6.10. Одномодовые волокна новых типов производства компаний lucent technologies и corning

Компании LUCENT TECHNOLOGIES и CORNING (обе - США) являются мировыми лидерами в разработке и производстве наиболее совершенных оптиче­ских волокон (как одномодовых, так и многомодовых).

Компания LUCENT TECHNOLOGIES разработала несколько новейших типов одномодовых ОВ, среди которых первым следует назвать волокно «True Wave». Это волокно с ненулевой дисперсией, способное работать в третьем и четвертом окнах прозрачности, имеет пологую кривую зависимости дисперсии от длины волны в этих окнах, малую чувствительность к изгибам, малую PMD. На рис. 6.18 представлена кривая зависимости коэффициента затухания от длины волны, а в табл. 6.1 — характеристики волокна True Wave.

Затухание при макроизгибах	Максимальное затухание, вызванное изгибами, не превышает заданных значений при следующих условиях изгиба
	Условия изгиба	Длина волны	Затухание
	Один виток диаметром 32 мм ? витков диаметром 75 мм	1550 нм 1600 нм 1550 нм 1600 нм	< 0,5 дБ < 0,6 дБ <0,05дБ < 0,05 дБ
Локальные неоднородности	Отсутствуют локальные неоднородности затухания, превышающие 0,1 дБ, при 1500 и 1600 нм
Хроматическая дисперсия	Третье окно 1530...1565 нм Четвертое окно 1565... 1620 нм Наклон дисперсной кривой		от2,6до6,0пс/нм.км от4,0до8,6пс/нм.км < 0,05 пс/нм2.км
Диаметр модового пятна	при 1550 нм при 1600 нм		8,4±0,6мкм 8,4 + 0,6 мкм
Длина волны отсечки	Длина волны отсечки в кабеле ()(„.)		< Г260 нм
Коэффициент дисперсии, зависящий от поляризации волокна в кабеле при 1550 нм	Конструктивный параметр'		<0,1 пс/км

' Конструктивный параметр соответствует вкладу США в материалы (ЕС SC86A/WGI, Method!, September 1997

Таблица 6.2

Затухание	Максимальный коэффициент затухания (потерь) может быть задан в пределах:
	Длина волны (нм)		Максимальное затухание (дБ/км)
	1310 1385 1550		0,35 0,31 0,21-0,25
Зависимость затухания от длины волны	Максимальное затухание в диапазоне от 1285 до 1330 нм не превышает затухание при длине волны 1310 нм более чем на 0,10 дБ/км Максимальное затухание в диапазоне от 1525 до 1575 нм не превышает затухание при длине волны 1550 нм более чем на 0,05 дБ/км
Затухание в точке «водяного максимума»	Коэффициент затухания в точке максимума поглощения ОН (1383+3 нм) не превышает 0,31 дБ/км
Затухание при макроизгибах	Максимальное затухание, вызванное изгибами, не превышает заданных значений при следующих условиях изгиба
	Условия изгиба	Длина волны	Затухание
	Один виток диаметром 32 мм 100 витков диаметром 75 мм	1550нм 1310 нм 1550 нм	<0,5дБ < 0,05 дБ < 0,10 дБ
Локальные неоднородности	Отсутствуют локальные неоднородности затухания, превышающие 0,1 дБ, при 1310 и 1550 нм
Хроматическая дисперсия	Длина волны, соответствующая нулевой дисперсии (Х„)		1300...1322 нм
	Максимальный наклон дисперсионной кривой (So) в точке (Х„)		0,092 пс/нм2-км
Диаметр модового поля	при 1310нм при1550нм		9,30 iO,5 мкм 10,5±1,0мкм
Длина волны отсечки	Длина волны отсечки в кабеле (X) <1260 нм
Коэффициент поляризационной модовой дисперсии1	Максимум для всех волокон		< 0,5 С/км№
	Типовой		< 0,05 пс/км|/г
	Конструктивный параметр р2		< 0,5 пс/км1/2

В кабелях фирмы LUCENT TECHNOLOGIES. Согласуйте значения этого пара-метра с вашим производителем.

конструктивный параметр соответствует вкладу США в материалы /ЕС SL86A/WGI, Method I, September 1997.

Одномодовые волокна компании CORNING

Одним из методов снижения вредного воздействия нелинейных оптических Эффектов является снижение плотности мощности путем увеличения ной площади сечения оптического волокна А,_фф. Промышленное производство одномодовых ОВ с повышенным значением А, первой освоила компания COR­NING Это волокно типа LEAF™. Кроме большого значения A_J(M) = 72 мкм², оно имеет низкую дисперсию и низкое затухание при изгибе, а также высокие показатели остальных параметров, которые приводятся ниже.

Затухание: а < 0,25 дБ/км в диапазонах 1530...1565 и 1580...1625 нм. Потери при изгибе: один виток диаметром 32 мм в указанных диапазонах не превышает 0,5 дБ, диаметр модового пятна от 9,2 до 10 мкм; полная дисперсия: от 2,0 до 6,0 пс/нм. км в диапазоне 1530...1565 нм и от 4,5 до 11,2 пс/нм. км в диапазоне 1565...1625 нм; поляризационная модовая дисперсия PMD = 0,08 пс/Vkm; внешний диаметр волокна без защитной оболочки — d2 = 125 +1 мкм, с защитным по­крытием — 245 +5 мкм.

Волокно компании CORNING типа SMF-28™ предназначено для примене-неия в различных системах связи, в том числе кабельного телевидения. Оно оптимизировано для работы в диапазоне 2ОП (1280...1330 нм), однако может быть с успехом применено и в диапазоне ЗОП. Основные технические характеристики одномодового волокна SMF-28™ следующие:

• затухание а на длине волны 1310 нм не более 0,34 дБ/км, на длине волны 1550 нм — не более 0,2 дБ/км;

• прирост затухания при изгибе — один виток диаметром 32 мм не превышает 0,05 дБ/км;

• длина волны нулевой дисперсии (^₀): 1301,5...1321,5 нм;

• наклон нулевой дисперсии S_o < 0,092 пс/нм². км;

• поляризационная модовая дисперсия Р М D < 0, 1 пс/Vkm;

• максимальное значение: Р М D < 0,2; диаметр модового пятна от 8,8 до 9,6 мкм при X = 1310 нм, от 9,55 до 11,5 мкм при X = 1550 нм.

Фирма CORNING производит улучшенный тип этого волокна — SMF-28™ с Duraclad. В нем применяется стекло с двуокисью титана в наружном слое. Эта дополнительная оболочка позволяет повысить оперативность и качество операции зачистки волокна при концевой заделке.

В 2001 году компания CORNING разработала и начала производство одномодовых волокон SMFe™ [96]. Это волокно является аналогом волокна ALLWAVE производства компании Lucent Technologies. Оно имеет низкое затухание в области 1360—1460 нм, соответствующее водяному пику ОН, а также и во всем диапазоне длин волн 1260—1625 нм (на пике гидроксила ОН — а = 0,31 дБ/км). Кривая затухания имеет гладкую и монотонную зависимость от длины волны.

К настоящему времени совершенствование ОВ по такому параметру, как коэф­фициент затухания, практически подошло к теоретическому пределу (0,14 дБ/км). Японская компания Sumitomo Electric Industries разработала технологию, позволившую получить оптическое волокно с а = 0,151 дБ/км при эффективной площади сечения A_,_w =112 мкм² [97]. Остальные оптические параметры этого волокна следующие: диаметр модового поля MFD = 11,9 мкм, коэффициент дисперсии D = 20,8 ^пс . нм-км

Для магистральных сетей созданы оптические волокна с очень высокими параметрами, которые регламентированы нормами МСЭ-Т Рек. G.655. Единственный недостаток ОВ этого типа — весьма высокая стоимость. Для решения дилеммы «высокие параметры (малое затухание и коэффициент дисперсии) при приемлемой стоимости» в 2003 году был разработан ряд типов оптических волокон с промежуточными значениями параметров. В табл. 6.3 представлены параметры нового типа OB - P-MDF¹⁵⁰ [98].

Таблица 6.3

NN пп	а, дБ/км	Дисперсия, ПС	Наклон дисперсионной характеристики S, ПС	мкм2	PMD, ПС
		нм-ш			ш0'5
			НМ'Ш
1	0,237	10,2	0,071	146	0,06
2	0,245	12,3	0,065	157	0,04

6.11. Оптические волокна,специальных типов

До сих пор мы рассматривали одномодовые оптические волокна, предназначенные главным образом для магистральных систем передачи, а также многомодовые ОВ для сетей доступа. Кроме ОВ этих типов, существуют оптические волокна, предназначенные для решения частных задач: для абонентских участков оптических сетей доступа, для компенсации хроматической дисперсии для создания дискретных оптических устройств различного назначения.

Оптические волокна с отрицательной дисперсией

Ранее было показано, что хроматическая дисперсия в оптическом одномодо-вом волокне состоит из двух составляющих: материальной и волноводной. Если волноводная составляющая может быть как положительной, так и отрицательной, то материальная — только положительная. Можно создать такой профиль показателя преломления ОВ, при котором волноводная дисперсия по знаку будет отрицательной, а по абсолютной величине превышать материальную. В результате та­кой комбинации суммарная хроматическая дисперсия ОВ будет иметь отрицательный знак. Такие волокна разработаны и производятся для использования в компенсаторах хроматической дисперсии в оптических трактах ВОСП. Некоторые ■ фирмы из такого волокна изготавливают оптические модули для компенсации хроматической дисперсии. В таблице 6.4 приведены параметры таких модулей' производства двух фирм [99].

Таблица 6.4

Фирма	Lucent Technologies				Fujikara
Тип модуля	DK-40	DK-60	DK-80	F-40	F-60	F-80
D ПС	-680±21	-1020±41	1360+41	-680±10	-1020±20	1360±20
нмш
Затухание, ДБ/км	<5,2	<7,0	<8,9	<5,9	<8,0	< 10,1

Фирма	Lucent Technologies			Fujikara
Среднее значение PMD ПС км	<0,6	<0,75	<0,9	<1,7	<2,0	<2,3

Из анализа данных, представленных в этой таблице, следует, что модули для компенсации хроматической дисперсии вносят большие потери. В ряде случаев это мало устраивает проектировщиков ВОСП. Поэтому компании CORNING, AL­CATEL, Lucent Technologies и другие разработали такие типы волокон, которые имеют отрицательный коэффициент дисперсии при малом вносимом затухании. По абсолютной величине коэффициент дисперсии D_xp у этих волокон невелик, поэтому для компенсации значительных величин накопившейся в оптическом тракте дисперсии используемые волокна должны иметь большую длину. На практике из таких волокон формируются оптические кабели. Таким образом, оптический тракт ВОСП состоит из оптических кабелей с чередующимися положительными и отрицательными значениями коэффициента D_xp. В таблице 6.5 приведены типы и параметры ОВ с отрицательными D_xp, заимствованные из работ [95, 100, 101].

Таблица 6.5

Тип волокна	Потери а, дБ/км	Дисперсия D, ПС HM-KM	PMD ПС ш0'5
TrueWave SRS	<0,22	-14 до-4,8	0,1
TrueWave XL	<0,2	-14 до-4,6	0,1
Metro СогФ	<0,25	-1,0 до-10,0	<0,1
P-MDF [99]	<0,22	-14,5	0,05
N-MDFFA [99]	< 0,21	-11,0	0,05

Полимерные оптические волокна

В главе 4 отмечалось, что одним из основных факторов, сдерживающих внедрение оптических технологий на абонентских участках сетей доступа, является высокая стоимость оптического кабеля. Стремясь снизить эту стоимость, ряд компаний, занимающихся производством оптических волокон, выделяют значительные средства для разработки оптических волокон из дешевых полимерных мате­риалов. Полимерные оптические волокна — ПОВ (POF — Plastic Optical Fiber) также состоят из сердечника и оболочки. Сердцевина ПОВ выполняется из полиметилметакрилата, оболочка — из углеродного полимера. Первые полимерные волокна имели сердечник с диаметром 980 мкм при толщине оболочки 20 мкм. По­казатель преломления материала сердечника равен 1,492, оболочки — 1,417, чис­ловая апертура NA = 0,47 [102]. Минимальный коэффициент затухания в таком волокне был равен примерно а = 300 дБ/км на длине волны 580 нм. Впоследствии коэффициент потерь был снижен до 8 дБ/км.

В таблице 6.6 приведены параметры современных ПОВ ПОП..

Таблица 6.6

Параметры полимерных оптических волокон

Диаметр сердечника	980 мкм	200 мкм
Диаметр оболочки	ЮООмкм	500 мкм
Диаметр защитной оболочки	2200 мкм	2200 мкм
Затухание (X = 650 нм)	180дБ/км	8 дБ/км

Новые типы полимерных волокон в десятки раз дешевле кварцевых. Основной недостаток полимерных волокон — весьма большой коэффициент затухания. Однако этот недостаток для абонентских участков протяженностью до 2—3 км не столь существенен, поскольку затухание участка 16—24 дБ без проблем перекрываются современным оптоэлектронным оборудованием. Наряду с низкой стоимостью к достоинствам полимерных волокон можно отнести большой диаметр сердечника и большое значение числовой апертуры. Это дает возможность использования в качестве источников оптических сигналов дешевых полупроводниковых лазеров и светодиодов с большими размерами излучающих площадок. При этом в волокно вводится уровень мощности оптического сигнала — до 0...3 дБм.

В настоящее время полимерные оптические волокна не получили широкого распространения, поскольку они еще не прошли стадии экспериментальных исследований и разработок.

Микроструктурированные оптические волокна и фотонные кристаллы

Устойчивая тенденция использования для целей связи всего инфракрасного диапазона вплоть до видимой части спектра привели к задаче создания оптических волокон с минимальным наклоном дисперсионной характеристики в указанном диапазоне длин волн. При этом волокно должно поддерживать одномодовый режим в этом же диапазоне (700—1700 нм). Кроме того, еще одной до сих пор не решенной проблемой является создание полностью оптического эффективного процессора, на основе которого можно было бы проводить обработку сигналов на оптическом уровне. Основой такого процессора должно быть оптическое бистабильное устройство (т. е. оптический триггер). Вообще опические бистабильные устройства с оптическим же управлением созданы более 20 лет назад [103]. Однако для их работы требуются оптические сигналы с относительно большими уровнями мощности. Это делает их малопригодными для создания оптических процессоров и устройств обработки оптических цифровых сигналов. Весьма перспективными в части решения обеих проблем, обозначенных выше, являются предложенные в 1987 году периодические диэлектрические структуры, получив­шие название «фотонные кристаллы» [104, 105].

Созданные на основе таких структур оптические волокна получили название фотонно-кристаллических волокон (PCFs — Photonic Crystal Fibers) [106]. Периодическую структуру в сердечнике таких волокон образуют полые каналы — трубочки, оси которых вытянуты вдоль волокна параллельно его оси. Диаметр этих трубочек выбирается в соответствии с соотношением: d₍₁,/A = 0,2 [107]. Оптические волокна, у которых трубочки расположены по сечению сердечника непериодически, назваются микроструктурированными или «дырчатыми волокнами» (в англо­язычной литературе — Holey Fibers ). В приведенном соотношении d_(|) — диаметр.трубки (дырки), л — шаг, т. е. расстояние между центрами трубок. Обычно с!_ф s 0,5 — 1,5 мкм, Л = 1 — 2,5 мкм. Такая структура «дырчатых волокон» позволяет получить следующие параметры и характеристики: малый коэффициент наклона дисперсионной характеристки ОВ — менее 0,01 пс/нм-км [108], в перспективе — получение сверхмалых потерь (ниже рэлеевского предела), большая эффективная площадь сечения А.,,,, > 500 мкм². В периодических диэлектрических структурах нелинейные оптические явления начинают отчетливо проявляться при значитель­но меньших уровнях мощности оптических сигналов, чем в оптических волокнах обычных типов. На основе таких фотонных кристаллов разрабатываются бистабильные оптические устройства, волновые преобразователи, генераторы оптического излучения с широким спектром оптических частот. Такие генераторы, в частности, необходимы для проведения испытаний и тестирования оборудования со спектральным уплотнением. Об успешных экспериментальных испытаниях такого генератора сообщается в работе [109, ПО]. Этот генератор излучал суперконтинуум оптического излучения в диапазоне длин волн от 600 до 2000 нм при вводе в него оптических импульсов фемтосекундной длительности.

Брэгговские оптические волокна

Разновидностью фотонно-кристаллических волокон являются т. н. брэгговские оптические волокна. Такие волокна не имеют полых трубок, но вместо них пока­затель преломления сердечника изменяется вдоль радиуса по периодическому закону Брэгга: Н -—X [107]. Оставаясь одномодовым, такое волокно может иметь 2я

А_эф в несколько сот мкм². В работе [112] сообщается о создании брэгговского волокна с эффективной площадью сечения А^ = 517 мкм², при этом волокно является одномодовым с геометрическим диаметром сердечника d_c = 22 мкм. Один из примеров геометрии микроструктурированных тических волокон представлен на рис. 6.21 [112], в левой части рисунка — брэгговское волокно, в правой — фотоннокристаллическое.

Описанные оптические волокна специальных типов пока не вышли из стадии лабораторных исследований, поскольку не устранены их существенные недостатки: очень большое вносимое затухание — от 0,4 дБ/м до 100—200 дБ/км, кроме того, не решен ряд других проблем, среди которых проблема соединения таких волокон и, конечно, высокая стоимость.