§ 2. Геометричні параметри оптичних волокон

Оптичне волокно являє собою двошаровий циліндричну кварцову нить, яка складається з серцевини та оболонки. Оболонка покрита захисним шаром з акрилового лаку. Серцевина легирована германієм, і тому її показник переломлення більший, ніж у оболонки. Світло розповсюджується у середини волокна, відчуваючи повне внутрішнє відбиття на границі з оболонкою. Він проникаю до оболонки на глибину порядку довжині хвилі і. с. на глибину набагато менше її товщини і, отже, не взаємодіє з покриттям зробленого з акрилового лаку. Це покриття необхідне для захисту кварцової оболонки від механічних пошкоджень і впливу води.

Волокна розділяються на два основні типи: багатомодові та одномодові. Для усіх типів волокон , які застосовуються в лініях зв’язку, діаметр кварцової оболонки має стандартний розмір 125±1 мкм. Але мінімальний діаметр серцевини в багатоходових волокон 50 або 62.5 мкм. Діаметр серцевини у одномодових волокон може змінюватися в залежності від типу волокна в границях 7…9 мкм (рис. 1.1). Нормовані параметром у одномодових волокон є діаметр модової плями , величина якої залежить від типа волокон та працюючої довжини хвилі і знаходиться в границі 8…10 мкм. Відхилення діаметра модової плями залежить від його середній величини згідно з міжнародним стандартом ITU-T Rec. G. 652 і не повинно перевищувати 10 %.

Усі типи волокон, які застосовуються в лініях зв’язку, по своїм геометричним параметрам настільки схожі один до одного, що при зовнішньому огляді, як що немає спеціального маркування, визначити який це тип волокна, майже неможливо. Багатомодові волокна застосовуються у локальних обчислювальних мережах і частково в транспортних мережах на рівні доступу .

Одномодові волокна використовуються в транспортних мережах усіх трьох рівнів: магістральному, рівні розподілення та рівні доступу. Типи одномодових відрізняються один від одного тільки формою профілю показника заломлення і, відповідно дисперсійною характеристикою. Існує три основних типи одномодових волокон: стандартні однодові волокна (SM), волокна зі зміщено дисперсією (DS) та волокна з нульовою дисперсією (NZDS). У Росії DS волока не використовуються, а NZDS волокна тільки починають використовуватися.

§ 3. Волокна зі зміщеною і не змішаною дисперсією

Волокна зі зміщеною та не зміщеною дисперсією ( стандартні однодові волокна). Основним типом волокон, застосовується в лініях зв’язку, являються стандартні одномодові волокна (ITU-T Rec.G. 652). Для їх об означення використовуються декілька різних скорочення: NDSD – No Dispersion Shifted Fiber (волокно з незміщеною дисперсією ), SF –Standard Fiber ( стандартне волокно ), SSMF – Standard Single Mode Fiber (стандартне одномодове волокно). Найбільш поширене позначення: SM – Single Mode (одномодове).

Серед всіх типів волокон, укладених у наземних лініях зв’язку, на долю SM волокон припадає майже 90 %, а їх загальна протяжність достигає сотні мільйонів кілометрів. Це найбільш зрілий (про ізводиться з 1983 р.) і найбільш дешевий (~25 $/км) тип волокна. У більшості ліній Росії (а до недавнього часу і в США) використовується саме цей тип волокон. Заграницею окрім SM волокон використовується також волокна зі зміщеною дисперсією (DS – Dispersion Shifted) і волокна з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted).

SM волокна мають найбільш просту (ступінчату) форму профілю показника заломлення, а довжина хвилі нульової дисперсії (λ = 1310 нм) на них припадає в один із локальних мінімумів втрат. Тому при праці на  λ = 1310 нм вони забезпечують не тільки високу швидкість передачі даних, але і малі втрати. Зокрема серед всіх типів одномодових волокон SM волокна мають найбільш довершені геометричні параметри і стабільний розмір модової плями, що дозволяє достигати мінімальних втрат у зростках таких волокон (типове значення 0.02 дБ).

Втрати для кращих зразків промислових волокон у локальному мінімумі на довжині хвилі  λ = 1310 нм дорівнює 0.31…32 дЬ/км. У абсолютному мінімумі втрат (λ = 1550 нм) втрати менше 0.18…0.19 дБ/км, а коефіцієнт дисперсії досягає величини 17…20 пм/(нм∙км).

На російському ринку надані SM волокна більшості зарубіжних компаній, таких як Corning и Lucent (США), Sumitomo, Hitachi, Fujikura, Furukawa (Японія), Pirelli (Італія), Alcatel (Франція). Нещодавно на ринку з’явились також SM волокна з покращеною очисткою від домішок води (OH): AllWave (Lucent), SMF-29e (Corning) и SMR (Pirelli).

Волокна зі зміщеною дисперсією (DS – Dispersion Shifted). У 1985 р. було створено новий тип волокон, в яких довжина хвилі нульової дисперсії була зміщена на λ = 1550 нм – абсолютний мінімум втрат у кварцових волокнах. Довжина хвилі 1550 нм цікава ще тим, що вона знаходиться приблизно у середині смуги підсилення ербієвих оптичних підсилювачів (EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifiers). DS волокна використовуються в основному в магістральних лініях зв’язку Японії, Мексики та частково США. В останні роки виробництво DS волокон різко зменшилось тому, що через велику кількість перехресних перешкод їх застосування з ущільненням по довжинам хвиль (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing) обмежено.

Волокна з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDS – Non Zero Dispersion Shifted) з’явилося на ринку у 1993 р. До тогу часу промисловість були освоєні ербієві оптичні підсилювачі, що зробило економічно доцільним використання DWDM систем (рис 1.2). У цих системах по одному волокну пропускається випромінювання не багатьох довжинах хвиль (до 300 довжин хвиль) Оптичні підсилювачі підсилюють випромінювання одночасно на всіх цих довжинах хвиль. Пропорційно числу довжин хвиль збільшується і пропускна спосібність зв’язку.

З підвищенням числа спектральних каналі ( довжин хвиль) в DWDM системі зростає сумарна потужність випромінювання, переданого по волокну, і сильніше починають проявлятися нелінійні ефекти. Найбільш шкідливим є ефект чотирьоххвильового змішання тому, що при змішання сигналів, переданих на декількох довжинах хвиль, у волокні виникають паразитні сигнали на нових довжинах хвиль. Декілька з них попадають до DWDM системи, що приводить до виникнення перехресних перешкод. Поява сигналів на нових довжинах хвиль можна пояснити тим, що світлові хвилі великої інтенсивності створюють у волокні біжучі фазові решітки (біжучі хвилі показника заломлення). При взаємодії інших світлових хвиль з цими біжучими фазовими гратами і виникають паразитні сигнали на нових довжинах хвиль. Ефективність цієї взаємодії швидко зменшується зі збільшенням дисперсії волокна.

Так, якщо довжина хвилі нульової дисперсії волокна потрапляє між спектральними каналами DWDM системи, то відповідні цим каналам світлові хвилі поширюються у волокні з однаковою швидкістю і мають можливість взаємодіяти достатньо тривалий час. У NZDS волокнах довжина хвилі нульової дисперсії лежить поза смуги оптичного підсилювача, а в смузі оптичного підсилювача NZDS волокна володіють невеликою (ненульовий) дісперсіей, необхідної для придушення перехресних перешкод.

Основні типи одномодових волокон, застосовуваних у лініях зв'язку, нормуються міжнародними стандартами ITU-T Rec. G. 652 ... G. 655:

• G.652: волокна з незміщеної дисперсією (SM волокна) з довжиною хвилі нульової дисперсії і довжиною хвилі відсічення в районі 1310 нм.

• G.653: волокна зі зміщеною дисперсією (DS волокна) з довжиною хвилі нульової дисперсії в районі 1550 нм і довжиною хвилі отсечкі в районі 1310 нм.

• G.654: волокна з незміщеної дисперсією (SM волокна) з довжиною хвилі нульової дисперсії в районі 1310 нм і довжиною хвилі отсечкі в районі 1550 нм.

• G.655: волокна зі зміщеною ненульовою дисперсією (NZDS волокна), що володіють малою дисперсією (0.1 ... 6 пс / (нм км)) в діапазоні довжин хвиль 1530 ... 1565 нм.

• Спеціальні типи одномодових волокон. Крім перерахованих вище трьох основних типів одномодових волокон, існує ще кілька спеціальних типів одномодових волокон, застосовуваних у волоконно-оптичних пристроях.

• Волокна для компенсації дисперсії (DC - Dispersion Compen¬sating), застосовувані в модулях компенсації дисперсії.

• Волокна з домішкою рідкоземельних елементів, що застосовуються в оптичних підсилювачах, наприклад в EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier.

• Волокна, що зберігають стан поляризації випромінювання (РМ - Polarization Maintaining), застосовувані в поляризаційних делителях і змішувачах.

Розділ II

ОПТИЧНІ ВТРАТИ В одномодовому волокні