1.2 Применение оптических волокон

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей.

Рис. 1.4. Волоконно-оптический кабель.

Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи.

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в  некоторых моделях машин (для навигации). Волоконно-оптические гироскопы применяются в космических кораблях. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

1.3 Классификация оптических волокон.

Все оптические волокна делятся по количеству мод распространения на 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. 1.4). Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней: магистральном, уровне распределения и уровне доступа. Многомодовые волокна применяются в локальных вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа. Существует два стандарта таких волокон, отличающиеся диаметром сердцевины.

Одномодовые волокна	Многомодовые волокна

Рис.1.5. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон.

В волоконно-оптичеких линиях связи (ВОЛС) наиболее широко используются следующие стандарты волокон:

• многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 1.3б);

• многомодовое градиентное волокно 62.5/125 (рис. 1.3б);

• одномодовое ступенчатое волокно 8-10/125 (рис. 1.3в);

• одномодовое волокно со смещенной дисперсией 8-10/125 (рис. 1.3г);

• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Рис. 1.14. Стандарты ОВ.

Рекомендуемые параметры многомодовых ОВ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Параметры	Градиентное многомодовое ОВ
	50/125	62.5/125
Номинальное затухание на длине волны 850/1300 нм (дБ/км)	/	/
Максимальное затухание на длине волны 850/1300 нм (дБ/км)	/	/
Полоса пропускания на длине волны 850/1300 нм (МГцкм)	/	/
Длина волны нулевой дисперсии λ0 (нм)	1297-1316	1332-1354
Наклон нулевой дисперсии S0 (пс/(нм2км))
Диаметр сердцевины d (мкм)
Числовая апертура NA
Стандартная длина волокна, поставляемого на катушке (м)	1100-4400	1100-8800
Диаметр оболочки (мкм)
Радиальное отклонение сердцевины относительно оболочки (мкм)
Диаметр защитного покрытия (мкм)
Отклонение сердцевины от окружности
Тестовое усилие на разрыв (ГН/м2)
Эффективный показатель преломления neff на длине волны 850/1300 нм	1.4897/1.4856	1.5014/1.4966

Одномодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 1.15) называют стандартным Standard Fiber (SF). Это волокно оптимизировано для второго окна прозрачности (1260-1360 нм). Его длина волны нулевой дисперсии составляет _0D ~ 1.35 мкм.

Стандартные ОВ имеют дисперсию на  = 1310 нм менее 3.5 пс/(нм·км), а на  = 1550 нм их дисперсия возрастает до 18 пс/(нм·км), хотя затухание при этом уменьшается до 0.2 дБ/км и они могут с успехом использоваться на этой длине волны. При этом длина участка регенерации обычно ограничивается дисперсией.

Рис.1.6. Профили показателей преломления стандартных одномодовых ОВ.

С целью оптимизации дисперсионных параметров волокон на длине волны 1.55 мкм, на которой кварцевые ОВ имеют минимальное затухание, были разработаны градиентные одномодовые ОВ.

Усложняя профиль показателя преломления (рис. 1.16) и делая его форму близкой к треугольной, получили волокна, имеющие длину волны нулевой дисперсии вблизи 1550 нм. Такие ОВ получили название ОВ со смещенной дисперсией (Dispersion Shifted Fiber - DSF).

а)

Рис.1.7. Профили показателей преломления ОВ со смещенной дисперсией.

Эти ОВ имеют дисперсию на λ = 1550 нм менее 3.5 пс/(нм*км), а на λ = 1310 нм до 18 пс/(нм*км).

Рис. 1.8. Зависимость хроматической дисперсии в одномодовых ВС от длины волны.

Еще один вид одномодовых ОВ - ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (Non Zero Dispersion Shifted Fiber - NZDSF). Эти ОВ были разработаны специально для систем спектрального уплотнения (DWDM).

Волокна NZDSF оптимизированы таким образом, что длина волны нулевой дисперсии у них вынесена за пределы полосы пропускания эрбиевого оптического усилителя (такие усилители могут использоваться только в начале или в конце линии; выходная мощность составляет 10-500мВт (10-27дБм)).

Характеристики этих волокон приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Характеристики		TrueWave™		SMF-LS™		LEAF™
Главное рабочее окно (нм)		1550		1550		1550
Затухание
Макс. затухание на длине волны 1550 нм (дБ/км)		0.22 - 0.25		 0.25		 0.25
Макс. затухание в диап. 1525-1575 нм (дБ/км)		 0.30		 0.30		 0.30
Хроматическая дисперсия в зоне ненулевой дисперсии
минимум (пс/нмкм)	0.8 (зона 1540-60 нм)		н/д		1.0 (1540-60 нм)
максимум (пс/нмкм)	4.6 (зона 1540-60 нм)		-3.5 (зона 1530-60 нм)		6.0 (1540-60 нм)
Наклон нулевой дисперсии (пс/нм2км))	н/д		 0.092		н/д
Длина волны нулевой дисперсии (нм)	 1520		1560		н/д
Диам. модового поля при дл. волны 1550 нм (нм)	8.4 ± 0.6		8.4 ± 0.5		9.5 ± 0.5 9.6 (типовое)
Кабельная длина волны отсечки (нм)	 1260		 1260		н/д

В таблице 1.3. приведены рекомендации МСЭ по параметрам волокон различных типов.

Таблица 1.3.

Параметры ОВ		Рекомендации МСЭ
		G.652	G.653	G.654	G.655
Тип волокна		SSF	DSF	CSF	+NZDSF
Окна прозрачности, нм		1350/1550	1500-1600	1550	1530-1565
Коэффициент затухания, дБ/км	1310	< 1.0 / < 0.34	< 1.0	не норм.	не норм.
	13831	< 2.0	< 2.0	не норм.	не норм.
	1550	< 0.22	< 0.22	< 0.22 / 0.15-0.19	< 0.22
Диаметр поля моды, мкм	1310	9.3 - 9.8	не норм.	не норм.	не норм.
	1550	9.0 - 10.0	7.0 - 8.6	9.5 ‑ 10.5	9.0 - 10.0
Максимальная кабельная длина волны отсечки, нм		1260	1270	1530	1480
Длина волны нулевой дисперсии, нм		1310  10	1550  25	1280  20	не норм.
Наклон нулевой дисперсии, пс/(нм2км)		0.093	0.085	0.095	< 0.169

В таблицах 1.2 и 1.3 присутствует параметр - кабельная длина волны отсечки. Это длина волны отсечки волокна, уложенного в кабель. Для волокна в кабеле длина волны отсечки меньше, чем для «прямого» волокна, то есть одномодовый режим передачи наступает раньше.

Типы одномодовых волокон отличаются друг от друга только формой профиля показателя преломления (рис. 1.9) и, соответственно, дисперсионными характеристиками.

Рис.1.9. Профили показателя преломления в одномодовых волокнах.

Основные типы одномодовых волокон, применяемых в линиях связи, нормируются международными стандартами ITU-T Rec. G. 652-G. 655:

• G.652: волокна с 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 с 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/нм.км) в диапазоне длин волн 1530-1565 нм.

• G.656: волокна с ненулевой дисперсией для систем грубого уплотнения по длинам волн (CWDM – Coarse Wavelength Division Multiplexing - большое расстояние между спектральными каналами – 20 нм).

Существует также 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 (РМ – Polarization Maintaining), применяемые в гироскопах, поляризационных делителях и смесителях.

• Дырчатые волокна (Holey Fiber), применяемые в компенсаторах дисперсии, в оптических шнурах, в нелинейных элементах.

Рис. 1.10. Профиль показатель преломления дырчатого волокна.

Помимо рассмотренных ОВ существуют также одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией Cutoff Shifted Fiber (CSF). В этих волокнах исполь­зуется четырехслойная оболочка, что позволяет добиться почти плоской и близкой к нулевой дисперсионной характеристики (|D_х|  1-6 пс/км/нм) в диапазоне длин волн от 1300 до 1650 нм. При этом они имеют сниженный коэффициент затухания благодаря чисто кварцевой сердцевине и увеличенного диаметра модового поля.

Волокна со сглаженной дисперсией используются только на длине волны 1550 нм для связи на большие расстояния без промежуточных линейных усилителей и регенераторов, преимущественно в подводных магистралях. Большой диаметр модового поля позволяет использовать большее усиление мощности без увеличения нелинейных искажений сигнала.