Размещено на http://www.allbest.ru/

Хронология развития оптической связи

волокно оптический линия

Волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) исполнилось 30 лет. В середине 70-х годов XX века фирма Corning освоила производство волоконных световодов с низким затуханием, появились надежные лазеры, и с этого времени началось практическое использование ВОЛС, стремительное развитие волоконных систем. За 30 лет ВОЛС заняли ведущую позицию в системах передачи информации, стали важнейшим звеном в информационной инфраструктуре современного общества.

История оптической связи в датах:

· 1790 г. -- оптический телеграф во Франции;

· 1860 г. -- демонстрация А.Беллом модуляции оптического сигнала зеркалом;

· 1881 г.-- передача речи при помощи светового луча;

· 1970 г. -- Ж. И. Алферов разработал полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре;

· 1970-1973 гг. -- Corning Glass Company осваивает производство оптического волокна с затуханием меньше 20 дБ/км;

· 1973 г. -- получены лазерные диоды со сроком службы 1000 часов;

· 1974 г. -- разработано градиентное многомодовое волокно;

· 1975 г. -- первый коммерческий полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре;

· 1976 г. -- срок службы лазеров увеличен до 100000 часов (10 лет);

· 1976 г. -- открыто третье окно в спектральном диапазоне работы ВОЛС (l = 1,55 мкм);

· 1977 г. -- срок службы лазеров увеличен до 1 млн. часов (100 лет);

· 1978 г. -- тестирование ВОЛС со скоростью передачи информации 32 Мбит/с, длина участка 53 км и рабочая длина волны l = 1,3 мкм;

· 1978 г. -- получено затухание в оптическом волокне 0,2 дБ/км (l = 1,55 мкм);

· 1980 г. -- первая коммерческая ВОЛС (между Бостоном и Ричмондом -- США), три рабочих длины волны, градиентное многомодовое волокно, скорость передачи информации 45 Мбит/с;

· 1980 г. -- передача по волоконной линии видеосигнала с Зимней Олимпиады в Лейк Плэсиде (градиентное многомодовое волокно, l = 0,85 мкм);

· 1981 г. -- получена скорость передачи сигнала 140 Мбит/с в одномодовом волокне длиной 49 км, l = 1,3 мкм. Начало работ с одномодовыми волокнами со смещенной дисперсией;

· 1982 г. -- скорость передачи в одномодовом волокне достигла 400 Мбит/с (l = 1,3 мкм);

· 1987 г. -- разработан эрбиевый оптический усилитель. Начало работ по ВОЛС со спектральным уплотнением;

· 1988 г. -- первая трансокеанская ВОЛС -- ТАТ-8 (одномодовые волокна, l = 1,3 мкм);

· 1993 г. -- начало практического использования оптических усилителей;

· 1995 г. -- начало практического использования ВОЛС со спектральным уплотнением;

· 1997 г. -- разработка оптических мультиплексеров адресного ввода-вывода;

· 1998-2000 гг. -- создание систем плотного (DWDM) и сверхплотного (HDWDM) спектрального уплотнения;

· 1999-2000 гг. -- создание оптических переключателей спектральных каналов;

· 2000 г. -- использование систем „грубого» спектрального уплотнения (CWDM);

· 2000-2002 гг. -- DWDM-системы с пропускной способностью до 1,6 Тбит/с.

В начале пути на ВОЛС в первую очередь возлагались надежды по решению проблемы острой нехватки полосы пропускания каналов передачи информации. В начале эры информатизации, информационные потоки бурно нарастали, а увеличение полосы пропускания систем связи в основном проходило за счет роста числа линий передачи и явным образом отставало от потребностей.

Оптический канал передачи должен был обеспечить полосу передачи более 1012 Гц, что давало выигрыш по сравнению с существующими системами передачи не менее четырех порядков. За эти годы волоконные системы смогли реально приблизиться к предельным возможностям волокна как канала передачи информации, при этом впервые решив проблему дефицита пропускной способности каналов передачи информации: в настоящее время актуальной является задача эффективного наполнения трафиком магистральных ВОЛС.

Этапы развития ВОЛС

В своем развитии ВОЛС прошли несколько этапов, решались фундаментальные проблемы, интенсивно развивалась наука и технология.

Большая часть проблем и одновременно основные достижения и возможности ВОЛС связаны с двумя элементами систем: волоконными световодами и лазерами. В развитии оптических систем разработчики стремились реализовать два принципа: „быстрее» и „дальше».

1 этап

В середине 70-х годов XX века появились полупроводниковые лазеры и волоконные световоды с небольшим затуханием. Первые лазеры для ВОЛС имели длину волны излучения 0,85 мкм (первое окно прозрачности волокна) и невысокую эффективность; волоконные световоды были многомодовыми и имели затухание в несколько дБ/км. Поэтому ВОЛС хотя и показали преимущества перед системами на медных проводах, но имели скорости и расстояния передачи далекими от ожидаемых. Увеличению скорости передачи в первых ВОЛС мешала временная дисперсия прохождения оптического сигнала по волоконному тракту.

Первые волоконные световоды (многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления) из-за большой межмодовой дисперсии имели полосу пропускания не более 20 МГц х км. Эта проблема была достаточно быстро решена разработкой многомодовых волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления, которые обеспечили увеличение полосы пропускания до 160 МГц х км.

2 этап

Следующим этапом развития ВОЛС стало увеличение дальности передачи информации. Для этого было необходимо снизить величину затухания оптического сигнала в волоконном тракте. Разработка приемопередающей аппаратуры, работающей во втором (1,3 мкм) спектральном диапазоне (окне), позволила снизить затухание в многомодовых волокнах с 3 дБ/км (0,85 мкм) до 1 дБ/км (1,3 мкм). Одновременно у многомодовых волокон повысилась и полоса пропускания до 500 МГц х км.

3 этап

Дальнейшее развитие ВОЛС в направлении „быстрее и дальше» связано с одномодовым этапом истории ВОЛС. Одномодовые волокна позволили значительно повысить скорость передачи информации за счет отсутствия межмодовой дисперсии, а переход в третье спектральное окно (1,55 мкм) позволил снизить потери в одномодовых волокнах с 0,35 дБ/км (1,31 мкм) до 0,2 дБ/км (1,55 мкм).

Открывшиеся возможности по наращиванию скорости и дальности передачи информации привели к значительному прогрессу цифровых систем передачи информации (сети синхронной цифровой иерархии -- SDH). Потребность в развитии таких систем была очень высокой, так как объем передаваемого трафика непрерывно увеличивался, и это стимулировало работы по дальнейшему совершенствованию ВОЛС. Было показано, что увеличению скорости и дальности передачи информации в одномодовых системах препятствует хроматическая дисперсия в волокнах. Эта проблема была успешно решена при разработке оптических волокон с нулевой дисперсией в области длин волн 1,31 мкм (волокна типа G.652) и смещенной в области длин волн 1,55 мкм нулевой дисперсией (волокна типа G.653). Для увеличения дальности передачи информации стали использоваться регенераторы сигнала, которые преобразовывали оптический сигнал в электрический, восстанавливали его форму, а затем формировали оптический сигнал для дальнейшего прохождения по волоконному тракту.

4 этап

Следующий этап -- использование оптических усилителей (ОУ), которые позволили эффективно увеличить дальность передачи. ВОЛС с оптическими усилителями и волокном G.653 обеспечивали передачу информации со скоростями до 40 Гбит/с на расстояние более ста километров.

Разработанные ОУ открыли важнейший этап в развитии волоконно-оптической связи -- появились системы со спектральным уплотнением. В них используется такое свойство волоконных систем, как возможность независимой передачи информации на разных длинах волн, в разных каналах. Первые ВОЛС со спектральным уплотнением работали в разных спектральных окнах (1,31 мкм и 1,55 мкм). Но системы со спектральным уплотнением наиболее эффективны в третьем спектральном окне (1,55 мкм), так как в этом случае один ОУ усиливает все информационные каналы, расположенные в окне.

Реализация уникальных возможностей таких систем (плотного спектрального уплотнения -- DWDM и высокоплотного спектрального уплотнения -- HDWDM), в свою очередь, потребовала решения еще одного ряда фундаментальных задач.

Во-первых, это проблема четырехволнового смешения. Наиболее эффективный путь построения ВОЛC со спектральным уплотнением -- увеличение числа каналов. При увеличении дальности передачи приходится усиливать оптические сигналы в каждом канале, и при большой суммарной мощности в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. Для DWDM-систем наиболее существенным является эффект четырехволнового смешения, когда в спектре сигнала появляются нежелательные составляющие, перекрестные помехи. При спектральном способе дешифрации оптических сигналов это может привести к значительным ошибкам в передаче информации. Четырехволновое смешение наиболее сильно сказывается в случае равенства скоростей распространения оптических сигналов в каналах. По этой причине оптические волокна со смещенной нулевой дисперсией (G.653) не используются в DWDM-системах, а для уменьшения влияния четырехволнового смешения были разработаны волокна со смещенной ненулевой дисперсией (G.655) и технология компенсации хроматической дисперсии.

Во-вторых, кроме специальных оптических волокон для DWDM-систем были разработаны высокостабильные лазеры с узкой спектральной линией, а также спектральные мультиплексоры/демультиплексоры. Этот цикл работ потребовал значительного продвижения в физике и технологии лазеров и интегрально-оптических схем.

Дальнейшее развитие ВОЛС шло как по пути увеличения числа сравнительно „низкоскоростных» (несколько Гбит/с) каналов в DWDM- и HDWDM-системах, так и по пути дальнейшего увеличения скорости передачи информации в информационном оптическом канале. В настоящее время серийно выпускаются системы со скоростью передачи 40 Гбит/с, ведутся эксперименты на 100 Гбит/с. Однако уже на скоростях более 10 Гбит/с появляются ограничения, связанные еще с одним видом временной дисперсии -- поляризационно-модовой дисперсией (PMD). Решение этой проблемы потребовало проведения фундаментальных исследований и значительного продвижения в области технологии изготовления волоконных световодов и оптических кабелей, монтажа линии и контроля параметров тракта.

5 этап

В последнее время повышенное внимание уделяется не только высокоскоростным магистральным ВОЛС, но и локальным системам. Массовые локальные волоконно-оптические системы передачи должны обеспечить загруженность региональных и магистральных ВОЛС, повысить эффективность волоконно-оптических сетей связи. При этом целесообразно использовать многомодовые волоконные световоды. Появление новых высокоэффективных лазеров для локальных сетей позволяет значительно повысить скорость и дальность передачи информации в ВОЛС на основе многомодовых волокон. Однако при этом появляется проблема „центрального провала» в многомодовых волокнах, связанная с несовершенством технологии изготовления заготовок для этих световодов. Значительные отклонения профиля показателя преломления от оптимального в центре волокна вызывали резкое увеличение дисперсии в случае использования современных лазеров. Эта проблема многомодового волокна была решена, что открыло новые возможности в развитии локальных ВОЛС и волоконно-оптических систем в целом.

Решение фундаментальных проблем было подкреплено развитием сопутствующих технологий, которые и обеспечили продвижение ВОЛС к потребителям по пути „быстрее-дальше». Наиболее существенные успехи наблюдались в технологии производства волоконных световодов и кабелей. Промышленность производит все необходимые виды оптических волокон и кабелей, обеспечивающие самые высокие параметры ВОЛС. При этом рост производства оптических волокон беспрецедентен: с 6,9 млн. км в 1990 г. до 76,6 млн. км в 2000 г. -- в 11 раз. Современные технологии монтажа и измерения параметров волоконного тракта полностью соответствуют высокому уровню современных ВОЛС. Достаточно сказать, что сварочные аппараты, например, FSM-40S, обеспечивают эффективный монтаж волоконного тракта с потерями в месте сварки менее 0,02 дБ. Благодаря этому, а также развитию высоких технологий производства оптических передатчиков и приемников, сетевых технологий и технологий спектрального уплотнения и обеспечены высочайшие темпы развития ВОЛС.

Современные тенденции и приоритеты развития оптической связи

За 30 лет развития по пути повышения скорости и дальности передачи информации, благодаря решению целого ряда фундаментальных проблем, в первую очередь уменьшения дисперсии и увеличения энергетических возможностей канала передачи, разработчики ВОЛС добились выдающихся успехов. Все это время непрерывно увеличивался суммарный трафик, передаваемый по волоконным сетям, снижалась стоимость передачи бита информации. Яркий пример тому -- первая трансантлантическая ВОЛС ТАТ-8, обеспечившая резкое увеличение передаваемой информации, стоимость телефонного канала при этом уменьшилась в сто раз: с 1 млн. долл. до 10 тыс. долл. В среднем трафик ВОЛС удваивался каждые два года, при этом объемы продаж удваивались за пять лет, т.е. цена передаваемой информации постоянно и существенно снижалась.

Показано, что волоконные системы обладают практически неограниченными возможностями по наращиванию трафика и способны решить все задачи, которые ставит перед ними информационное общество.

Однако на современном этапе развития ВОЛС, кроме указанных выше приоритетов, необходимо больше внимания уделять такому критерию, как эффективность. А эффективность в значительной мере зависит от загрузки каналов передачи. Если раньше спрос на полосу передачи значительно превосходил предлагаемые возможности, то в настоящее время волоконная оптика слишком сильно „ушла в отрыв», возможности ВОЛС стали опережать потребности клиентов. Да и трудно рассчитывать на такой рост трафика, который имел место в 90-х годах прошлого века.

Например, с 1995 г. по 1999 г. трафик Интернета увеличился в 30 раз. В настоящее время, хотя темпы роста снизились, ВОЛС продолжают развиваться, роль волоконных систем в телекоммуникационных системах усиливается. Однако, настала пора менять приоритеты и прилагать более значительные усилия по повышению эффективности телекоммуникационных систем, поиску клиентов, формирования нового рынка услуг.

Появление первых оптических волокон

В середине 70-х годов двадцатого века после серии успешных экспериментов фирмой Corning (США), была разработана технология получения оптического волокна, обладающего потерями 4 дБ/км. Это было многомодовое оптическое волокно с диаметром световедущей жилы 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 на практике для решения специализированных связных 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 бурный рост потребностей в каналах связи заставил связистов обратить внимание на уникальные потенциальные возможности волоконной оптики. Целый ряд компаний США (MCI, US Telecom и др.) направили значительные средства на развитие волоконной оптики. В результате этого были разработаны и созданы новые технологии и типы оптических волокон и кабелей различного назначения, которые развиваются и совершенствуются до настоящего времени.

Далее будут описаны основные типы оптических волокон и кабелей, применяемых в России, а также перспективы их развития и применения.

Многомодовые оптические волокна

Первое использованное в системах связи оптическое волокно (ОВ) было многомодовым. Для объяснения этого термина обратимся к рис.1

Рис.1 Распространение света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым распределением профиля показателя преломления

В состав оптоволокна входят:

· 1 - сердцевина (световедущая жила)

· 2 - оболочка

· 3 - защитная оболочка

Сердцевина и оболочка изготавливаются из кварцевых стекол с показателями преломления n₁ и n₂ соответственно, где n₁> n₂. Хорошо известно, что луч света, падающий под углом q на границу раздела двух сред с различными показателями преломления n₁ и n₂ испытывает явления преломления и отражения. В случае, когда n₁> n₂ возможна ситуация, при которой свет полностью отразится от границы раздела, т.е. будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения. Условием возникновения этого эффекта является выполнение неравенства q < q_с , где q_с - критический угол, определяемый из выражения

Таким образом, луч света, введенный в сердцевину волокна под углом, меньшим критического, больше не покинет оптическое волкно и будет распространяться по всей длине волновода. Такой луч получил название ведомой моды или просто моды. Величина sin q_с получила название числовой апертуры волокна.

В многомодовом оптическом волокне может распространяться одновременно большое число мод - лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое оптическое волокно 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 наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления (рис.2 ).

Рис.2 Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления

В таком волокне значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям, по закону где D = (n₁-n₂)/n₁, a - радиус сердцевины ОВ. Благодаря этому, моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше, чем в многомодовом волокне со ступенчатым профилем n. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию в многомодом волокне 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. Область применения многомодового волокна в основном локальные и внутриобъектовые сети.

Стандартное одномодовое оптическое волокно (SM)

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 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 накладывает определенные 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.

В России, как и во всем мире, на первом этапе развития волоконной связи использовались волоконно-оптические кабели на основе многомодовых оптических волокон.

Однако в дальнейшем, с расширением работ по созданию телекоммуникационных систем на основе ВОЛС, в основном стали применяться кабели, изготовленные на основе стандартных одномодовых волокон. Эти кабели высокого качества изготовляются целым рядом российских и совместных фирм и заводов, среди них ЗАО НФ « Электропровод», ЗАО «Трансвок», ЗАО «Москабельмет» и др.

Стандартизация оптического волокна

Стандартизация занимает важное место в телекоммуникационной индустрии. Наличие стандарта на тот или иной вид продукции и услуг существенно облегчает взаимоотношения производителя и потребителя, способствует повышению качества товара и внедрению новых технологий.

С развитием производства оптического волокна (ОВ) и расширением применения волоконно-оптического кабеля (ВОК) в телекоммуникациях, особенно в магистральных международных сетях и системах связи, возникла необходимость стандартизации ОВ, применяемого в кабеле.



Рис.7 Эмблема ITU

Следует отметить, что в настоящее время в волоконно-оптической отрасли одни и те же типы волокон, имеющие идентичные характеристики, называются по-разному в зависимости от производителя, страны-изготовителя и самого потребителя, пользующегося теми или иными рекомендациями. Например, один и тот же тип стандартного одномодового волокна носит название: G652, SMF28, CW1505х, NDSF. G652 -- название, рекомендованное Международным Союзом Электросвязи (МСЭТ, ITUT); название SMF-28 присвоено волокну его производителем, фирмой CORNING; CW1505x -- маркировка данного типа волокна согласно английской классификации; NDSF -- этот термин используется потребителем и характеризует свойства волокна. Очевидно, что такая ситуация может вызвать путаницу среди специалистов, использующих ВОК (волоконно-оптический кабель) при строительстве сетей и систем связи.

Международные стандарты в телекоммуникационной индустрии задаются преимущественно двумя организациями: МСЭ-Т, разрабатывающим стандарты для ВОЛС и пользователей оптического кабеля, и Международной электротехнической комиссией, разрабатывающей стандарты для производства продукции. В России связисты пользуются рекомендациями МСЭ-Т. Далее приводится классификация оптических волокон по отраслевому стандарту, который разработан Центральным научно-исследовательским институтом связи в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т.

Классификация типов волокна согласно рекомендациям МСЭ-Т

Классификация типов волокна согласно рекомендациям МСЭ-Т:

Стандарт G.650

Стандарт G.650 дает общие определения типов волокон, перечень основных характеристик и параметров одномодовых волокон, а также методов измерения и контроля этих параметров.

Стандарт G.651

Стандарт G.651 распространяется на многомодовое оптическое волокно с диаметром световедущей жилы 50 мкм и оболочки 125 мкм и на ВОК на его основе. В нем содержатся рекомендации по основным параметрам этих волокон, контролируемым характеристикам и допустимым нормам. Этот тип волокна в настоящее время используется только в коротких, внутриобъектовых ВОЛС с рабочей длиной волны 0,85 и редко 1,31 мкм.

Стандарт G.652

Стандартное одномодовое волокно с несмещенной дисперсией классифицируется стандартом G.652 (получило широкое распространение с 1983 года). Его параметры оптимизированы для диапазона длин волн 1,31 мкм, в котором волокно имеет нулевую хроматическую дисперсию и минимальное затухание. Диаметр световедущей жилы волокна -- G.652 равен 9 мкм, а оболочки -- 125±2 мкм.

Это волокно используется для одноволновой и многоволновой передачи (спектральное уплотнение), в том числе в диапазоне длин волн 1,55 мкм и обеспечивает передачу информации со скоростями до 10 Гбит/с на средние расстояния (до 50 км). Использование волокна -- G.652 при более высоких скоростях передачи требует усложнения оконечной аппаратуры, что, в свою очередь, приводит к значительным финансовым затратам.

Стандарт G.653

Стандарт G.653 распространяется на одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией в области l=1,55 мкм. Это волокно имеет нулевую дисперсию в области минимальных потерь волокна, что достигается за счет более сложной структуры световедущей жилы, а именно специально заданному распределению коэффициента преломления по диаметру жилы.

Волокно типа G.653 используется в протяженных магистральных широкополосных линиях и сетях связи, оно обеспечивает передачу информации на несколько сотен километров со скоростями до 40 Гбит/с. Однако по нему можно передавать только один спектральный канал информации, то есть оно не может быть использовано в волоконно-оптических системах и сетях, в которых применяются волоконно-оптические усилители и плотное оптическое спектральное мультиплексирование (DWDM-технологии). Причина этого заключается в высоких уровнях световой мощности в волокне после усиления и высокой плотности спектрального уплотнения, т. е. необходимости одновременной передачи большого числа независимых спектральных каналов по одному волокну.

Высокая концентрация световой мощности в волокне -- G.653 из-за особенностей структуры жилы приводит к проявлению нелинейных эффектов и, в частности, четырехволновому смешению, которое проявляется при нулевой хроматической дисперсии и приводит в свою очередь к перекрестным помехам в линии.

Стандарт G.654

Стандарт G.654 содержит описание характеристик одномодового волокна и кабеля, имеющих минимальные потери на l=1,55 мкм. Это волокно было разработано для применения в подводных ВОЛС. За счет больших, чем у волокна стандарта G.653 размеров световедущей жилы, оно позволяет передавать более высокие уровни оптической мощности, но в то же время обладает более высокой хроматической дисперсией в диапазоне l=1,55 мкм. Волокно типа G.654 не предназначено для работы на какой-либо другой волне излучения кроме l=1,55 мкм.

Стандарт G.655

Стандарт G.655 относится к волокну со смещенной ненулевой дисперсией -- NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber). Это волокно предназначено для применения в магистральных волоконно-оптических линиях и глобальных сетях связи, использующих DWDM-технологии в диапазоне длин волн 1,55 мкм.

Волокно -- G.655 имеет слабую, контролируемую дисперсию в С полосе (l=1,53-1,56 мкм) и большой диаметр световедущей жилы по сравнению с волокном типа G.653. Это снижает проблему четырехволнового смешения и нелинейных эффектов и открывает возможности применения эффективных волоконно-оптических усилителей.

Вышеприведённая классификация оптических волокон по их основным характеристикам дана с точки зрения пользователя. Однако следует иметь в виду, что у производителей и поставщиков может быть своя классификация и маркировка, связанная с особенностями производства. Тем не менее, данные материалы помогут потребителям правильно сориентироваться при выборе ВОК для строительства новых и расширения действующих ВОЛС.

Рост скорости передачи в оптических волокнах

Потребности в новых типах оптических волокон определяются, прежде всего, постоянно растущими требованиями на скорость передачи информации в коммерческих системах. Наличие в многомодовых волокнах межмодовой дисперсии, существенно ограничивающей скорость передачи сигнала, привело к переходу на одномодовые волокна.



Рис.8 Диаграмма роста скорости передачи

На рисунке 8 приведена диаграмма роста скорости передачи в коммерческих системах на основе одномодового волокна за период с 1980 г по 2000 г. Как видно из этой диаграммы рост скорости передачи постоянно опережает делаемые прогнозы. Такое несовпадение прогнозов с реальностью объясняется тем, что при прогнозировании учитывается текущее состояние дел в отрасли, но появление новых технологий приводит к резкому, скачкообразному росту скорости передачи.

Рост скорости передачи ведет к постоянному уменьшению стоимости передачи. В связи с чем возникает новая коммерческая ситуация, растет спрос, что позволяет найти средства на разработку нового "технологического скачка" и так далее. Такое "спиралевидное" развитие бизнеса и технологических разработок приводит к тому, что сделать прогноз на 10 лет вперед становится фактически невозможно.

Так, например, такой важный рубеж, как достижение скорости передачи 1000 Гбит/сек, прогнозировался после 2000 года. Однако уже в начале этого года появились публикации о том, что фирма "Пиррели" готова производить системы, способные передавать 1000 Гбит/сек по одному волокну.

Технология уплотнения сигнала в волоконно-оптических линиях связи

Такого впечатляющего результата удалось достичь за счет перехода к методу частотного уплотнения сигнала. Большинство линий в мире использует метод временного уплотнения сигнала(см.рисунок 9), при котором несколько электрических сигналов передаются в волокно последовательно, один за другим из каждого канала.

Рис.9 Временное уплотнение

К сожалению, скорость такого метода принципиально ограничена - при модуляции лазера это 1 Гбит/сек, при использовании внешнего модулятора 10 Гбит/сек. Но переход за пределы 10 Гбит/сек в такой системе представляется затруднительным как из-за сложности оптических компонент, так и из-за проблем с разработкой электроники, работающей на таких частотах.

Оказалось, что более перспективным способом решения этой проблемы является использование метода частотного уплотнения(см.рис. 10).

Рис.10 Частотное уплотнение

Суть этого метода в том, что в волокно вводятся несколько сигналов разной длины волны, лучей "разного цвета", каждый из которых несет свой сигнал, и эти сигналы никак между собой не взаимодействуют. Таким образом, введя 100 сигналов со скоростью передачи 10 Гбит/сек каждый, получим суммарную скорость передачи 1000 Гбит/сек.

Однако для реализации этого метода необходимо быть уверенным, что передаваемые сигналы не искажаются, и что сигналы с разными частотами не взаимодействуют между собой.

Влияние дисперсии в цифровых системах связи

Известно, что в одномодовых волокнах существует явление дисперсии, то есть различные спектральные компоненты распространяются с разными скоростями. Из-за того, что спектр оптического источника имеет конечную ширину, дисперсия приводит к уширению передаваемого по волокну импульса и при достаточной длине пробега сигнала по волокну становится невозможным различить два соседних импульса, т.е. отличить "0" от "1".

Так же оказалось, что при передачи по одномодовому волокну сигналов разных частот, в волокне могут возникнуть нелинейные явления. Одним из таких нелинейных эффектов является четырехволновое смешение. Суть его в том, что при передаче четырех достаточно мощных сигналов разной частоты возникают компоненты на кратных частотах. Возникает этот эффект из-за взаимодействия световой волны большой амплитуды со средой, волна, как бы модулирует среду, создаст в ней "бегущую решетку". Другие волны, в свою очередь, взаимодействуют с этой решеткой. Решить эту проблему позволяет создание в волокне небольшого уровня дисперсии. Дисперсия приведет к расфазированию "бегущих решеток" и исчезновению паразитных компонент сигнала.

Влияние дисперсии

· 1. Слишком большая дисперсия приводит к битовым ошибкам



Рис.11 Битовый код 101 на выходе из волокна

· 2. Слишком малая дисперсия приводит к перекрёстным помехам из-за четырёхволнового смешения

Рис.12-13 1)Волокно со смещенной(нулевой) дисперсией

Спектр сигнала после прохождения 25 км искажен четырёхволновым искажением. 2)Волокно со смещённой, но ненулевой дисперсией. Спектр сигнала после прохождения 50 км

Дисперсия в одномодовом волокне складывается из хроматической и волноводной, при этом они имеют разный знак. Как оказалось, существует возможность управлять величиной волноводной дисперсии, подбирая форму профиля показателя преломления.

Волокно NZDS

Стандартное одномодовое волокно, имеющее ступенчатый профиль показателя преломления, было разработано, так, что, нулевое значение дисперсии пришлось на длину волны 1,31 мкм. (второе окно прозрачности).

Со временем оказалось, что более перспективным с точки зрения оптической связи является длина волны 1,55 мкм - 3-е окно прозрачности. Было разработано волокно с нулевой дисперсии на длине волны 1,55 мкм, так называемое волокно со смещенной дисперсией (DS). Это было сделано путем изменения профиля показателя преломления, что увеличило волноводную дисперсию.

Следующим шагом явилась разработка волокна со смещенной ненулевой дисперсией (NZDS), позволившего решить задачу подавления нелинейных эффектов, упомянутых выше.

Модификация профиля показателя преломления увеличивает волноводную составляющую дисперсии

Рис.14-16 Волокно со смещённой,но ненулевой дисперсией(NZDS*)

Поскольку дисперсия в NZDS меньше, чем в стандартном волокне (см.табл.1), то расстояние, на которое можно передать сигнал без компенсаторов дисперсии, возрастает. Наиболее заметным это становится начиная со скоростей передачи 10 Гбит/сек.

Таблица 1 Характеристики волокна NZDS

Принцип балансировки дисперсии

Меняя форму профиля показателя преломления (глубину провалов), существует возможность создавать NZDS-волокна как с положительной, так и с отрицательной величиной дисперсии, что открывает возможность сбалансировать дисперсию в оптической линии без использования дополнительных устройств. Принцип такой балансировки показан на рисунке 17.

Рис.17 Схема балансировки дисперсии в оптической линии

Суть его в том что отрезки волокон с положительной и отрицательной дисперсией чередуются, в результате чего вызванные дисперсией искажения импульса сигнала в "плюс"-волокне компенсируются в "минус"-волокне. При этом в любой точке линии существует необходимый для подавления нелинейных эффектов уровень дисперсии.

Существует также возможность компенсировать дисперсию и в линиях построенных из стандартного волокна установкой в линию волоконных дисперсионных компенсаторов. Дисперсионный компенсатор представляет собой бухту из волокна с большим уровнем дисперсии. Однако встраивание в линию таких компенсаторов приводит к необходимости увеличения мощности, а соответственно, и стоимости оптических усилителей.

Две разновидности волокна NZDS

На сегодняшний день существует два подхода к созданию волокон со смещенной ненулевой дисперсией. Различие между ними заключается, в основном, в выборе диаметра ведущей жилы.

В волокнах изготавливаемых фирмами Lucent Technology и Fujikura диаметр модового поля составляет 8,4 мкм, в волокнах фирмы Corning - 9,5 мкм. Уменьшение диаметра модового поля приводит к усилению нелинейных эффектов, что компенсируется увеличением уровня дисперсии.

Оба вышеперечисленных типа волокон в равной мере обеспечивают подавление нелинейных эффектов. Однако волокна Lucent и Fujikura обладают меньшими потерями на сгибах и более пологой дисперсионной кривой. Доля рынка NZDS-волокон Lucent Technology и Fujikura составляет 70%, Corning - 30%(см.табл.2).

Таблица 2. Сравнение волокон

Перспективы применения NZDS волокна

В настоящий момент перспектива использования NZDS-волокна в России представляется следующим образом: время жизни оптической линии составляет порядка 25-ти лет, учитывая тенденции развития технологии, весьма вероятно, что за 25 лет придется от 2-х до 4-х раз обновить оконечное оборудования. Исходя из этого, представляется целесообразным уже сейчас использовать при прокладке линий NZDS-волокно с учетом будущей перспективы перехода на частотное уплотнение или другие, возможные технологические новшества в области передачи сигнала. Многие фирмы за рубежом и ряд отечественных компаний уже используют при прокладке линий кабель, содержащий NZDS-волокна. Существуют два варианта прокладки кабеля с NZDS-волокном: чередование отрезков кабеля содержащих волокна с разным знаком дисперсии, или использование "сбалансированного" по дисперсии кабеля. "Сбалансированный" кабель содержит пары волокон как с положительной, так и с отрицательной дисперсией, "плюс" и "минус" волокна окрашены в разные цвета. При монтаже волокна просто "перекрещиваются", как показано на рисунке 19.

Рис.19 Схема монтажа сбалансированного по дисперсии оптического кабеля

Второй вариант, очевидно, является более предпочтительным, поскольку оставляет возможность для изменения конфигурации сети и ответвлений (в каждой точке линии есть и "плюс" и "минус" волокна), а также гарантирует от ошибок при прокладке. Выпуск "сбалансированного" кабеля на основе волокна со смещенной ненулевой дисперсией освоен заводом "Электропровод".

Механические свойства волокон со смещенной ненулевой дисперсией и требования по их каблированию не отличаются от аналогичных свойств стандартных одномодовых волокон. Поэтому при производстве оптического кабеля на основе NZDS-волокна можно использовать стандартные, хорошо отработанные технологии.

Волоконно-оптические технологии создания фотонных кристаллов

Создание фотонных кристаллов и так называемых „дырчатых» световодов на их основе является одним из наиболее значительных достижений оптических технологий последних лет. Это новое научное направление в настоящее время бурно развивается: в мире стремительно растет число научных групп, занимающихся исследованиями фотонных кристаллов, открываются новые потенциальные области их применения. В России проблемой дырчатых световодов занимается группа ученых Центра волоконной оптики ИОФАН во главе с академиком Е.М. Диановым и группа сотрудников Института радиотехники и электроники РАН.

Представления о зонной структуре твердых тел (полупроводников), согласно которым для носителей заряда (электронов), находящихся в периодическом потенциале кристаллической решетки, существуют определенные разрешенные и запрещенные энергетические состояния (зоны), обусловленные этим потенциалом, легли в основу идеи о возможности создания фотонных кристаллов. Эти представления являются основой всей современной микроэлектроники.

По аналогии с зонной структурой вещества, некоторыми учеными в середине 70-х годов прошлого столетия была высказана идея о возможности создания среды, имеющей оптическую зонную структуру, в которой существуют разрешенные и запрещенные состояния для фотонов (квантов света) с различными энергиями. Была предложена модель среды, в которой роль периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости (коэффициента преломления) в волноведущей среде. Теоретически такая среда открывала широкие перспективы для реализации целого ряда идей по разработке нового поколения оптических приборов.

Однако на пути создания данной среды стояли большие технологические трудности. Первый материал, моделирующий фотонный кристалл в миллиметровом диапазоне волн, был создан в 1991 г. и представлял собой стержень из диэлектрика с показателем преломления 3,6, в котором были просверлены отверстия диаметром 1 мм на расстоянии такого же порядка. Экспериментальные исследования подтвердили, что структура обладает свойствами фотонного кристалла в миллиметровом диапазоне волн. Для реализации фотонных кристаллов в оптическом диапазоне волн требовалось в подобном материале создать отверстия с диаметром примерно в один микрон, пространственно разделенные между собой расстоянием в один микрон. Однако оказалось, что это невозможно осуществить практически.

Тогда возникла идея использования волоконно-оптических технологий для создания фотонных кристаллов. Стандартное оптическое волокно вытягивается при температуре 2000 °С из заготовки, представляющей собой кварцевый стержень с легированной областью соответствующего диаметра в центре. При этом заготовка трансформируется в оптическое волокно с наружным диаметром 125 мкм и соответствующим размером световедущей жилы (в зависимости от типа волокна). По этому принципу было решено попробовать вытянуть волокно, имеющее структуру фотонного кристалла.

Для этого существуют два пути. Можно взять кварцевый стержень и просверлить в нем отверстия диаметром порядка одного миллиметра. Эта идея была осуществлена практически, но её реализация является довольно дорогой и малопроизводительной для создания волокна. Второй путь заключается в следующем: в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковываются капилляры диаметром порядка 1 мм с направляющим стержнем из того же кварцевого стекла, расположенным между капиллярами. Затем из полученной таким образом заготовки вытягивается оптическое волокно. Необходимо добавить, что в обоих случаях производится двухступенчатая перетяжка заготовки, в процессе которой все размеры уменьшаются примерно в 10000 раз.

Первое такое волокно длиной порядка 100 м было получено в 1995 г. сотрудниками фирмы Blaze Photonics, Англия. (Поперечное сечение волокна показано на рис. 20). Диаметр полых каналов, проходящих по всей длине волокна, составлял 0,3 мкм, расстояние между центрами каналов -- 23 мкм. В поперечном сечении волокно имело гексагональную форму, что определялось структурой укладки капилляров в трубке.

Рис.20 Поперечное сечение дырчатого волокна со сплошной световедущей жилой в центре

После этого появилось большое число сообщений о создании таких волокон в целом ряде научно-исследовательских центров различных стран.

Два типа волоконных световодов со структурой фотонных кристаллов

В настоящее время известны два типа волоконных световодов со структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со сплошной световедущей жилой, о которых упоминалось выше, и волоконные световоды с полой световедущей жилой. В России и те, и другие называются дырчатыми волокнами, хотя на самом деле между ними существует важное различие в механизмах, обеспечивающих волноведущие свойства световодов.

Дырчатый световод со сплошной световедущей жилой представляет собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами), имеющей более низкий средний коэффициент преломления по отношению к жиле. Поэтому волноведущие свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла. Наличие оболочки в виде фотонного кристалла существенно отличает дырчатые волокна от обычных волоконных световодов.

Количество направляемых мод в сплошной световедущей жиле такого волокна определяется только величиной отношения диаметра d воздушных каналов к расстоянию между их осями А. При этом для случая (d/A~0,2) дырчатые световоды являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварца. Ученые, впервые получившие дырчатое волокно, наблюдали такое явление: в световедущей жиле в широком спектральном диапазоне (более 2-х октав) распространялись только моды низшего (нулевого) порядка, а все высшие моды уходили в оболочку и затухали. Такой эффект был назван ими модифицированным эффектом полного внутреннего отражения, когда зонная структура фотонного кристалла проявляется только косвенным образом, а волноведущие свойства его для мод нулевого порядка определяются эффектом полного внутреннего отражения. В этой ситуации необязательной является строгая периодичность расположения полых каналов в оболочке, поскольку определяющим фактором является величина ее среднего коэффициента преломления. Наличие полостей в оболочке позволяет более чем на порядок увеличить разность показателей преломления световедущей жилы и оболочки по сравнению со стандартным волокном. Этим в основном и определяются принципиально новые свойства дырчатых волокон, отличающие их от обычных волоконных световодов. Помимо отмеченной выше возможности создания одномодовых дырчатых волоконных световодов для очень широкого спектрального диапазона, необычными являются их дисперсионные свойства, которые зависят от размеров воздушных каналов и их взаимного расположения. Эти волокна могут иметь аномальную дисперсию в значительно более коротковолновой области спектра, чем обычные световоды, вплоть до длин волн l~0,8 мкм; абсолютная величина дисперсии в дырчатых волокнах может на порядок превышать значения дисперсии в стандартных одномодовых волокнах и достигать 103 пc/(нм*км), а зависимость дисперсии от длины волны в широком спектральном диапазоне может быть очень слабой.