Волоконно-оптическое подключение: адаптация волокна к конкретной задаче

Один стандартный размер не подходит всем в постоянно расширяющемся мире оптоволоконной связи. Одномодовые волокна со ступенчатым показателем преломления, соответствующие спецификациям G.652 Международного союза электросвязи, иногда называют «стандартными одномодовыми», поскольку они широко используются на протяжении десятилетий. Тем не менее, волокна G.652 эволюционировали в соответствии с меняющимися потребностями, другие одномодовые волокна были разработаны для новых применений, многомодовые волокна нашли новые ниши, и появились более экзотические волокна.

Эти изменения отражают преимущества настройки оптоволокон для конкретных приложений. Устойчивые к изгибам волокна необходимы для использования в трубопроводах внутри помещений. Усадка оболочки волокна позволяет увеличить количество волокон в кабелях. Волокна с низким содержанием воды позволяют недорогое грубое мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) с шагом 20 нм между 1270 и 1610 нм. Волокна со сверхнизкими потерями могут увеличивать расстояние между усилителями. Многомодовые волокна с градиентным индексом преломления могут передавать данные с высокой скоростью на короткие расстояния, сокращая расходы на передатчик и приемник.

Ниже приводится руководство по важным типам оптических волокон и их использованию в связи.

Многомодовые волокна с градиентным индексом

Впервые разработанные в конце 1960-х годов для увеличения пропускной способности волоконно-оптических кабелей с большой сердцевиной, многомодовые волокна с градиентным показателем преломления сейчас используются в основном для коротких каналов передачи данных. Светодиодные источники использовались в прошлом, но теперь большинство каналов передачи данных работают на скоростях, которые требуют серийно выпускаемых лазеров с вертикальным резонатором, излучающей поверхностью (VCSEL), работающую на длине волны от 800 до 960 нм. Большинство оптоволокон с градиентным коэффициентом преломления имеют размер 50 мкм, но некоторые из них все еще используются с сердечником 62,5 мкм. В таблице приведены характеристики стандартных многомодовых волокон.

На практике многомодовые каналы передачи данных используются только на расстоянии около 550 м, а одномодовое волокно используется на больших расстояниях. Хотя многомодовое волокно имеет более низкие потери в диапазоне 1310 нм, чем на более коротких длинах волн, недорогие VCSEL производятся серийно только в коротковолновом диапазоне. В стандартах OM3 и более новых используются модули VCSEL, поддерживающие скорость передачи данных в несколько гигабит в секунду.

Стандарт OM5 обеспечивает мультиплексирование с разделением по длине волны (SWDM) 25 Гбит / с на двух или четырех длинах волн от 850 до 953 нм для передачи на скоростях до 100 Гбит / с в дуплексном режиме. В январе 2020 года целевая группа IEEE утвердила стандарт IEEE P802.3cm 400 Гбит / с по многомодовому оптоволокну, который разделяет сигналы 400 Гбит / с между четырьмя или восемью волокнами протяженностью до 100 или 150 м. Основные приложения находятся в пределах больших объемов данных, дата центров и коротких высокоскоростных каналов в сетях 5G.

Повторное использование устаревших волокон

Установленные устаревшие многомодовые волокна в центрах обработки данных могут быть перепрофилированы для передачи одномодового сигнала со скоростями, превышающими указанные в таблице. Cailabs (Ренн, Франция) разработала оптику, которая объединяет до 99,5% входного одномодового сигнала в одну из многих мод волокна. Они сообщают о передаче 10 Гбит / с на расстояние до километра и тестируют скорость до 100 Гбит / с.

Устаревшее одномодовое волокно G.652, установленное два десятилетия назад, которое остается неиспользуемым или недостаточно используемым, требует минимальной обработки, прежде чем его можно будет использовать заново. Благодаря цифровой обработке сигналов и когерентной оптической передаче, оптоволокно G.652, изначально установленное для передачи 10 Гбит / с на одной или нескольких длинах волн, может передавать когерентные сигналы со скоростью 100 Гбит / с на длинах волн до 100 без необходимости сращивания волокон разных типов. В правильном расположении для управления хроматической дисперсией. Это дает новую жизнь устаревшим волокнам и может сэкономить операторам связи на огромных расходах на установку новых кабелей, которые могут стоить до 500 000 долларов.

Оптоволокно решает все больше задач связанных с передачей данных

Стандарты одномодового волокна

Первая версия одномодового стандарта ITU G.652 была разработана в 1984 году, когда волоконная связь была ограничена длиной 1310 нм, где хроматическая дисперсия практически равна нулю. Он предусматривал диаметр модового поля от 8,6 до 9,5 мкм, длину волны отсечки не более 1260 нм и затухание не более 0,5 дБ / км на длине волны 1310 нм и 0,4 дБ / км на длине волны 1550 нм. Разработка волоконных усилителей, легированных эрбием. (EDFA) переместили большую часть передачи в окно 1550 нм, но волокно G.652 остается широко используемым, а наиболее заметные изменения в текущей версии G.652.D заключаются в снижении пределов потерь до 0,4 дБ / км в диапазоне 1310–1625 нм и до 0,30 дБ / км от 1530 до 1565 нм.

По мере развития оптоволоконной передачи использовались и другие новые стандарты. Разработка волокна с нулевой дисперсией, сдвинутой к длине волны 1550 нм, стимулировала развитие стандарта G.653. Первоначальная версия, принятая в 1988 году, предусматривала диаметр сердцевины от 7,8 до 8,5 мкм, нулевую хроматическую дисперсию между 1500 и 1600 нм и максимальную дисперсию 3,5 пс / (нм-км) . Некоторое волокно с нулевой дисперсией все еще используется, но сильный четырехволновой шум смешения в эрбиевом диапазоне 1550 нм делает WDM непрактичным, за исключением усилителей в L-диапазоне 1570–1625 нм.

Стандарт ITU G.654 был разработан для другой в значительной степени заброшенной технологии: подводных кабелей с нулевой дисперсией около 1300 нм и одномодовым порогом отсечки, смещенным до длин волн до 1530 нм. Недавние изменения снизили максимальные потери на длине волны 1530–1612 нм до 0,25 дБ / км, чтобы его можно было использовать для передачи в L-диапазоне в подводных кабелях с управляемой дисперсией.

Развитие WDM и управления дисперсией также привело к появлению в 1996 году стандарта ITU G.655 для одномодового волокна со смещенной ненулевой дисперсией, который обеспечивает достаточно высокую хроматическую дисперсию, чтобы предотвратить нелинейные перекрестные помехи между близко расположенными оптическими каналами, но достаточно низкую, чтобы допускать дисперсию. Компенсация происходит за счет смешивания волокон с разной дисперсией. Максимальная одномодовая отсечка составляла 1450 нм с отдельными формулами для минимальной и максимальной хроматической дисперсии, в которых указывались значения между 1460 и 1550 нм и между 1550 и 1625 нм, чтобы обеспечить компенсацию дисперсии за счет сращивания длин волокон с различной дисперсией.

Другой стандарт, основанный на дисперсии, — G.656, предложенный в 2004 году как одномодовое волокно с низкой дисперсией от 1460 до 1625 нм для широко разнесенных систем WDM, где четырехволновое смешение не ожидалось как серьезная проблема. был модифицирован для использования в рамановском оптическом усилении.

В когерентной оптической передаче используется цифровая обработка сигналов для упреждающего исправления ошибок, что устраняет необходимость в управлении дисперсией и в значительной степени устраняет необходимость в стандартах, четко определяющих дисперсию.

Волокна, нечувствительные к потерям при изгибе

Потери при изгибе могут быть важной проблемой, когда волокна устанавливаются в ограниченном пространстве, как в местах доступа, так и в транспортных частях сети, поэтому ITU разработал стандарт G.657, который определяет сопротивление изгибу для двух категорий волокон. Категория A охватывает волокна типа G.652, используемые в транспортных сетях и сетях доступа, которые могут изгибаться до радиуса 10 или 7,5 мм. Категория B охватывает волокна в сети доступа, которые могут не соответствовать G.652 и иметь низкие потери при изгибе до радиуса 7,5 или 5 мм.

Потери на изгибах возникают там, где одномодовые волокна сталкиваются с изгибами или плотной упаковкой, например, внутри шкафов, кабельных каналов, стояков и перегородок. Одним из подходов к ограничению потерь является уменьшение диаметра модового поля для улучшения удержания света. Другой способ заключается в заделке слоя стекла с более низким показателем преломления либо в виде углубленной внутренней оболочки, прилегающей к сердцевине, либо в виде «канавки» внутри оболочки. Другие альтернативы включают в себя внедрение субволновых отверстий или наноструктур в сердцевину волокна. На рисунке ниже показано размещение этих структур; какой вариант лучше, зависит от требований приложения. Потери на изгибе также увеличиваются с увеличением длины волны передачи.

Волоконные конструкции, используемые для уменьшения потерь на изгибе и улучшения качества проводимого света

Волокна уменьшенной толщины

Уменьшение толщины волокна позволяет сжимать его до меньших объемов и изгибать до более узкого радиуса, не вызывая образования крошечных трещин, которые могут привести к поломке волокна. Это также позволяет помещать в кабель больше волокон. Возможны два варианта: уменьшение облицовки и защитного покрытия, которое на нее накладывается, или просто уменьшение защитного покрытия (рисунок ниже).

Как уменьшение диаметра оболочки меняет размер одномодовых волокон с сердцевиной 10 мкм?

Стандартные волокна имеют внешний диаметр 125 мкм, что больше толщины сердцевины 10 мкм одномодового волокна. Возможно уменьшение диаметра оболочки до 80 мкм, что уменьшает стеклянный объем волокна в 2,4 раза. Волокно с уменьшенной оболочкой с пластиковым покрытием имеет внешний диаметр около 170 мкм по сравнению с 250 мкм для волокна с нормальным покрытием.

В качестве альтернативы, толщина покрытия, наносимого на стандартную оболочку 125 мкм, может быть уменьшена, так что диаметр покрытого волокна составляет всего 200 мкм, а не обычные 250 мкм.

Волокна с низким содержанием воды

Производство стандартного волокна оставляет следы водорода, который связывается с кислородом в волокне из плавленого кварца с гидроксильными группами, которые поглощают между 1360 и 1460 нм с сильным пиком на 1383 нм (рисунок ниже). Эту полосу можно было игнорировать, когда волоконно-оптические системы работали только в полосах 1310 и 1550 нм, но она стала проблемой для недорогого грубого WDM на расстоянии 20 нм между 1270 и 1610 нм.

Сравнение потерь в волокне с низким и нулевым пиком воды

Были разработаны способы снижения содержания водорода (часто называемого «водой») в волокнах до двух уровней. Волокна с низким содержанием воды обычно имеют потери на пике 1383 нм, которые не превышают потери на 1310 нм, которые обычно ниже 0,34 дБ / км. В текущих версиях стандартов G.652.D и G.657 указывается, что потери в волокне не должны превышать 0,40 дБ / км между 1310 и 1625 нм, что соответствует требованиям волокон с низким содержанием воды. Стандарты также требуют, чтобы потери на пике 1383 нм оставались ниже 0,4 дБ / км даже после старения.

Волокна без воды дополнительно уменьшают поглощение ОН, так что пик 1383 нм практически исчезает с затуханием ниже 0,27 и 0,31 дБ / км. Достижение таких низких потерь требует дальнейшей обработки дейтерием, тяжелым изотопом водорода-2, чтобы предотвратить связывание легкого водорода с кислородом в стекле, сохраняя при этом низкое поглощение.

Другие особенности одномодового волокна

Некоторые коммуникационные волокна предлагают функции, которые оптимизируют их для конкретных случаев, например, увеличение расстояния между усилителями или покрытие очень больших расстояний.

Одна из таких особенностей — расширение эффективной модовой площади для одномодовых волокон. Хотя диаметр сердцевины G.652 номинально составляет от 9 до 10 мкм, одномодовый режим, который он передает, распространяется по гауссовской моде, так что эффективная площадь моды немного больше — около 80 нм2. Если такое волокно передает большую мощность, нелинейные эффекты могут накапливаться в областях, близких к передатчикам или усилителям, где мощность наиболее высока. Расширение эффективной модовой области снижает плотность мощности в сердечнике, уменьшая нелинейные эффекты. Изменение разности показателей преломления сердцевина-оболочка может увеличить эффективную площадь моды выше 100 мкм2, но есть ограничения.

Большие эффективные области мод могут быть объединены с очень низким затуханием. Например, и Corning (Корнинг, Нью-Йорк), и OFS Optics (Норкросс, Джорджия) предлагают одномодовые волокна для подводных кабелей с эффективной площадью мод 125 и 150 мкм2 и затуханием ниже 0,16 дБ / км на длине волны 1550 нм.

Также изготавливаются специальные волокна для таких задач, как оконцовка или соединение волокон в системах связи.

Микроструктурированные и полые волокна

Появилось новое поколение волоконной технологии, основанной на микроструктурированных волокнах с отверстиями, проходящими вдоль их длины. Они полагаются на фотонные кристаллы, фотонные запрещенные зоны или другие структуры для ограничения света, открывая новые возможности.

Микроструктурированные волокна имеют различия в показателе преломления материала, создаваемые различной плотностью микроструктур; эти различия в индексах направляют или ограничивают свет. Если микроструктура мала по сравнению с длиной волны, передаваемой волокном, содержащиеся в нем отверстия уменьшают средний показатель преломления дырчатого материала, поэтому он может действовать как световод с низким показателем преломления оболочки через твердую или дырчатую сердцевину.

Фотонно-кристаллические волокна создают эффект фотонной запрещенной зоны, который блокирует передачу света определенных длин волн через определенные области. Это явление можно использовать для ограничения света определенных длин волн внутри ядра с большой эффективной площадью (рисунок ниже), описанного OFS Optics в октябрьском выпуске журнала Laser Focus World за 2020 год. Решетчатая конструкция выполняет роль внутренней облицовки. Шесть гексагональных ячеек, помеченных как «шунты», окружают сердцевину 25 мкм, чтобы отводить моды более высокого порядка из большой сердцевины 25 мкм, оставляя ее фактически одномодовой.

Структура полого фотонного запрещенного волокна OFS Optics, которое передает сигналы со скоростью, близкой к скорости света в вакууме

Хотя волокно с фотонной запрещенной зоной имеет более высокие потери, чем традиционное волокно с твердой сердцевиной, его полая сердцевина может передавать свет со скоростью 300 000 км / с, а не 200 000 км / с. Время опережения света в полой сердцевине увеличивается на 1,5 мкс / км, а микросекунды означают деньги для высокочастотных трейдеров, которые платят надбавку за передачу по специальным кабелям.

В 2020 году компания Lumenisity (Ромси, Англия), дочерняя компания Саутгемптонского университета, представила волоконно-оптические кабели с использованием нового типа полого волокна, основанного на технологии вложенных антирезонансных безузловых волокон (NANF). Здесь сплошная оболочка окружает полую сердцевину, в которой несколько вложенных пар сердцевин проходят вдоль границы сердцевина-оболочка (рисунок ниже). Такой подход обеспечивает передачу с низкими потерями в более широком диапазоне длин волн, чем для волоконных световодов с фотонной запрещенной зоной. На OFC 2020 исследователи из Саутгемптона сообщили о потерях всего 0,28 дБ / км при минимальном затухании в твердой сердцевине волокна на длине волны 1550 нм.

Структура волокна NANF с полой сердцевиной с минимальными потерями на уровне 0,28 дБ / км (слева) и сравнение его затухания (синий) между 1200 и 1700 годами с затуханием более раннего волокна NANF с минимумом 0,65 дБ / км, твердого вещества из чистого кварца. оптоволокно с сердцевиной (фиолетовый) и световод с фотонной запрещенной зоной (зеленый).

Тестовый канал

Два других появляющихся типа волокон с твердой сердцевиной остаются в стадии разработки.

Маломодовые волокна имеют эффективную площадь мод, немного превышающую верхний предел для одномодовой работы, что позволяет им передавать только несколько мод (по сравнению с сотнями или тысячами в обычных многомодовых волокнах). Исследователи показали, что мультиплексирование с разделением мод позволяет вводить одномодовые сигналы в отдельные моды и выводить их из отдельных режимов в маломодовых волокнах без значительных перекрестных помех.

Многожильные волокна имеют множество отдельных световодных жил, встроенных в их оболочку, разделенных для предотвращения перекрестных помех. Это позволяет осуществлять мультиплексирование с разделением на ядро, при котором каждое ядро передает отдельные сигналы.

Оба метода были продемонстрированы на высоких скоростях передачи данных, и экспериментаторам удалось создать волокна, содержащие несколько сердечников, причем все сердечники переносят сигналы в нескольких режимах. Эти два метода классифицируются как мультиплексирование с пространственным разделением, наряду с менее элегантным подходом к передаче отдельных сигналов по отдельным волокнам в одном кабеле или по параллельным маршрутам. Некоторая форма мультиплексирования с пространственным разделением находится в нашем будущем, но еще предстоит определить, какой из подходов будет наиболее рентабельным в телекоммуникационных системах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *