6. Це оптичне волокно з кварцового скла має три1 «вікна прозорості» – 850 1300 і 1550 нм в ближньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль. Найменший коефіцієнт загасання (приблизно 0,25 дБ/км) має місце у вікні 1550 нм і близько 0,5 дБ/км у вікні 1300 нм, мал. В.2. Перші волокна дозволили передавати оптичні сигнали на відстань в декілька десятків км. без регенерації. При більшій дальності передачі необхідні оптоэлектронные (О-Е-О) регенератори, які перетворює спотворений оптичний (О) сигнал в електричний (Е), регенерує його і потім перетворить в оптичний (О), такий, що поступає на наступну ділянку регенерації.

Першими були створені багатомодові (multimode) ММ ОВ. Вони мають діаметр светонесущей серцевини 50 мкм, що набагато перевищує значення робочій довжині хвилі оптичного сигналу. З цієї причини ММ ОВ підтримують розповсюдження багатьох мод розповсюдження (propagation mode), що йдуть по волокну з різною швидкістю.

Іншими важливими компонентами, необхідними для ВОСП, є джерела і приймачі випромінювання. Напівпровідникові джерела випромінювання – світлодіоди (СД) і лазерні діоди (ЛД) – перетворюють передаваний електричний сигнал в оптичний (Е/О перетворення).

По-перше ВОСП регенератори включалися в лінію через кожні декілька кілометрів. Регенератори були (і продовжують залишатися) дорогими пристроями, тому бажано максимізувати відстань між регенераторами. Обмеження довжини ділянки регенерації було пов'язане з явищем, відомим як модова (міжмодова) дисперсія (intermodal dispersion). Як згадувалося вище, енергія імпульсу в ММ ОВ розповсюджується численними порціями по різних траєкторіях з різною фазовою швидкістю. Різні моди досягають кінця волокна в різні моменти часу, що приводить до збільшення тривалості (розширенню) імпульсу, що еквівалентно звуженню смуги пропускання середовища передачі. Розширення імпульсу у ВОСП назвали дисперсією сигналу, а цей конкретний вид дисперсії, пов'язаної з багатопроменевим характером розповсюдження сигналу, – модовою дисперсією. Як правило, перші системи працювали на швидкості 2.140 Мбит/с (плезиохронная цифрова ієрархія). Регенератори встановлювалися приблизно через 10 км. Багатомодові ОВ і зараз застосовуються в локальних обчислювальних мережах (ЛВС). При швидкості в декілька Мбіт/с вони забезпечують дальність передачі в декілька км., а при гигабитной швидкості – сотні метрів.

7. Приблизно з 1984 р. почалося створення другого покоління ВОСП. У них використовувалася довжина хвилі 1310 нм і одномодове ОВ в якому усунена модова дисперсія. Одномодове оптичне волокно (ОМ ОВ) має порівняно малий діаметр светонесущей серцевини (приблизно 8.10 мкм), який лише у декілька разів перевершує робочу довжину хвилі. Це забезпечує передачу всій енергії оптичного сигналу у вигляді єдиної моди (світивши).

Використання ОМ ОВ усунуло модову дисперсію і дозволило збільшити і швидкість передачі, і відстань між регенераторами. Ці системи мали довжину ділянки регенерації приблизно 40 км. при швидкості передачі 140 Мбіт/с. Відстань між регенераторами тут обмежувалася загасанням у волокні, а не дисперсією.

Наступним кроком було створення в кінці 1980-х років ВОСП з робочою довжиною хвилі 1550 нм, щоб скористатися перевагами нижчих втрат в цьому вікні прозорості. Це забезпечувало подвоєння довжини ділянки регенерації.

В області довжин хвиль 1550 нм інше явище, а саме, хроматична дисперсія (chromatic dispersion), стає чинником обмеження швидкості передачі інформації (довжини ділянки регенерації). Хроматична дисперсія є другим видом дисперсії сигналів в ОВ, на відміну від раніше розглянутої модової дисперсії. Енергія оптичного сигналу (імпульсу) зосереджена в спектральній смузі кінцевої ширини. Навіть у ОМ ОВ різні спектральні компоненти імпульсу розповсюджуються з різними швидкостями із-за фундаментальних фізичних властивостей скла. Цей ефект приводить до розширення імпульсу на виході, аналогічно тому, як це було при багатомодовій передачі. Чим ширше спектр вхідного імпульсу, тим більше він випробовує розширення із-за хроматичної дисперсії.

Хроматична дисперсія ОВ залежить від довжини хвилі світла. Стандартне кварцове одномодове волокно (standard single-mode fiber SSF) має нульову хроматичну дисперсію у вікні прозорості 1300 нм, але вона істотна на довжині хвилі 1550 нм. Хроматична дисперсія, що не була проблемою на довжині хвилі 1300 нм, стала чинником, що обмежує швидкість/дальність передачі на довжині хвилі 1550 нм. Об'єм прокладеного в світі стандартного ОМ ОВ складає 90%.

Високе значення хроматичної дисперсії властиве ОВ на довжині хвилі 1550 нм мотивувала розробку волокна із зміщеною (у це вікно) нульовою дисперсією (dispersion-shifted fiber – DSF). Таке ОМ ОВ було розроблене для забезпечення мінімальної дисперсії сигналу в третьому вікні прозорості, щоб хроматична дисперсія в цьому вікні не обмежувала дальність передачі. Проте до цього часу була вже прокладено багато тисяч км. стандартного ОМ ОВ (об'єм прокладеного в світі стандартного ОМ ОВ складає 90%), для якого це нововведення не застосовне. ОВ DSF типа складає малу частину від вже прокладеного ОВ і лінії. У порівняно великих кількостях таке ОВ було використане на мережах США, Японії, Італії і Мексики. В даний час нові лінії з таким волокном не будуються.

Дослідники почали шукати шляхи подолання хроматичної дисперсії, продовжуючи використовувати стандартне ОМ ОВ. Головним напрямом досліджень стало зменшення ширини спектру випромінювання ЛД. В кращому разі ширина спектру джерела випромінювання, повинна бути рівній ширині смуги модулюючого сигналу. Більш того, ширина передаваною по ОВ лінійного спектру може повністю визначатися шириною спектру використовуваного передавача.

Відомо, що ММ лазери ФП генерують випромінювання з шириною спектру 1.10 нм. Це еквівалентно сотням Ггц, що істотно більше ширини смуги модулюючого сигналу (одиниці-десятки Ггц). Якщо зменшувати ширину спектру ЛД до ширини смуги модулюючого сигналу, спотворення із-за хроматичної дисперсії значно зменшуються.

Це мотивувало розробку лазерного джерела з вузьким спектром. Лазер з розподіленим зворотним зв'язком (distributed-feedback – DFB) є прикладом одномодового лазера з однією подовжньою модою (single-longitudinal mode – SLM). Одномодовий (ОМ) лазер генерує на одній довжині хвилі на відміну від MM лазера, спектр випромінювання якого складається з декількох спектральних ліній. Це технологічне досягнення дозволило збільшити швидкість передачі до 1.10 Гбіт/с.

8. Наступною важливою віхою в розвитку ВОСП було створення підсилювачів на основі волокна, легованого ербієм (erbium-doped fiber amplifiers – EDFA) в кінці 1980-х, - початку 1990-х років. Основним компонентом EDFA є активне ОВ завдовжки в декілька десятків метрів, серцевина якого легована рідкоземельним елементом – ербієм (erbium – Er).

Атоми ербію в активному волокні накачуються за допомогою зовнішнього джерела світла і при цьому переходять із стаціонарного (низкоэнергетического) стану в збуджений (високоенергетичне). Фотон сигналу, що поступає в таке середовище, стимулює переходи збуджених атомів ербію в низкоэнергетические стани. При цьому кожен атом ербію випускає фотон, когерентний з сигнальним фотоном. Таким чином, фотони сигналу, що поступають, викликають емісію додаткових фотонів, що стимулює, тобто відбувається оптичне посилення.

Унаслідок унікального різниці в значеннях енергетичних рівнів атомів ербію при переходах між рівнями генерується сигнал з довжиною хвилі 1550 нм (довжина хвилі мінімального загасання в ОВ!). Накачування здійснюється від лазера, що генерує світло на довжині хвилі меншою, ніж довжина хвилі підсилюваного сигналу. Перші практично придатні широкосмугові підсилювачі з великим коефіцієнтом посилення були створені в 1987 р. і сталі комерційно доступними на початку 1990-х роках після розробки могутніх, компактних і надійних і напівпровідникових лазерів накачування.

Поява EDFA підштовхнула до створення абсолютно іншого (третього) покоління ВОСП. Головна перевага EDFA полягає в тому, що вони здатні одночасно підсилювати сигнали на багатьох довжинах хвиль в області 1550 нм. Ця властивість забезпечила принципово іншу стратегію нарощування пропускної спроможності системи передачі. Замість того щоб збільшувати швидкість передачі на одній довжині хвилі, по волокну одночасно передається декілька довжин хвиль, тобто використовується мультиплексування оптичних каналів з розділенням по довжинах хвиль (wavelength division multiplexing – WDM).

Використання WDM і EDFA дозволило істотно збільшити пропускну спроможність і понизити вартість системи передачі, приведеної до одного каналу ТЧ і 1 км. У WDM системах в проміжних пунктах один оптичний підсилювач замінив декілька дорогих регенераторів О-E-О типу. Це виявилося таким вигідним, що багато операторів телекомунікації стали широко упроваджувати WDM системи з оптичними підсилювачами. До того ж, такі системи виявилися такими, що швидко реалізовуються і дозволяють динамічно нарощувати інформаційну місткість системи передачі.

У 1996 р. вдалося досягти швидкості передачі по оптичному волокну 1 Тбіт/с. WDM системи з EDFA почали застосовуватися в середині 90-х років і в даний час досягнуті швидкості, що перевищують 1 Тбіт/с по одному волокну. При цьому швидкість передачі в одному спектральному каналі збільшилася до 10 Гбіт/с.

З появою систем з EDFA зменшення хроматичної дисперсії знову стало актуальним завданням. Замість того щоб відновлювати сигнал через кожні 40.80 км., сигнали в нових WDM системах передаються на значно більшу відстань завдяки посиленню в EDFA, що приводить до істотно більшого розширення імпульсу унаслідок хроматичної дисперсії сигналів в ОВ.

Спектр лінійного сигналу можна зменшити за допомогою зовнішнього оптичного модулятора. При безпосередній (більш простій і дешевою, чим зовнішня) модуляції виникають перехідні процеси і розширюють спектр оптичного лінійного сигналу. Це явище назвали чирпом (chirp) або чирпингом. Використання зовнішніх модуляторів сумісне з ОМ лазерами (наприклад, DFB-лазерами) і підсилювачами EDFA дозволяє збільшити довжину ділянки регенерації приблизно до 600 км. при швидкості передачі 2,5 Гбіт/с по стандартному ОМ ОВ на довжині хвилі 1550 нм. Для швидкості передачі 10 Гбіт/с довжина ділянки регенерації менша.

Наступним етапом став розвиток методів компенсації хроматичній дисперсії, щоб понизити дисперсію в ОВ до прийнятних значень на протяжній (сотні км.) підсилювальній ділянці. Такі методи дозволили досягти відстаней між регенераторами в декілька тисяч кілометрів при швидкості передачі близько 10 Гбіт/с в одному спектральному каналі.

У той же самий час, ранній незначні спотворення другого і навіть третього порядку трохи, стали виявлятися в WDM системах як ефекти першого порядку значущості. Сьогодні список таких проблем включає наступні: нелінійні ефекти у волокні; нерівномірний спектр посилення сигналів із-за нерівномірності АЧХ EDFA; різні спотворення, пов'язані з поляризацією сигналу.

Існує декілька видів нелінійних ефектів в оптичному волокні при WDM передачі унаслідок великої (100 мВт) введеної в ОВ оптичної потужності. При першому з них, званому чотирьоххвильовим змішенням (four-wave mixing – FWM), три оптичні сигнали з різними довжинами хвиль взаємодіють в нелінійному волокні і створюють четвертий сигнал з довжиною хвилі, яка може співпадати з довжиною хвилі одного із спектральних каналів, що викликає міжканальні переходи.

Виявилось, як це не парадоксально, що при збільшенні хроматичної дисперсії, знижує нелінійні ефекти у волокні. Пояснимо це. Хроматична дисперсія обуславливает різницю в швидкостях розповсюдження сигналів різних довжин хвиль. Це у свою чергу викликає менше переходів енергії між сигналами, оскільки тепер сигнали можуть підсумовуватися в протифазі, знижуючи нелінійний ефект FWM.

Одночасна дві причини приводять до різкого зростання нелінійних ефектів в DSF волокні: наявність точки нульової дисперсії в робочому діапазон довжин хвиль і малий ефективний поперечний переріз серцевини ОМ ОВ. Зменшення ефективного поперечного переріза пов'язане з тим, що зсув дисперсії досягається за рахунок а) збільшення значення хвилеводної дисперсії шляхом зміни профілю показника заломлення і б) зменшення діаметру серцевини.

Така ситуація стимулювала створення нового типу одномодового волокна – з ненульовою зміщеною дисперсією (non-zero dispersion-shifted – NZ-DSF), призначеного для управління взаємодією згаданих двох ефектів. Це волокно спроектоване так, щоб забезпечити менший рівень хроматичної дисперсії, чим у звичайного ОМ ОВ, і одночасно понизити його нелінійність.

У 1998 р. було розроблено ще більш довершені волокна NZ-DSF із збільшеною ефективною площею поперечного перетину. Оскільки прояв нелінійних ефектів залежить від щільності світлової енергії у волокні, те збільшення ефективної площі ослабляє нелінійні ефекти і збільшує дальність і швидкість передачі інформації.

В даний час створені WDM системи з сотнею спектральних каналів передаваних із швидкістю 10 Гбіт/с кожен при міжканальних інтервалах 50 Ггц і відстані між О-Е-Е регенераторами до декількох тисяч км. У цих системах використовуються наступні нововведення: а) спеціальний формат передачі – чирпированный з поверненням до нуля (chirped returnto-to-zero – CRZ), також званий «керований дисперсією (dispersion managed – DM) солитонный режим роботи»; б) Рамановськіє оптичні підсилювачі; у) метод прямої корекції помилок (forward error correction – FEC).

Керовані дисперсією солитоны – це короткі імпульси світла спеціальної форми, які можуть розповсюджуватися на більшу відстань (в порівнянні з імпульсами в NRZ форматі) в стандартному ОМ ОВ за умови періодичної компенсації дисперсії і застосування Рамановського посилення в тракті. При такому посиленні використовується нелінійна властивість волокна, згідно якому енергія випромінювання накачування передається корисному сигналу. Рамановськоє посилення зазвичай здійснюється при використанні могутнього лазера накачування підключеного до одного з кінців волокна, щоб здійснювати накачування по всій довжині лінійного волокна. Рамановськоє посилення відбувається в досить широкій ділянці спектру з піковою довжиною хвилі посилення що знаходиться приблизно на 100 нм вище за довжину хвилі Рамановськой накачування.

Перешкодостійке кодування (FEC) полягає в додаванні надмірних бітів до інформаційних символів. У приймальному пристрої, ці додаткові біти використовуються для виявлення і виправлення помилок в прийнятому сигналі. Додавши до інформаційних символів приблизно 10.20% надмірних бітів, можна збільшити на декілька дБ бюджет системи передачі. Цю добавку можна використовувати для збільшення дальності дії системи і/або її інформаційної місткості.

В кінці 1990-х років був зроблений перехід від систем із швидкістю 2,5 Гбіт/с до систем із швидкістю передачі 10 Гбіт/с. Системи, що працюють на швидкостях 40 Гбіт/с в одному каналі вже вийшли із стін науково-дослідних лабораторій.

Системи із швидкістю 10 Гбіт/с стали ефективними при розгортанні мереж передачі по волокнах з ненульовою зміщеною дисперсією. Міські (Metro) WDM системи продовжують працювати на швидкості 2,5 Гбіт/с при меншій кількості довжин хвиль, чим WDM системи телекомунікації. Останні розробки в цій області зосередилися на реалізації: а) терабитных швидкостей передачі на трансокеанські відстані із швидкістю передачі в одному каналі від 10 до 40 Гбіт/с; би) сумарній швидкості передачі більш ніж 10 Тбіт/с (при використанні швидкості передачі в одному каналі 40 Гбіт/с) на відстані, декілька сотень кілометрів, що перевищують.

9. Основные типы и параметры одномодовых оптических волокон для отсп – стандартное одномодовое ов, ов со смещенной дисперсией, с ненулевой смещенной дисперсией.

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 (рис. 3).

Рис.3 Структура одномодового оптического волокна

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. 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.

Одномодовое волокно со смещённой нулевой дисперсией в область 1,55 мкм - длина волны (DS)

В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого оптического волкна регламентируются рекомендацией G.653 МСЭ-Т. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн в котором оптическое волокно имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне.

Такой тип волокна предпочтителен для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка, без применения технологий оптического уплотнения. Возможно также применение этого оптического волкна в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент.

Одномодовое оптическое волокно со смещённой ненулевой дисперсией (NZDS)

Внедрение технологий «плотного» частотного уплотнения (DWDM) вкупе с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке нового типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в оптическом волокне одновременно вводится большое количество (до 100) 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 накладываетопределенные требования на само оптическое волокно как на среду передачи оптического излучения.

Первым 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 в случае отсутствия 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 смешения, приводящий через взаимодействие отдельных спектральных компонент со средой (сердцевиной ОВ) к взаимодействию спектральных компонент друг с другом. Эффект четырехволнового смешения приводит к тому, что после прохождения DWDM-сигналом определенной длины волокна возникают компоненты на кратных частотах, т. е. становится невозможным демультиплексирование сигнала. Как выяснилось, наличие в оптическом волкне некоторого уровня хроматической дисперсии эффективно подавляет влияние нелинейных эффектов. NZDS-волокно как раз отвечает вышеперечисленным требованиям.

Это волокно предназначено для использования в линиях с большой протяженностью регенерационного участка с DWDM уплотнением сигнала. Рабочий диапазон для этих оптических волкон 1,530-1,565 мкм, уровень хроматической дисперсии в рабочем диапазоне 0,1-6 пс/нм*км. Такой уровень дисперсии достаточно низок для того, чтобы обеспечить скорость 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 данного типа волокна является возможность получения волокон с одинаковой по величине, но разной по знаку дисперсией (NZDS+ и NZDS- волокна), что дает возможность построения линий со скомпенсированной, близкой к нулю дисперсией, без применения дополнительных устройств. Спектральные зависимости затухания и дисперсии NZDS-волокон показаны на рис. 4.

Рис.4 Спектральные зависимости затухания и дисперсии NZDS волокон

На сегодняшний день выпуск волокон со смещенной ненулевой дисперсией налажен тремя фирмами - Fujikura, Lucent Technology и Corning, выпускаемые этими фирмами волокна имеют марки NZDS, TrueWave и LEAF соответственно. Фирмой Lucent в последнее время также начат выпуск усовершенствованного оптического волокна данного типа - TrueWave RS, в котором несколько расширен в дальней области рабочий спектральный диапазон (рис. 5), что дополнительно увеличивает пропускную способность ОВ.

Рис.5 Спектральная зависимость затухания в волокне TrueWaveRS

Судя по всему, данный тип волокон является наиболее перспективным для использования в отрасли связи и дальнейшее развитие волоконно-оптических технологий будет двигаться именно в этом направлении.

Волокно AllWave

Данный тип ОВ, производимый фирмой Lucent является достаточно интересным усовершенствованием стандартного одномодового волокна. В отличие от стандартного одномодового волокна данное оптическое волокно (рис. 6) не имеет так называемого «водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны 1,385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов OH. На этой длине волны поглощение составляет 0,31 дБ/км.

Рис.6 Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

Данный тип оптического волкна предлагается использовать в локальных и местных сетях связи с небольшой протяженностью регенерационных участков, но с одновременным использованием 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 проявится ли «водяной пик» со временем, в процессе эксплуатации.