Современные типы волокон на основе двуокиси кремния

9.1. Развитие типов волокон

Исторически сложилось, что сначала появилось многомодовое волокно, предназначенное для работы в первом окне прозрачности (на длине λ = 0.85 мкм). Минимальную дисперсию это волокно имеет на длине волны λ =1.3 мкм. Затем было разработано одномодовое волокно для работы во втором и третьем окнах прозрачности. Оно также имеет нулевую дисперсию на длине волны λ =1.3 мкм.

Международный союз электросвязи (МСЭ-Т) разработал несколько стандартов на оптические волокна, которые изложены в Рекомендациях серии G.

Например, рекомендация G.651 для многомодового волокна с диаметром сердцевины 50 и 65 мкм (11% всего производства в мире) и G.652 для одномодового волокна с диаметром сердцевины примерно 10 мкм. Последнее волокно имеет минимальное затухание на волне 1.55 мкм и нулевую дисперсия на волне 1.3 мкм. Это наиболее распространённое волокно (57% всего производства). Иногда его называют волокном типа SMF (Simple Mode Fiber). Естественно возникла мысль совместить минимальное затухание и минимальную дисперсию в одном волокне, поэтому было разработана рекомендация G.653 для волокна DSF (dispersion shifted), у которого точка нулевой дисперсии смещена от 1.3 мкм к 1.55 мкм. Волновое уплотнение и оптические усилители в тот момент не применялись, и поэтому проблемы четырёхволнового смешения не было. Было разработано также волокно G.654, которое похоже на волокно G.652, но с улучшенными характеристиками по затуханию. В это время появились системы волнового уплотнения, и выяснилось, что волокно G.653 нельзя применять с WDM и оптическими усилителями, т.к. при нулевой дисперсии возникает сильное четырёхволновое смешение, поэтому пришлось разрабатывать волокно со смещённой, но не нулевой дисперсией (рекомендация G.655). Это волокно типа NZDSF (non zero dispersion shifted fiber). Дисперсия смещена, но не в точку 1.55 мкм, а к границе области работы оптического усилителя EDFA (в точку 1525 нм или 1562 нм, см. рис.9.1), так что дисперсия в пределах окна хоть и не большая, но не нулевая (от 4 до 16 пс/нм·км). Это волокно в 3-5 раз дороже волокна G.652, но ряде случаев вместо прокладки нескольких кабелей с волокном G.652 выгодно применить один кабель с волокном G.655. Это волокно составляет 32% всего производства волокна в мире.

Рис.9.1. Область работы оптического усилителя и точки нулевой дисперсии волокна NZDSF Современный вид кривой затухания и окон прозрачности

Впоследствии появились рекомендация G.656 для волокна, оптимизированного для систем волнового уплотнения, и G.657 для волокна с уменьшенными потерями на изгибе (для прокладки по стенам зданий). Были разработаны также волокна без водяного пика и волокна со сдвинутым порогом наступления нелинейности (комбинационного рассеяния Брюллиэна) в рамках рекомендации G.652.

9.2. Существующие типы оптических волокон на основе кремния

Итак, в настоящее время существуют следующие типы оптических волокон на основе кремния в соответствии с рекомендациями:

1) Рекомендация G.651. Это многомодовое волокно с диаметром сердцевины 50 и 65 мкм (11% всего производства), которое применяется главным образом на городских линиях при λ = 0.85 мкм.

2) Рекомендация G.652. Одномодовое волокно с диаметром сердцевины примерно 10 мкм. Сейчас появились варианты этого волокна, но без водяного пика: All Wave (фирма OSF), SMF-28e (Corning), SMR (Pirelli) в рамках рекомендации G.652C. Впоследствии в рамках этой же рекомендации фирмой Corning разработано волокно NexCor, у которого сдвинут на 3-3.5 дБ порог наступления Брюллиэновского рассеяния, что позволяет вдвое увеличить мощность, передаваемую по волокну. Волокно предназначено для работы во втором и третьем окне прозрачности. Волокна по рекомендации G.652 (A,B и C) составляют 57% всего производства волокна.

3) Рекомендация G.653 касается волокна DSF (dispersion shifted), у которого точка нулевой дисперсии смещена из точки 1.3 мкм в точку 1.55 мкм. Применения не получило.

4) Рекомендация G.654 – волокно, похожее на волокно G.652, но с улучшенными характеристиками по затуханию (до 0.15 дБ/км).

5) Рекомендация G.655. Это волокно со смещённой, но не нулевой дисперсией NZDSF (non zero dispersion shifted fiber). Дисперсия смещена, но не в точку 1.55 мкм, а к границе области работы ОУ. Это волокно в 3-5 раз дороже волокна G.652, 32% всего производства. Наиболее распространённы волокна типа LEAF (оптимизированное для линий до 2500 км), Metro (оптимизированное для линий до 500 км), True Wave, SMF-LS и др.

6) Рекомендация G.656 – то же, что и G.655, но с улучшенными характеристиками, оптимизированное для применения в системах WDM, например, волокно SMF-28 ULL со сверхнизким затуханием (0.17 дБ/км) и минимальным значением ПМД (0.04 пс/км^1/2 ).

7) Рекомендация G.657 для волокна с уменьшенной величиной затухания изгиба. Подобные волокна разработаны фирмами Corning и OFS. Фирмой Corning разработано волокно SMF-28e XB (Extra Bend) с уменьшенным затуханием изгиба и волокно с наноструктурированной сердцевиной ClearCurve с сильно уменьшенной величиной затухания изгиба. Потери на изгиб различных типов волокон показаны на рис.9.2. Следует иметь в виду, что хотя на графике рис.9.2 показаны затухания при радиусах изгиба 5-10 мм, не всегда такие радиусы изгиба допускаются правилами и спецификациями.

Рис.9.2. Затухание изгиба некоторых типов волокон

Расчёт потерь в здании во время осуществления программы FTTH (волокна к дому) при наличии, например, 12 изгибов и 20 скоб даёт, что потери на изгиб для волокна типа G.652D составляют 18 дБ, для G.657B - 1.3 дБ, для ClearCurve - 0.13 дБ, для фотонно-кристаллического волокна - 0.01 дБ.

Таким образом, в современных волокнах сильно изменился график затухания в зависимости от длины волны, уменьшилось затухание в области пиков непрозрачности, и второе и третье окно практически слились, так что волновое уплотнение стало возможно во всей области от 1.3 до 1.6 мкм. Отдельные части этой области получили собственные названия (см. рис. 9.3). Верхняя кривая на рис.9.3 представляет затухание классического волокна, нижняя – совремённого.

Сети доступа в настоящий момент потребляют 55% всего волокна, городские сети – 30 %, магистральные сети дальней связи – 10 %.

Рис.9.3. Современный вид кривой затухания и окон прозрачности

Расшифровка обозначений следующая:

I (780-860 нм) – первое окно прозрачности;

O (1260-1360) – original – основное, первоначальное;

Е (1360-1460) – extended – расширенное;

S (1460-1530) – short wave length - коротковолновое;

С (1530-1565) – conditional – стандартное;

L (1565-1625) – long wave length – длинноволновое;

U (1625-1675) - ultra – сверхдлинноволновое.

Кроме оптических волокон на основе кремния существуют и выпускаются волокна на основе полимеров, которые описаны в разделе 4.4. Ведутся также работы по разработке новых типов фотонно-кристаллических волокон, описанных в разделе 10, и волокон на основе халькогенидных стёкол (раздел 4.3).