—
Диапазон рабочих температур, оС	-60 … +85	-60 … +85	-60 … +85	-60 … +85	—	—	—
Разность показателей преломления, %	2,0	2,0	1,0	—	—	—	—
Эффективный показатель преломления на , нм		1,496	1,496	1,490	—	—	—	—
	1,491	1,487	1,486	—	—	—	—
Числовая апертура	0,275 ± 0.015	0,275 ± 0.015	0,200 ± 0.015	—	0,210 ± 0.02	0,275 ± 0.015	0,280 ± 0.02
ППП	градиентный	градиентный	градиентный	градиентный	градиентный	градиентный	градиентный

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала 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. Межмодовая дисперсия в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно (SSF) предназначено для работы в диапазоне длин волн 1285 — 1330 нм, в котором величина хроматической дисперсии достигает минимального, близкого к нулю, значения. Можно также использовать это ОВ в спектральном диапазоне 1525–1565 нм, затухание на этих длинах волн очень мало (-0,2дБ/км), а коэффициент хроматической дисперсии составляет 16 — 18 пс/нм км. Параметры стандартного одномодового ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-Т G.652[4]. Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно, применяемое с 1983 г.

Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного одномодового волокна. Первой модификацией ООВ стало волокно со смещенной в область 1550 нм длиной волны нулевой дисперсии (DSF). В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого ОВ регламентируются Рекомендацией ITU-Т G.653 [5]. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн, в котором ОВ имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии, совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне. Такой тип волокна предпочтителен как для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка так и для технологий оптического уплотнения. Возможно также применение этого ОВ в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент. Однако эти волокна имеют недостаток, связанный с возникновением нелинейных эффектов (так называемый эффект смешивания некоторых волн), возникающих при использовании оптического усилите ля на основе волокна, легированного эрбием EFDA, в середину рабочего диапазона которого попадает длина волны нулевой дисперсии этого волокна.

Второй модификацией ООВ стало волокно с затуханием, минимизированным на волне 1550 нм [6], соответствующее Рекомендации ITU-Т G.654. Волокна этой модификации на сетях электросвязи не нашли применения.

Следующей модификацией ООВ стало волокно со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF). Внедрение технологии «плотного» частотного уплотнения (DWDM) совместно с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке такого типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в ОВ одновременно вводится большое количество (до 100 и более) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других, информационный поток. Применение этой технологии позволяет радикально повысить пропускную способность оптических линий, но при этом накладывает определенные требования на само ОВ, как на среду передачи оптического излучения. Основным из них является отсутствие искажений сигнала передаваемого каждой спектральной компонентой по отдельности, что в данном случае эквивалентно отсутствию хроматической дисперсии, поскольку именно она приводит к искажению цифрового сигнала и соответственно возникновению битовых ошибок. Однако при отсутствии хроматической дисперсии возникает проблема нелинейных эффектов, обусловленная высокой мощностью оптических сигналов в волокне, что связано с необходимостью передачи на большие расстояния и применением оптических усилителей при высокой плотности спектральных компонент. Наиболее важным для систем, использующих DWDM-технологии, является эффект четырехволнового смешивания, приводящий через взаимодействие отдельных спектральных компонент со средой (сердцевиной ОВ) к взаимодействию спектральных компонент друг с другом. Из-за этого эффекта после прохождения DWDM сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Как выяснилось, наличие в ОВ некоторого уровня хроматической дисперсии эффективно подавляет влияние нелинейных эффектов.

NZDSF-волокно, отвечающее вышеперечисленным требованиям, используется в линиях с большой протяженностью регенерационного участка с DWDM-уплотнением сигнала. Параметры этого волокна регламентируются Рекомендацией ITU-Т G.655 [7]. Рабочий диапазон для таких ОВ 1530 — 1565 нм, уровень коэффициента хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1 — 6 пс/(нм.км) обеспечивает достаточно низкое значение дисперсии оптического сигнала в волокне. В свою очередь, такой уровень дисперсии достаточно низок для обеспечения скорости передачи до 10 Гбит/с в каждом спектральном канале, и в то же время достаточно высок для эффективного подавления нелинейных эффектов при использовании DWDM-технологий. Даже без использования DWDM-технологии этот тип волокон обеспечивает большую пропускную способность и протяженность регенерационного участка, чем стандартное одномодовое волокно. Интересной особенностью является возможность получения волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDSF+ и NZDSF — волокна), что дает возможность построения линий с близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств.

На сегодняшний день выпуск волокон со смещенной ненулевой дисперсией налажен фирмами Fujikura, Lucent Technology и Corning [8, 9, 10]. Волокно TrueWave фирмы Lucent Technologies и волокно SMF-LS фирмы Corning имеют ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбиевого усилителя. Первое волокно обеспечивает положительную величину коэффициента хроматической дисперсии, имея точку нулевой дисперсии вблизи 1523 нм, а второе — отрицательную величину, имея точку нулевой дисперсии несколько выше 1560 нм (рис. 3.2).

При дальнейшем технологическом усовершенствовании фирмой Coming было выпущено волокно NZDSF марки LЕАF с большой эффективной площадью для светового поля, предназначенное для систем спектрального уплотнения с большим числом каналов в диапазоне 1550 нм и внутриканальной скоростью передачи 10 Гбит/с. За счет увеличения эффективной площади для светового потока волокно LEAF увеличвает уровень оптической мощности в системе на 2 дБ по сравнению с обычным и волокнами с ненулевой смещенной дисперсией. Это, в свою очередь, приводит к существенным системным преимуществам, улучшению отношения сигнал-шум, снижению уровня ошибок, более длинным усилительным участкам.

Рис. 3.2. Коэффициент хроматической дисперсии

одномодовых ОВ в окне прозрачности 1550 нм

Для систем передачи DWDM, использующих не только третье окно прозрачности (от 1530 до 1565 нм), но и четвертое окно (от 1565 до 1620 нм), фирмой Lucent Technologies было предложено волокно TrueWave RS с уменьшенным наклоном дисперсионной кривой. Это волокно имеет ненулевую смещенную дисперсию NZDF, что позволило увеличить пропускную способность.

Дальнейшие разработки в области производства оптических волокон позволили открыть пятое окно прозрачности 1350 — 1450 нм, недоступное ранее из-за свойственного ему большого затухания, вносимого ионами ОН. Фирма Lucent Technologies представила волокно All-Wave, в котором практически исключается наличие ионов ОН, что позволяет использовать его во всем диапазоне длин волн от 1280 до 1625 нм. Спектральные зависимости затухания в волокнах TrueWave RS, A11Wave приведены на рис. 3.3 и 3.4 соответственно.

В волокное AllWave в отличие от стандартного одномодового волокна (рис. 3.4) нет так называемого «водяного пика», т.е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов ОН. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км.

Данный тип ОВ предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностью регенерационных участков, при одновременном использовании всего спектрального диапазона от 1,3 до 1,6 мкм. Пока, правда, нет полной ясности в вопросе долговременной стабильности характеристик данного ОВ, т. е. не решен вопрос появления водяного пика в процессе экс плуатации.

Совсем недавно фирма Corning представила новый тип волокна MetroCor, у него также как и у AllWave отсутствует водяной пик, а смещенная ненулевая дисперсия и в третьем и четвертом окнах прозрачности имеет отрицательный знак. Это волокно предназначено, в основном, для местных и локальных сетей передачи с использованием второго — пятого окон прозрачности.

Основные характеристики одномодовых ОВ, выпускаемых различными фирмами, приведены в табл. 3.3.

Перечисленные выше виды волокон относятся к так называемой группе промышленно выпускаемых волокон. В последнее время с развитием оптических усилителей, систем с WDW появились такие специальные виды волокон, как:

• с компенсацией дисперсии DCF (Dispersion Compensating Fiber), используемое в специальных модулях для компенсации дисперсии;

• легированное эрбием EDF (Erbium Doped Fiber), используемое в оптических усилителях типа ЕВРА;

• легированное неодимом NDF (Neodim Doped Fiber), используемое в оптических усилителях типа NDFA;

• сохраняющее поляризацию на протяжении всего пути распространения излучения, известное как PMF (Polarization Maintaining Fiber) или hi-bi волокна;

• с большой площадью сечения сердечника — порядка 300 —: 800 мкм для создания световых потоков большой яркости и мощности, используемое для измерений и специальных приложений.

Таблица 3.3. Характеристики одномодовых ОВ, выпускаемых некоторыми фирмами