Разработка учебного модуля по теме «Пропускная способность современных оптических волокон»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА УЧЕБНОГО МОДУЛЯ ПО ТЕМЕ «ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН «

Работу выполнил Пешехонов Александр Николаевич Специальность 210 401 — Физика и техника оптической связи Научный руководитель доцент В. С. Дорош Краснодар 2012

РЕФЕРАТ

Пешехонов А.Н. РАЗРАБОТКА УЧЕБНОГО МОДУЛЯ ПО ТЕМЕ «ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН «

Дипломная работа: 59 с., 15 рис., 3 табл., 20 источников.

МАТЕРИАЛЬНАЯ ДИСПЕРСИЯ, ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ, ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ, ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, ВОЛНОВОДНАЯ ДИСПЕРСИЯ, СПЕКТРАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ КАНАЛОВ, ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ Целью данной работы является изучение свойств и характеристик оптических волокон и разработка учебно-методических материалов по пропускной способности современных оптических волокон.

Объектом исследования — пропускная способность оптических волокон и разработка учебного модуля.

В результате выполнения дипломной изучены свойства и характеристики оптических волокон, разработаны учебно-методические материалы по пропускной способности оптических волокон. Составлена презентация. Обновлен тренировочно-обучающий тест.

оптическое волокно компенсатор мультиплексирование Обозначения и сокращения Введение

1. Свойства оптических волокон

1.1 Параметры оптических волокон

1.2 Потери в оптических волокнах

1.3 Дисперсия сигналов в оптических волокнах

1.3.1 Межмодовая дисперсия

1.3.2 Хроматическая дисперсия

1.3.3 Материальная дисперсия

1.3.4 Волноводная дисперсия

1.4 Поляризованная модовая дисперсия

2. Способы увеличения пропускной способности оптических волокон

2.1 Применение компенсаторов дисперсии

2.2 Мультиплексирование

2.2.1 Волновое мультиплексирование

2.2.2 Временное мультиплексирование

3. Расчёты пропускной способности различных оптических волокон

3.1 Возможности многомодовых оптических волокон G.651

3.2 Пропускная способность оптических волокон G.652

3.3 Пропускная способность одномодовых оптических волокон G.655

3.4 Возможности одномодовых оптических волокон G.656

3.5 Пропускная способность оптических волокон G.657

3.6 Методы увеличения пропускной способности оптических волокон

4. Разработка учебных материалов по теме «Пропускная способность современных оптических волокон «

4.1 Разработка конспекта лекции

4.2 Разработка учебной презентации

4.3 Разработка учебного тренировочного теста Заключение Список использованных источников

Обозначения и сокращения

Оптическое волокно в настоящее время является самой совершенной физической средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Поэтому не случайно при построении современных информационных сетей наиболее часто используются волоконно-оптические кабели и системы.

До 2015 г. в России предполагается полная интеграция существующих сетей (включая сети подвижной связи, вещания и сеть Интернет) в единую федерацию сетей.

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме «CORNING») оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Важнейший из компонентов ВОЛС — оптическое волокно. За десятилетний период времени на магистральных и внутризоновых сетях общего пользования и технологических сетях было построено 140 тыс. км оптических линий связи. При сохранении темпов строительства только к 2030 г. удастся заменить кабельные линии с медными жилами на сетях общего пользования и транспортная инфраструктура оптических кабельных линий по протяженности будет составлять 636 тыс. км. В настоящее время производство волоконных световодов превышает 100 млн. км. в год.

Потребность в высоких скоростях постоянно возрастает. Каждые 10 лет происходит увеличение скорости передачи данных в 100 раз. Таким образом, представляется, что тема настоящей дипломной работы, посвященной изучению свойств и характеристик оптических волокон и разработка учебно-методических материалов по пропускной способности оптических волокон, является весьма актуальной.

За десятилетний период времени на магистральных и внутризоновых сетях общего пользования и технологических сетях было построено 140 тыс. км оптических линий связи. При сохранении темпов строительства только к 2030 г. удастся заменить кабельные линии с медными жилами на сетях общего пользования и транспортная инфраструктура оптических кабельных линий по протяженности будет составлять 636 тыс. км. В настоящее время производство волоконных световодов превышает 100 млн. км. в год.

В настоящее время по оптическому волокну получены суммарные рекордные скорости передачи 14 Тбит/с, при этом скорость передачи в одном канале была достигнута 1 Тбит/с; количество каналов в одном волокне составило 1000 при скорости передачи 3,25 Гбит/с. Однако, для коммерческого применения используется не более 100 каналов при скорости передачи 40 Гбит/с.

Целью данной работы является изучение свойств и характеристик оптических волокон и разработка учебно-методических материалов по пропускной способности оптических волокон.

При этом существенно важным является решение следующих задач:

— изучение пропускной способности и методов увеличения скорости передачи в современных волокнах и кабелях;

— сравнение пропускной способности оптических волокон (G.651, G.652, G.655, G.656, G.657) и кабелей на их основе;

— разработка презентаций по теме «Пропускная способность оптических волокон «;

— составление тренировочного обучающего теста.

1. Свойства оптических волокон

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрометров. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон [5]:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрометров в европейском стандарте и 62,5 микрометров в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.

Оптическое волокно (ОВ), как показано на рисунке 1, состоит из сердцевины, по которой распространяются световые волны, и оптической оболочки.

Рисунок 1 — Строение оптического волокна Назначение оптической оболочки — создание лучших условий отражения на границе «сердцевина — оболочка» и защита от излучения волн в окружающее пространство. Поверх оболочки наложено первичное защитно-упрочняющее покрытие (ПЗУП), которое повышает прочность оптического волокна.

Оптические волны распространяются в оптическом волокне при выполнении условия:

n _c >n _об

1.1 Параметры оптических волокон

Следует отметить, что существуют несколько видов параметров оптических волокон: геометрические, оптические, механические и параметры передачи оптических волокон.

Основными геометрическими параметрами ОВ являются: диаметр сердцевины; диаметр оболочки; диаметр защитного покрытия; некруглость (эллиптичность) сердцевины; некруглость оболочки; неконцентричность сердцевины и оболочки.

Рисунок 2 — Примеры неоднородностей в ОВ: а — некруглость;

б — неконцентричность сердцевины Некруглость сердцевины ОВ определяется как разность максимального и минимального диаметров сердцевины, деленная на номинальный диаметр сердцевины, и определяется только в многомодовых волокнах, некруглость оболочки — в многомодовых и одномодовых волокнах. Некруглость сердцевины ОВ (рисунок 2а) определяется из выражения:

(1)

где Н_с — некруглость сердцевины, %;

d_макс, d_мин — наибольший и наименьший диаметр сердцевины, мкм, соответственно;

d_н — номинальный диаметр сердцевины, мкм.

Некруглость оболочки ОВ определяется аналогично.

Неконцентричность сердцевины относительно оболочки определяется как расстояние между центрами оболочки и сердцевины ОВ (рисунок 2б) и определяется из выражения:

(2)

где Н_с/ _ неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм;

Ц_с — координаты центра сердцевины, мкм;

Ц_о — координата центра оболочки, мкм.

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов ОВ.

Поэтому остановимся более подробно на оптических параметрах ОВ.

Основными оптическими параметрами волокна являются:

— относительная разность показателей преломления (Д);

— числовая апертура (NА);

— нормированная частота (v);

— число распространяющихся мод (М);

— диаметр модового поля (d_мп);

— длина волны отсечки (критическая длина волны л_кр).

Числовая апертура. Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:

— оптических волокон со ступенчатым ППП

(3)

— оптического волокна с градиентным профилем ППП

(4)

В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Ее значение максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина — оболочка.

Нормированная частота. Этот параметр, определяющий число мод, равен:

(5)

где л — длина волны.

К параметрам передачи ОВ относятся:

— коэффициент затухания;

— дисперсия ООВ;

— ширина полосы пропускания МОВ.

Коэффициент затухании оптического сигнала. Затухание в оптическом волокне — это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны.

Затухание в ОВ выражается в дБ. Коэффициент затухания в ОВ — это величина затухания на единице длины волокна и выражается в дБ/км. Коэффициент затухания в ОВ обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде:

(6)

где б_рр, б_пт, б_ик, б_пр — составляющие коэффициента затухания за счет релеевского рассеяния, поглощения в материале волокна, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях ОВ, соответственно.

К механическим параметрам ОВ относятся:

— прочность волокна;

— динамическая прочность на разрыв;

— параметр нагрузки разрушения;

— стойкость к изгибам;

— усилие снятия защитного покрытия.

Анализируя вышеизложенные параметры оптических волокон, мы убедились, что есть основания считать, что оптическое волокно считается не только самой совершенной физической средой для передачи информации, но и самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

1.2 Потери в оптических волокнах

Наиболее распространенными, дешевыми и популярными приборами для измерения потерь являются измерители оптической мощности, обычно используемые в паре с источником стабильного оптического излучения.

Измерители оптической мощности (ИОМ) используются для измерения выходной мощности пассивных и активных компонентов волоконно-оптической системы. Многие ИОМ могут отображать непосредственно потери в волокне или на отдельных компонентах оптической кабельной системы. Для этого в них предусмотрен режим измерения относительных уровней мощности, с помощью которого запоминается какой-либо опорный уровень (например, уровень мощности излучения источника света), а все последующие измерения проводятся относительно этого уровня.

Трудно переоценить роль потерь при эксплуатации оптического кабеля, ведь их величина определяет способность волокон справляться с трансляцией потока передаваемой информации на необходимое расстояние, в том числе при усложнении структуры сети или увеличении скорости работы передающих систем. Знание величины потерь необходимо для контроля запаса кабельной системы на ремонт и модернизацию. При прокладке кабеля знание затухания мощности передаваемого сигнала в оптических волокнах имеет большое значение, ведь от этого впоследствии зависит способность среды распространения света передавать сигналы без искажения на большие расстояния. Поэтому процедура тестирования кабеля после его получения с завода-изготовителя (входной контроль) очень важна, так же как и контроль потерь при инсталляции. Потребности в быстрой передаче, особенно на большие расстояния, приводят к изменению старых и появлению новых принципов и технологий передачи сигналов. Расширяющаяся сфера применения оптического волокна и увеличивающееся влияние эффектов, которым раньше просто не уделяли внимание, заставляет искать пути преодоления различных ограничений, как по скорости передачи, перекрываемым расстояниям, так и по точности передачи формы сигналов. Начинают меняться требования к среде передачи, которая реагирует на новые условия усложнением структуры. В свою очередь, изменения структуры среды передачи приводят к появлению новых факторов и явлений, без учета которых невозможно правильно оценить работоспособность волокна и пригодность его для тех или иных применений. Таким образом, повышение скорости, увеличение объемов передаваемой информации и расширение области применения волоконной оптики приводят к изменениям технологий передачи и самой среды распространения света, что, в свою очередь, влечет за собой появление других ограничивающих факторов и, соответственно, очередное изменение среды. Все это не может не влиять на методы измерения, которые обязаны учитывать новейшие веяния в современных технологиях связи, однако влияние таких факторов не является революционным. Изменение структур и качества среды передачи оптических сигналов приводит к плавному повышению требований к техническим параметрам измерительных приборов для тестирования волоконных световодов до тех пор, пока не достигнут порог максимальных возможностей парка современного измерительного оборудования, после чего обычно происходит качественный скачок в методах и средствах измерений.

Потери оптической мощности (затухание) — это уменьшение светового сигнала, распространяющегося в среде по мере увеличения пройденного расстояния, включающее в себя все потери, возникающие при передаче. Поэтому в высокоскоростных системах передачи точное знание затухания в кабеле и компонентах кабельной системы является определяющим для оценки его работоспособности и определения запаса оптической среды по скорости передачи и бюджету потерь.

Прямые потери — это ослабление сигнала при прохождении от источника излучения к фотоприемнику, расположенному на дальнем конце оптического волокна. Этот вид потерь накладывает ограничения на расстояние и, косвенным образом, на ширину полосы пропускания волокна, а следовательно, и на скорость передачи. Прямые потери разделяют на потери на поглощение и потери на рассеяние. Потери на поглощение, в свою очередь, делятся на потери на инфракрасное поглощение (преобладает на длинах волн > 1500 нм) и ультрафиолетовое поглощение (действует до длины волны 1400 нм). Потери на рассеяние делятся на потери за счет рассеяния Рэлея, рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние (последние два вида преобладают в системах с высокой мощностью передаваемого сигнала).

Возвратные потери имеют большое значение для качественной передачи сигналов и определяют величину возвратившейся к источнику излучения оптической мощности. Они представляют собой логарифмическое отношение отраженного и прямого сигналов и измеряются в децибелах с отрицательным знаком. Чем больше величина возвратных потерь (по абсолютному значению, т. е. без учета знака), тем меньше вернувшаяся к источнику оптическая мощность и, следовательно, лучше условия работы источника оптического излучения. Определяют два метода измерения затухания: метод обрыва и метод вносимых потерь.

1.3 Дисперсия сигналов в оптических волокнах

Важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая определяет его информационную пропускную способность.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме (рисунок 3).

Рисунок 3 — Влияние дисперсии Дисперсия — это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе 0В:

ф =t (7)

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:

— различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией),

— направляющими свойствами оптического волокна (волноводной дисперсией),

— параметрами материала, из которого оно изготовлено (материальной дисперсией).

Рисунок 4 — Виды дисперсии Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны — некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн (хроматическая дисперсия).

1.3.1 Межмодовая дисперсия

Она преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны одинакова для всех мод. Различие путей распространения направляемых мод на фиксированной частоте (длине волны) излучения оптического источника приводит к тому, что время прохождения этих мод по ОВ различно. В результате образуемый ими импульс на выходе ОВ уширяется. Величина уширения импульса равна разности времени распространения самой медленной и самой быстрой мод. Указанное явление носит название межмодовой дисперсии.

Формулу расчета межмодовой дисперсии можно получить, рассматривая геометрическую модель распространения направляемых мод в ОВ. Любая направляемая мода в ступенчатом ОВ может быть представлена световым лучом, который при движении вдоль волокна многократно испытывает полное внутреннее отражение от поверхности раздела «сердцевина-оболочка». Исключением является основная мода НЕ₁₁, которая описывается световым лучом, движущимся без отражения вдоль оси волокна.

При длине ОВ, равной L, длина зигзагообразного пути, пройденного лучом света, распространяющимся под углом и_z к оси волокна, составляет L/cos и_z (рисунок 5).

Рисунок 5 — Пути распространения световых лучей в двухслойном ОВ Скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны л одинакова в рассматриваемом волокне и равна :

U₁= (8)

где с — скорость света, км/с.

Обычно в ОВ n₁? n₂, поэтому принимает вид :

(9)

где — относительное значение показателей преломления сердцевина-оболочка.

Из формулы видно, что уширение импульсов, обусловленное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ эту разность стремятся сделать как можно меньше.

На практике же из-за наличия неоднородностей (главным образом, микроизгибов) отдельные моды при прохождении по ОВ воздействуют друг на друга и обмениваются энергией.

Межмодовую дисперсию в ступенчатых ОВ можно полностью исключить, если соответствующим образом подобрать структурные параметры ОВ. Так, если сделать размеры сердцевины и? настолько малыми, то по волокну будет распространяться на несущей длине волны только одна мода, т. е. модовая дисперсия будет отсутствовать. Такие волокна называются одномодовыми. Они имеют наибольшую пропускную способность. С их помощью могут быть организованы большие пучки каналов на магистралях связи.

Дисперсия импульсов может быть также существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля преломления по сечению сердцевины ОВ. Так, дисперсия уменьшается при переходе к градиентным ОВ. Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, ниже на порядок и более чем у ступенчатых волокон.

В таких градиентных ОВ в противоположность ОВ со ступенчатым профилем распространения, лучи света распространяются уже не зигзагообразно, а по волноили винтообразным спиральным траекториям.

1.3.2 Хроматическая дисперсия

Слово «хроматическая» указывает на то, что этот вид дисперсии связан с цветом или имеет к нему какое-то отношение. Поняв это, вы могли бы предположить, что хроматическая дисперсия должна означать расплывание или диспергирование цвета. В этом случае вы были бы недалеки от истины. Любой световой импульс, как бы точно ни был настроен лазер, содержит в себе целый спектр волн с различными частотами, которые в случае видимого диапазона мы назвали бы различными цветами. Эти лучи будут распространяться вдоль оптического кабеля с различными скоростями, поскольку испытываемое ими сопротивление вещества, для выражения которого используется показатель преломления R, оказывается различным для волн различной длины. Чем больше длина волны, тем больше значение R. Результатом всего этого является то, что по мере распространения сигнала вдоль кабеля волновой пакет расплывается. При достаточно большом расплывании волнового пакета сигнал становится неразборчивым.

При определенной длине волны эти два фактора — дисперсия в веществе и дисперсия в световоде — взаимно погашают друг друга. И этой длиной волны, как вы, конечно же, догадались, является 1310 нм. Перейдите на эту длину волны, и дисперсия сведется к минимуму.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, в виду отсутствия межмодовой дисперсии.

1.3.3 Материальная дисперсия

Материальная дисперсия (D_M) вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями.

Известно соотношение, определяющее показатель преломления :

n= (10)

где с — скорость света в вакууме, a v — скорость исследуемой волны в данном материале. Конечно, интересующим нас материалом является кварцевое стекло (SiO2). Проблема в том, что каждая волна распространяется в данном материале со скоростями, несколько отличающимися друг от друга.

Длина волны нулевой дисперсии для оптических волокон зависит также от диаметра сердечника и вклада шага D показателя преломления в сечении волновода в полную дисперсию.

Следует указать, что волноводная дисперсия сдвигает длину волны нулевой дисперсии на 30−40 нм, так что полная дисперсия оказывается равной нулю около 1310 нм для промышленных волокон.

Материальная дисперсия — главная составляющая дисперсии в системах с одномодовым волокном. Для систем с многомодовым волокном вклад материальной дисперсии в полную дисперсию фактически незначителен. Основной здесь является модовая дисперсия.

В процессе эволюции ВОСП работа на длине волны вблизи нуля дисперсии была очень привлекательной. Однако системы с меньшими скоростями работали в полосе прозрачности 1550 нм, где потери на километр кабеля были минимальны. Было бы замечательно, если бы мы смогли перенести область нулевой дисперсии в полосу прозрачности 1550 нм.

1.3.4 Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны г = ш (л). Являясь составной частью хроматической дисперсии (так же, как и материальная дисперсия), волноводная дисперсия зависит от ширины передаваемого спектра частот.

Удельная волноводная дисперсия так же, как и удельная материальная дисперсия, выражается в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра (таблица 1).

Таблица 1 — Удельная волноводная дисперсия

Вблизи длины волны л? 1,35 мкм происходит взаимная компенсация материальной и волноводной дисперсии. Из-за этого волна 1,3 мкм получает широкое применение при передаче по одномодовым волокнам, однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм. Поэтому для достижения минимума дисперсии приходится варьировать профиль показателя преломления и диаметр сердечника. При сложном трехслойном профиле показателя преломления можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.

1.4 Поляризованная модовая дисперсия

Поляризационной модовой дисперсии (ПМД) можно дать следующее пояснение. В одномодовом ОВ в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды — две перпендикулярные поляризации исходного сигнала (две ортогонально поляризованные волны LP₀₁). В идеальном однородном по геометрии волокне распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ООВ имеют неидеальные геометрические параметры и при внешних воздействиях на них в кабеле, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации, и как следствие к появлению ПМД. Итак ПМД возникает вследствие задержки распространения ортогонально поляризованных световых волн в ООВ с овальным (нециркулярным) профилем сердцевины.

Рисунок 8 — Появление поляризационной модовой дисперсии Поляризационной модовая дисперсия растет с ростом расстояния по закону:

ф _pmd =k _pmd (11)

где k _pmd — коэффициент удельной поляризационной дисперсии, который нормируется в расчете на 1 км.

В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь. Поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых ОВ с эллиптической (нециркулярной) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (2,5 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной линией излучения 0,1 нм и менее. Проблема поляризационной модовой задержки возникает, например, при обсуждении проектов построения супермагистралей (>100 Гбит/с) городского масштаба.

2. Способы увеличения пропускной способности оптических волокон

Существует два способа увеличения пропускной способности проложенных оптических кабелей, предусматривающие использование:

— мультиплексора с разделением по длине волны — оптического смесителя, позволяющего пропускать по одному волокну одновременно несколько длин волн. Это мультиплексирование не решает проблему расстояния на гигабитных скоростях, поскольку не влияет на соотношение пропускная способность расстояние. Стоимость оборудования для мультиплексирования сравнима с прокладкой нового кабеля;

— оборудования, увеличивающего полосу пропускания, — специальный тип соединительных кабелей (патч-кордов), позволяющих отбросить некоторые из оптических мод высшего порядка. Это увеличивает затухание и полосу пропускания. Для определения оптимального соотношения затухания и полосы пропускания сначала проводятся примерные расчеты, после чего каждое волокно тестируется.

2.1 Применение компенсаторов дисперсии

Существует два метода компенсации дисперсии: компенсация дисперсии на основе Бреговcких решеток (FBG) и с помощью волокон, компенсирующих дисперсию (DCF). Более современная технология на основе Бреговских решеток является более дешевой в применении, вносит меньшие проходные потери, вносит меньшие задержки в сигнал чем традиционная технология DCF. Новейшее применение технологии (FBG) заключается в интеграции бреговской решетки в оптический пачкорд (см. фото). Данное решение избавляет от необходимости применять отдельное устройство для компенсации дисперсии. Модуль с функцией компенсации дисперсии (DCM-PC) сочетает в себе функционал компенсатора дисперсии с помощью Бреговской решетки (с равномерно изменяющимся периодом) и простоту обыкновенного оптического пачкорда (рисунок 9). Быстрая, экономичная и эффективный метод компенсации дисперсии в подобных устройствах облегчает проектирование сложных систем, ускоряет ввод в эксплуатацию систем CDWM DWDM, позволяет значительно экономить место на узлах связи.

Модуль компенсации дисперсии предназначен для разработчиков xWDM систем и для операторов связи, которым требуется простой и экономичный способ компенсации дисперсии. Применение устройств DMC-PC возможно в различных системах, начиная от обычных TDM и DWDM масштаба города или междугородних магистралях DWDM и заканчивая применением модулей компенсации дисперсии на терминалах подводных магистральных линий DWDM. Кроме того, применение DMC-PC может значительно увеличить протяженность линии связи.

Удобно компенсировать дисперсию на отдельных каналах DWDM с помощью пачкордов DMC-PC. Для технологии SONET/SDH крайне важны низкие проходные потери, обеспечиваемые данным устройством. Более низкие проходные потери снижают расходы на усиление сигналов в кольцах SONET/SDH и увеличивают дальность работы оптических трансиверов.

Модули компенсации дисперсии DMC-PC можно использовать также для устранения различий в дисперсионных характеристиках оптических трансиверов на 10 Gbps и на 40 Gbps при работе этих устройств в одной системе на разных DWDM каналах.

Дисперсия выступает фактором ограничения скорости передачи оптических импульсных сигналов в одномодовом стекловолокне. Особенно заметно это ограничение на скоростях 10 Гбит и выше. Например, при скорости 2,5 Гбит/с сигнал может быть передан на расстояние до 1000 км без видимых искажений на длине волны 1,3 мкм в стандартном волокне G.652. Уже при скорости 10 Гбит/с дальность передачи не превысит 60 км в этом же волокне, а при скорости в 20 Гбит/с она будет только 15 км.

Управление дисперсией является важной частью проектирования линейных трактов. При этом необходимо уменьшить влияние как хроматической, так и поляризационной модовой дисперсии. При построении компенсаторов дисперсии используются методы создания волокон, компенсирующих дисперсию, и дифракционные решетки, например, интегральные и волоконные решетки Брэгга с линейно изменяющейся постоянной решетки. Пример использования волоконной решетки Брэгга в компенсаторе дисперсии приведен на рисунке 10.

Рисунок 10 — Компенсатор дисперсии на основе волоконной брэгговской решетки Кроме волоконных компенсаторов дисперсии в составе блоков применяются компенсаторы на перестраиваемых волноводных решетках, которые отличаются малыми габаритами, малыми потерями оптической мощности и большим диапазоном перестройки.

2.2 Мультиплексирование

В информационных технологиях и связи, мультиплексимрование (англ. multiplexing, muxing) — уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.

В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью — медный или оптический кабель, радиоканал.

В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.

Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором.

2.2.1 Волновое мультиплексирование

Волновое мультиплексирование используется практически уже более 10 лет и первоначально было основано на объединении двух основных несущих 1310 нм и 1550 нм (2-го и 3-го окон прозрачности) в одном оптоволокне, что позволяло удвоить емкость системы. Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов конфигурации.

Такие системы WDM называются широкополосными (разнос по длине волны 240 нм) в противовес узкополосным WDM, разнос в которых был на порядок ниже, около 24 нм, что давало возможность разместить в 3 окне (1550 нм) 4 канала. Такое деление систем кажется на данный момент не совсем корректным, так как у таких широкополосных систем WDM спектр не перекрывался, а состоял из двух изолированных полос.

С другой стороны, в настоящее время формируется класс действительно широкополосных систем WDM, перекрывающих в смежных окнах прозрачности (3-м и 4-м) полосу около 84 нм от 1528 до 1612 нм. Рассчитывать на взаимную совместимость оборудования разных производителей систем WDM тогда не приходилось, поскольку необходимо было стандартизовать ряд используемых оптических несущих и принять единый канальный частотный план, чтобы дать производителям и кабельным операторам ориентир на будущее, а также классифицировать уже существующие WDM системы.

Технология плотного волнового (спектрального) мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Такой качественный скачок производительности обеспечивает принципиально иной, нежели у SDH, метод мультиплексирования — информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн (лямбд — от традиционного для физики обозначения длины волны). Каждая волна несет собственную информацию, при этом для оборудования DWDM неважно, каким способом она кодируется, и какие протоколы используются для передачи данных — устройства DWDM занимаются только объединением различных волн в одном световом пучке, а также выделением из общего сигнала.

Принцип мультиплексирования, используемый DWDM, имеет аналог — в наиболее старой и заслуженной технологии мультиплексирования с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM), применяемой в аналоговой телефонии. Действительно, так как длина волны обратно пропорциональна ее частоте, то «смешивание» в одном волокне световых сигналов с разной длиной волны — это «смешивание» сигналов разной частоты, но только в совершенно другом диапазоне — терагерцовом, а не килогерцовом, как в FDM. Естественно, свет — это сигнал качественно другой природы, нежели электрический ток, поэтому оборудование для мультиплексирования световых волн кардинально отличается от модуляторов и фильтров, применяемых в сетях FDM, однако у принципов FDM и WDM есть некоторая общность.

Сегодня оборудование DWDM позволяет передавать по одному оптическому волокну 32 и более волн разной длины в окне прозрачности 1550 нм (С-диапазон или 3-е окно прозрачности), при этом каждая волна может переносить информацию со скоростью до 10 Гбит/с (при применении протоколов STM-64 или 10GE для передачи информации на каждой волне). В настоящее время ведутся работы по повышению скорости передачи информации на одной длине волны до 40 Гбит/c — 80 Гбит/с. У технологии DWDM имеется предшественница — технология WDM, которая использует четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, с разносом несущих в 800 — 400 ГГц (стандартной классификации WDM не существует, встречаются системы WDM и с другими характеристиками).

Мультиплексирование DWDM называется «плотным» из-за того, что в нем используется существенно меньшее расстояние между длинами волн, чем в WDM.

Реализация частотных планов с шагом 50 ГГц и 25 ГГц предъявляет гораздо более жесткие требования к оборудованию DWDM, особенно в том случае, если каждая волна переносит сигналы со скоростью модуляции 10 Гбит/с и выше (STM-64, STM-256 или 10GE). Это связано с тем, что ширина спектра передаваемого сигнала (при потенциальном кодировании NRZ, применяемом в системах SDH и 10GE) пропорциональна частоте модуляции, поэтому спектр сигнала STM-64 примерно в четыре раза шире спектра сигнала STM-16. Теоретически зазоры между соседними волнами в 50 ГГц и даже 25 ГГц позволяют передавать данные со скоростями 10 Гбит/c, но при этом нужно обеспечить высокую точность частоты и минимально возможную ширину спектра несущей волны, а также снизить уровень шумов, чтобы минимизировать эффект перекрытия спектра.

Практический успех технологии DWDM, оборудование которой уже работает на магистралях многих ведущих мировых операторов связи (в том числе, и некоторых российских), во многом определило появление волоконно-оптических усилителей на основе кварца, легированного эрбием — EDFA (Erbium-Dopped Fiber Amplifier). Эти оптические устройства непосредственно усиливают световые сигналы в диапазоне 1550 нм, исключая необходимость промежуточного преобразования их в электрическую форму, как это делают регенераторы, применяемые в сетях SDH. Cистемы электрической регенерации сигналов являются весьма дорогими и, кроме того, протокольно-зависимыми, так как они должны воспринимать определенный вид кодирования сигнала. Оптические усилители, «прозрачно» передающие информацию, позволяют наращивать скорость магистрали без необходимости модернизации усилительных блоков. Оптические усилители используются не только для увеличения расстояния между мультиплексорами, но и внутри самих мультиплексоров. Если мультиплексирование и кросс-коммутация выполняются исключительно оптическими средствами, без преобразования в электрическую форму, то сигнал при пассивных оптических преобразованиях теряет мощность и его нужно усиливать перед передачей на линию.

Новые исследования в области EDFA привели к появлению усилителей, работающих в так называемом L-диапазоне (4-е окно прозрачности), от 1570 нм до 1605 нм. Использование этого диапазона, а также сокращение расстояния между волнами до 50 ГГц и 25 ГГц позволяет нарастить количество одновременно передаваемых длин волн до 80 — 160 и более, то есть обеспечить передачу трафика со скоростями 800 Гбит/с — 1,6 Тбит/с в одном направлении по одному оптическому волокну.

С успехами DWDM связано еще одно перспективное технологическое направление — полностью оптические сети (All-Optical Networks).

Основные преимущества технологии DWDM состоят в следующем:

— Дальнейшее повышение коэффициента использования частотного потенциала оптического волокна (его теоретическая полоса пропускания — 25 000 ГГц) — достижение терабитных скоростей.

— Отличная масштабируемость — повышение суммарной скорости сети за счет добавления новых спектральных каналов без необходимости замены всех магистральных модулей мультиплексоров (что требуется для перехода к новому уровню STM-N в сетях SDH).

— Экономическая эффективность за счет отказа от электрической регенерации на участках сети большой протяженности.

— Независимость от протокола передачи данных — технологическая «прозрачность», позволяющая передавать через магистраль DWDM трафик сетей любого типа.

— Независимость спектральных каналов друг от друга.

— Совместимость с технологией SDH — мультиплексоры DWDM оснащаются интерфейсами STM-N, способными принимать и передавать данные мультиплексоров SDH.

— Совместимость с технологиями семейства Ethernet — Gigabit Ethernet и 10GE.

— Стандартизация на уровне ITU-T.

2.2.2 Временное мультиплексирование

Необходимость максимально эффективно использовать возможности передачи информации по оптическому волокну послужила толчком для интенсивных исследований. Первой стали применять технологию TDM, которая широко используется в обычных системах электросвязи. Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Входные каналы по очереди модулируют высокочастотную несущую в течение выделенных им коротких промежутков времени (тайм-слотов), которые периодически повторяются (рисунок 11).

Рисунок 11 — В системах TDM все информационные каналы передаются по одному волокну на одной длине волны в течение соответствующих тайм-слотов Мультиплексор на одной стороне канала связи собирает данные со всех источников и передает их по волокну в течение соответствующих тайм-слотов. Демультиплексор на другой стороне линии связи выделяет тайм-слоты, считывает данные и передает их соответствующим пользователям уже в виде единых выходных потоков. Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с. Линии со скоростью 10 Гбит/с будут постепенно заменять первоначально использовавшиеся системы TDM со скоростью 2,5 Гбит/с. Скорость передачи 10 Гбит/с в некотором роде разграничивает два типа систем TDM. Выше этой скорости некоторые основные характеристики оптического волокна — поляризационная модовая дисперсия, хроматическая дисперсия — начинают значительно влиять на качество передачи и должны приниматься во внимание при разработке систем связи. Это является серьезным препятствием для ведущихся в настоящее время разработок систем TDM со скоростями передачи 40 Гбит/с и выше. Кроме того, для дальнейшего увеличения скорости требуются новые методы модуляции лазерного излучения, что ведет к росту сложности и стоимости приемо-передающего оборудования.

Применение методов, уменьшающих влияние хроматической дисперсии, ведет к увеличению потерь, стоимости и сложности системы. Для стандартного ступенчатого одномодового волокна (G.652 по классификации ITU) максимальная дальность передачи со скоростью 10 Гбит/с без компенсации и коррекции дисперсии составляет 50−75 км.

Технология помехоустойчивого кодирования FEC (Forward Error Correction) может увеличить энергетический потенциал системы на несколько дБ. FEC давно используется в беспроводной и спутниковой связи. В этой технологии данные перед передачей кодируются с добавлением избыточных битов. Избыточность позволяет исправлять случайные ошибки в цифровом сигнале без повторной передачи. В технологии FEC обнаружение и исправление ошибок передачи битов выполняется аппаратурой, как правило, на физическом уровне. Однако помехоустойчивое кодирование не в состоянии исправить все ошибки передачи, которые возникают из-за различных причин (хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия, перекрестные помехи, и т. д.).

Экспериментальные линии связи уровня STM-256 пока еще не в полном объеме поддерживают функции ввода и вывода каналов ADM (Add/Drop Multiplexing) и кросс-коммутации.

Ожидается скорое появление на рынке оборудования цифровых систем передачи SDH/SONET, обеспечивающих мультиплексирование потоков уровня STM-16 и STM-64 в высокоскоростные потоки уровня STM-256. По всей видимости, первые линии связи уровня STM-256 будут применяться в сетях городского и регионального масштаба. По мере увеличения дальности передачи и появления более совершенных методик компенсации различных негативных факторов линии связи уровня STM-256 будут находить все более широкое применение. Возможно, в некоторых случаях для увеличения дальности таких линий связи коммерчески более выгодно будет использовать регенерацию сигнала

3. Расчёты пропускной способности различных оптических волокон

Максимальная ширина окна, соответствующая приемлемым потерям в оптическом волокне, составляет около 1675−1275=400 нм, что эквивалентно 50 ТГц.

Оценка пропускной способности оптического кабеля с применением формулы шеннона:

С = F· (1 + (/)),(12)

где С — пропускная способность, бит/с;

Fширина полосы частот канала, гц;

и — средние мощности сигнала и помехи.

По теореме шеннона для типичного отношения сигнал/шум, равного 100 (20 дб), получается верхняя оценку для пропускной способности одиночного волокна на уровне 330 Тбит/с.

Рассмотрим конкретные типы оптических волокон.

На практике, в производстве оптических кабелей российскими изготовителями в основном используются оптические волокна:

— многомодовые G.651 (3%), 3,0 дБ/км на 850 нм, 0,7 и 0,8 дБ/км — на 1300 нм;

— одномодовые, параметры которых стандартизованы Рекомендацией G.652 Международного союза электросвязи (94% общего объема производства), при требованиях к коэффициенту затухания для телекоммуникационных сетей России 0,36 дБ/км и 0,22 дБ/км на длинах волн соответственно 1310 нм и 1550 нм;

— одномодовые G.655 (3%), 0,22 дБ/км на волне 1550 нм и 0,25 дБ/км на 1626 нм.

В ближайшем будущем (примерно 5 лет) на смену им придут:

— одномодовое волокно с ненулевой дисперсией для широкополосной оптической передачи (Рек. G.656 МСЭ-Т) — с возможностью использования оптических усилителей и спектрального уплотнения;

— одномодовое волокно с низкими потерями на изгиб, предназначенное для сетей доступа (Рек. G.657 МСЭ-Т. ) — обладает повышенной механической прочностью, более длительным сроком службы в агрессивных условиях эксплуатации; рекомендуется для сетей FTTx.

3.1 Возможности многомодовых оптических волокон G.651

Первые волокна для передачи данных были многомодовыми со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения света благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n₁, немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n₂. На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n₁ > n₂. Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n₁ одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым.

Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя с различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

Многомодовое волокно — волокно с большим диаметром сердцевины по которой проходит свет. Такое название объясняется спецификой прохождения электромагнитной волны по сердечнику волокна. В стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления, лучи света распространяются по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения.

При этом, лучи света встречающие границу (торец оптического волокна) под острым углом (измеренным относительно осевой линии), входя во внутрь волокна, полностью отражаются, двигаясь в сердцевине волокна. Критический угол (максимальный угол для полного внутреннего отражения) определяется средой преломления между материалами оболочки и сердцевины волокна. Лучи, которые сталкиваются с границей под углом большим, чем критический, преломляются, проходя из сердцевины в оболочку, и не передают свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический угол равен максимальному углу входящего в волокно излучения и зависит от величины диаметра сердцевины волокна. Высокая числовая апертура (диаметр сердцевины) вынуждают свет проходящий под различными углами, подвергаться эффекту дисперсии, при этом происходит существенное наложение лучей света в сердцевине. Большой диаметр сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку лучи под различными углами имеют различные длины траекторий и поэтому затрачивают различное время на прохождение всей длины волокна.