CC BY
245
Новые типы оптических волокон в телекоммуникациях и их применение
Ключевые слова: маломодовые оптические волокна, фотонно-кристалические оптические волокна, компенсация, дисперсия, модовое поле, суммарная мощность.
В настоящее время стремительно увеличиваются скорости передачи по оптическим волокнам в связи с увеличением трафика Интернета. Считается , что в следующие 20 лет скорость увеличится до 1 Пбит/с, т.е. в 1000 раз. Наступит эра скорости Петабит/с, что приведет к внедрению телевидения в формате 3Р и ультра реалистической связи. Это требует создания нового поколения сетей на основе новой оптической инфраструктуры на основе скорости, равной Пбит/с. Существующие типы оптических волокон (ОВ) ограничивают увеличение скорости вследствие нелинейных эффектов и вводимой суммарной мощности. Эти ограничения связаны не только с вводимой мощностью, но и с площадью модового поля волокна. Особенноограничивает передаваемую мощность волокно для компенсации дисперсии, так как модовое поле ОВ для компенсации дисперсии составляет < 28 мкм2, а стандартного ОВ 70мкм2. В этом случае суммарная вводимая мощность в ОВ не должна превышать 0,5 Вт. Чтобы преодолеть эти проблемы разрабатываются новые типы маломодовых ОВ с большой площадью модового поля до 180 мкм2. В настоящее время разработаны двух и трех модовые оптические волокна как для передачи на большие расстояния допустимой суммарной мощности с пространственным мультиплексированием мод, так и для компенсации дисперсии на существующих оптических волокнах с суммарной мощностью 2 Вт, многосердцевинные оптические волокна для передачи скоростей Петабит/с, фотоннокристаллические оптические волокна для компенсации дисперсии и маломодовые волокна с положительным и отрицательным значением дисперсии, а также оптические волокна для лазеров и других элементов волоконной линии передачи. Рассмотрены возможности применения этих волокон совместно с существующими опти-
Портнов Э.Л.,
ФГОБУВПОМТУСИ
Считается, что в следующие 20 лет скорость увеличится до 1 Пбит/с, т.е. в 1000 раз. Наступит эра скорости Петабит/с , что приведет к внедрению ультра качественного телевидения в формате ЭР и ультра реалистической связи. Это требует создания нового поколения сетей на основе новой оптической инфраструктуры на основе скорости, равной Пбит/с. Существующие оптические волокна быстро достигнут допустимого для них предела с учетом широкопо-лосности оптических усилителей и входной оптической мощности оптического волокна при существующих системах передачи и существующих форматах модуляции. Ограничивает применение существующих оптических волокон явление плавления сердцевины оптического волокна при уровне оптической мощности , передаваемой по оптическому волокну уже при 1-2 Вт, а если установлены оптические волокна для компенсации дисперсии то и при 0,5 Вт. Поэтому мы не можем увеличить передаваемую мощность систем ВОСП-СР или Рамановского усиления выше установленного уровня. Кроме того, протяженные подводные системы передачи также достигают указанного уровня мощности на основе существующих оптических волокон.
Оптические усилители мощности могут поднять уровень оптической мощности в волокне на передаче до 25-Э0 дБм. Вместе с тем, при уровне оптического сигнала выше 17 дБм проявляются нелинейные эффекты и величина 17 дБм можно считать предельной величиной суммарного уровня передачи оптических сигналов для существующих оптических волокон, что негативно сказывается на длине регенерационного участка. Предусилители на приеме дают выигрыш в бюджете мощности порядка 14 дБм.
Распределенное Рамановское усиление, при котором оптический сигнал усиливается в оптическом волокне распределенным образом в ряде систем ипользует ист очники накачки мощность кото-
рых уже достигает части значений 1,2- 1,5 Вт. В большинстве случаев излучение накачки осуществляется на длине волны 1450 нм и подается с приемного конца( рамановское предусиление) Известны случаи рамановского усиления и на передаче Эти решения показывают, что предел мощности в ряде случаев уже достигнут и следует искать другие пути решения передачи оптических сигналов.
Таким образом , представлены три фактора , ограничивающих передачу по современным оптическим волокнам: 1.ограничение по суммарной мощности в оптическом волокне; 2.ограничение по полосе усиления,3. Ограничение по потребляемой мощности.
Основные параметры оптических волокон, составляющих основу настоящей оптической инфраструктуры телекоммуникаций были определены 20 лет назад и никто не предполагал о возникновении таких ограничений по передаваемой мощности. Максимальная суммарная скорость передачи на существующих оптических волокнах должна быть не больше 100 Тбит/с, которая в 1,5 раза больше существующей суммарной скорости передачи по ОВ. Существующие оптические усилители и их полоса усиления определяют скорость передачи по ОВ. В окне Б-Диапазона 1460-1530нм (70нм-9,4 ТГц) вместе с С-Диапазоном 15Э0-1565 нм ( 35нм-4,4 ТГц) и 1-диапазоном 1565-1625нм (60нм-7,1 ТГц). В сумме получим 1460-1625 нм (165нм — 20,9ТГц).На практике общая емкость будет ограничеа 150 Тбит/с. В настоящее время максимальная суммарная емкость составляет 10 Тбит/с ( 8 пар ОВ с 1,28 Тбит/с на одно ОВ) с питанием подводной системы от материка по оптическим усилителям . При суммарной скорости 100 Тбит/с
Возникают ограничения по оптической мощности, особенно это ощутимо для магистральных межматериковых подводных систем, что требует создания нового поколения подводных кабельных систем для преодоления эффекта оплавления сердцевины существующих оптических волокон при увеличения скорости передачи до 1 Пбит/с. Пути преодоления этого эффекта могут быть только комплексными: создание оптических волокон с большим диаметром модового поля, увеличенным в 2-3 раза, или оптических волокон с
96
Т-Сотт, #8-2013
большим числом сердцевин, мультиплексирование с помощью модового или пространственного деления и многоуровневого формата модуляции. (сердцевина ОВ умножается на 10, многомодовый контроль-умножение на 10 и многоуровневый формат модуляции -умножение на 10: в результате получаем 1000).
Для преодоления барьера по мощности необходимо создать и внедрить оптические волокна с большим числом сердцевин под одной оболочкой ( порядка 10), либо увеличить диаметр сердцевины в 3 раза Для увеличения диаметра модового поля создается ОВ с сердцевиной из чистого кварцца, а оболочка дипресирована Фтором. Такое ОВ имеет диаметр модового поля 112мкм2, т.е. диаметр модового поля на длине волны 1550 нм больше 10 мкм2. При дальнейшем увеличении диаметра модового поля получаем маломодовый режим. Были обещания разработки одномодового ОВ с диаметром модового поля 200мкм2, однако получены решения для маломодового режима с диаметром модового поля на длине волны 1550 нм 160 мкм на длине волны 1550 нм для подводньх систем передачи
[3].
Рис. 1. Режимы передачи по оптическому волокну: а — одномодовый режим; в — трехмодовый режим; с — шестимодовый режим
Оптическое волокно с несколькими модами -Терминология
LPr,
LP„
LP її
LP„
о о
Одномодовое волокно
О © ф
О о
Мапомодовое волокно
LP-.
LP„
LP„
Одномодовое волокно - всегда одномодовое волокно
Две вырожденные МОДЫ 1-Р01Х И 1Р0,у
Когда разрешена еще одна мода (обычно ЬР,,) волокно может быть названо
Двухмодовым (1.Р01 и ЬР,,) Трехмодовым П-Р01.1_Р„а и 1-Р„е)
Общее число мод с учетом поляризации равно 6
Большие надежды связаны с разработкой многосердцевинных оптических волокон (рис. 2-3).
Рис. 2. Семисердцевинные оптические волокна
Отличие этих волокон друг от друга (а, в, с, д) заключается в том, что сердцевины защищаются от взаимных влияний друг на друга с помощью профильных решений. Были предложены и другие решения, например, представленные на рис. 3.
Технологи и все время улучшаются: были предложены ОВ с большим числом сердцевин (рис. 4).
Рис. 4. Восемнадцатисердцевинное ОВ
Рис 5. Шестисердцевинное оптическое волокно
Мало создать и разработать новые типы оптического волокна , необходимо создать элементную базу для этих типов ОВ.
Волоконно-оптическая кабельная линия состоит не только из передатчика сигнала, кабеля и приемника оптического сигнала, но и из многих элементов , без которых функционирование линии невозможно. К таким элементам относятся как активные элементы, так и пассивные элементы. К активным элементам относятся лазерные и светодиодные источники многоцелевого назначения, модуляторы, фотодиоды разного применения, регенераторы и усилители различных технологических решений со сосредоточенным и распределенным применением.
Согласно рекомендации G 671 МСЭ 1996 г., к пассивным оптическим компонентам относятся: мультиплексоры и демультиплексоры, включая WDM устройства:
T-Comm, #8-2013
97
- разветвители, ответвители, разделители (сплиттеры);
- аттенюаторы;
- изоляторы;
- переключатели, коммутаторы;
- пассивные компенсаторы дисперсии;
- коннекторы и другие соединители;
- оконцеватели для подавления отражений;
- адаптеры;
- волоконно-оптические циркуляторы;
- соедиительные муфты;
- ремонтные вставки.
Каждый тип сети требует использования определенного числа как общих, так и специальных типов пассивных устройств.
Для получения высокой спектральной эффективности необходима когерентная система передачи с модовым или пространственным мультиплексированием. При широкой глобализации оптических сетей необходимо найти или создать новые технологии, при которых преодолевались бы возникшие ограничения по полосе усиления, по вводимой мощности и потребляемой мощности с учетом всех элементов, составляющих волоконно-оптическую линию телекоммуникаций. Новые разработки ОВ открывают новые возможности передачи, но и требуют новых решений по элементной базе для функционирования волоконных линий передачи.
Литература
1. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. 2-е издание, переработанное и дополненное / Под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. — М.: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005. — 575 с.
2.Optical fiber telecommunications. IVA /Edited by Ivan R Kaminow, Tingye Li. — Academic Rress, Elsever Science, USA, 2002. — 876 p.
3. Портнов Э.Л. Оптические кабели и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи.- М.: Горячая линия-Телеком, 2007. — 464 с.
4. Kiyoshi Mori. New year greeting — towards development of information society. New Breeze. № 1 p.2.
5. Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи.М.Горячая линия-Телеком, 2009. — 544с.
New types of optical fibers in telecommunications and their application
Portnov EL. Abstract
Now rapidly increase the speed of transmission over optical fibers in connection with the increase in trafficJnternet.lt is consider that , in the next 20 years, the rate will increase to 1 PBite/s, i.e. in 1000 times. An era of speed PBite/s , which will lead to the introduction of ultra high-quality TV in the format 3D, and ultra-realistic communication. It requires the building of new generation networks on the basis of new optical infrastructure based on the speed equal to the PBite /s. The existing types of optical fibers (S) limit increase in speed due to nonlinear effects and entered the total capacity. These restrictions are connected not only with the input capacity, but also with the area of modal fields of fiber. Limit capacity fibers for dispersion compensation, as the mode field S to compensate for dispersion is < 28 mkm2, and standard S 70mkm2.B this case, the total capacity to be commissioned in the EXTRACT air must not exceed 0,5W. In order to overcome these problems the development of new types of small mode S with large-area mode field to 180 mkm2. Currently, the two-and three-mode optical fiber as for transmission over long distances permissible total capacity of spatial VC mod, so to compensate for dispersion in the existing optical fibers with a total capacity of 2W, many core optical fiber for transmission speeds PBite /s, photonic-cristal optical fibers for dispersion compensation and small mode fiber with a positive and a negative value of the dispersion, as well as optical fiber lasers and other elements of the fiber line of communication. Consider possibilities of application of these fibres together with the existing optical fibers.
Keywordxsmall mode optical fibers, photonic-cristal optical fibres, compensation, variance, the mode field, the total capacity.
98
T-Comm, #8-2013
