Типы оптического волокна

Оптические волокна (ОВ), уложенные в оптический кабель (ОК) для защиты их от внешних воздействий при эксплуатации линии связи и сохранения при строительно-монтажных работах, вот уже более 40 лет используются в качестве среды передачи сигнала. За всё это время было разработано и стало применяться огромное количество видов оптоволокна, обладающих различными свойствами, что даёт возможность применять их для решения разнообразных задач.

В данном обзоре рассмотрим ключевые свойства ОВ и области их применения. Почитать о конструкции и принципе работы волокна в качестве световода можно в статье, посвящённой оптическим кабелям с ОВ двух основных типов — одномодовыми и многомодовыми.

Знание параметров ОВ и ОК нужно не только инженерам-проектировщикам систем связи, но и менеджерам разного уровня, принимающим решения по развитию сети и закупке ОК, а также всем, кто хочет получить более подробную информацию о факторах, которые могут быть решающими для конкретных применений. Дополнительные сведения можно также получить и из первых рук — от компаний-производителей.

Оптическое волокно для промышленных целей выпускается как кабельными (в основном для собственных кабелей), так и специализированными зарубежными компаниями: Alcatel, Corning, Fujikura, OFS (Furukawa), Sumitomo и др.

Ниже рассмотрим классификацию промышленно выпускаемых одномодовых и многомодовых ОВ и их характеристики.

Классификация промышленных типов оптических волокон

Оптическое волокно или световод — это гибкий и прозрачный (стеклянный или пластмассовый) цилиндрический стержень с поперечным сечением в форме круга. Он состоит из трех слоев: сердцевины, оболочки и покрытия.

В системах связи ОВ является основной средой для передачи сигнала. Сигнал — модулированная по интенсивности световая волна — распространяется в основном внутри сердцевины диаметром от 6 до 62,5 мкм (в зависимости от типа волокна), а точнее — по цилиндрическому волноводу, образованному сердцевиной и оболочкой, используя явление полного внутреннего отражения (ПВО) света от границы раздела «сердцевина-оболочка».

Существуют четыре основных параметра, по которым обычно проводят классификацию типов оптоволокна:

• по числу распространяющихся в них типов волн или мод: многомодовые (ММ) и одномодовые (ОМ);
• по профилю показателя преломления: ступенчатый, параболический (градиентный) и специальный;
• по типу характеристики дисперсионного параметра D: SF (стандартное), DSF (со сдвигом нуля дисперсии), NZDSF (с ненулевой смещенной дисперсией) и ZWP (с нулевым водяным пиком);
• по знаку дисперсионного параметра D: для перечисленных выше типов ОВ он положителен в области рабочих длин волн, а у DSF — волокно для компенсации дисперсии D отрицательно, это ОВ специального типа используется в модулях компенсации дисперсии DCM.

Кроме этого, существует ряд других ОВ специального типа с узко специализированным назначением.

Классификация многомодовых ОВ

ММ волокна по профилю показателя преломления делятся на:

• волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем показателя преломления;
• волокна со сглаженным (типа квадратичной параболы) профилем показателя преломления, также называемым градиентным.

Кроме того, они (условно) делятся на четыре класса в зависимости от материала ОВ:

• класс А1: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 50/125, 62,5/125, 85/125 и 100/140 мкм;
• класс А2: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 200/240 мкм;
• класс АЗ: стекло/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 200/280 мкм;
• класс А4: пластмасса/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 980/ 1000 мкм.

В телекоммуникационных системах применяются почти исключительно волокна класса А1 (практически только первые два типоразмера). Учитывая относительно большое затухание ММ волокна, оно используется при прокладке внутри объектов или на небольшие расстояния до 1–2 км. В этой связи его основным потребителем являются локальные сети, а не сети связи, ориентированные на одномодовые ОВ.

Кроме того, стандарт ISO/IEC 11801 (начиная с версии 2002 г.) определил четыре категории ММ ОВ: ОМ1, ОМ2, ОМЗ и OM4 и, соответственно, четыре класса ММ ОВ каналов, отличающихся значением широкополосности. Максимальный по этому параметру класс позволяет многомодовым ОВ обеспечить дальность передачи гигабитного Ethernet (GE) 3 км.

Классификация одномодовых ОВ

ОМ волокна обычно изготавливаются из кварцевого стекла (SiO₂), имеют постоянный диаметр оболочки 125 мкм, а диаметр сердцевины составляет 7–10 мкм, однако нормируемым параметром является диаметр модового поля (8–11 мкм), который лучше характеризует потери при вводе света в ОВ и зависит от длины волны (фактически он на 10–12 % больше диаметра сердцевины). Методы измерения этого параметра определены стандартами: европейскими IEC 793-1-С9 и американскими EIA/TIA-455-164/-165/-167А.

По профилю показателя преломления

• волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем ПП;
• волокна с профилем ПП специального типа в форме трезубца, простого треугольника, сегментированного треугольника, треугольника на прямоугольном пьедестале, W-образного профиля, многоступенчатого (квадругольного) профиля и др.

Изменение профиля ПП позволяет изменить положение точки нулевой дисперсии, наклон дисперсионной кривой и значение дисперсии в конкретной области длин волн.

По характеристике дисперсии

Профили ПП определяют не только уровень и характер изменения дисперсии, но и тип одномодового ОВ. Как правило, выделяют 3 типа профилей: для ОВ без сдвига дисперсии, со сдвигом нуля дисперсии в третье окно прозрачности (вблизи 1550 нм) и с выравниванием дисперсии (в определенном диапазоне третьего окна прозрачности, т. е. также вблизи 1550 нм). В соответствии с этим ОМ волокно делят на:

• стандартное одномодовое волокно, или ОВ с несмещенной дисперсией (SF — стандартное ОВ, SSF или SSMF — стандартное одномодовое ОВ;
• ОМ ОВ со смещенной точкой нулевой дисперсии (DSF — называется «ОВ со смещенной дисперсией»), позиция «D» дисперсии смещается в точку 1550 нм;
• ОМ ОВ с ненулевой дисперсией в точке, где у DSF расположен «0» дисперсии, но с «0» дисперсии, смещенным в область 3-го окна (NZDSF — называется «ОВ с ненулевой смещенной дисперсией»), оно имеет небольшую и медленно растущую дисперсию в диапазоне рабочих длин волн оптических усилителей EDFA.

Классификация специальных типов волокон

В связи с развитием систем с WDM и оптических усилителей (ОУ), а также ряда специальных применений появились специальные типы оптических волокон:

• кварцевое оптоволокно для компенсации дисперсии — DCF (Dispersion Compensation Fiber) — ОВ, используемое в специальных модулях компенсации дисперсии — МКД или DCM (Dispersion Compensation Module);
• кварцевое ОВ, легированное эрбием — EDF (Erbium Dropped Fiber) — ОВ, используемое в оптических усилителях типа EDFA (Erbium Dropped Fiber Amplifier, эрбиевый оптический усилитель);
• кварцевое ОВ, легированное неодимом — NDF (Neodim Dropped Fiber) — ОВ, используемое в ОУ типа NDFA (Neodim Dropped Fiber Amplifier, неодимовый оптический усилитель);
• волокно, сохраняющее (состояние) поляризации — PMF (Polarization Maintaining Fiber) — ОВ, используемое в целом ряде волоконных датчиков, требующих сохранения состояния поляризации;
• кварцевое оптическое волокно для УФ спектра (например ОВ, используемое в диапазоне 190–250 нм для различных применений);
• брэгговское волокно — кварцевое ОВ с большой площадью поперечного сечения сердцевины (с диаметром сердцевины 300–800 мкм для создания световых потоков большой яркости и мощности, используемых при измерении и для транспортировки лазерных пучков большой мощности);
• фотонно-кристаллическое волокно — ОВ на основе технологии фотонных кристаллов — ФКВ или PCF (Photonic Crystal Fiber) — новое фотонно-кристаллическое волокно, применяемое для создания соединительных шнуров лазерного и оптического усилительного оборудования.

Ниже рассмотрены основные типы и характеристики современных оптических волокон, выпускаемых (как для целей магистральной связи, так и специальных ОВ) компаниями-производителями Corning, Fujikura и Sumitomo — наиболее широко представленными на российском рынке.

Волокно, используемое производителями кабельной продукции, может свободно выбираться потребителями для обеспечения своих конкретных нужд на стадии оформлении заказа. Для удобства потребителя сведения о параметрах ОВ и рекомендуемые стандартами ITU-T значения обычно представляются в виде таблиц. Эти таблицы можно найти в описаниях стандартов, а также в спецификациях производителей волокна.

Основные характеристики ММ волокон

Основные параметры ММ ОВ описаны и регламентированы в рек. G.651. Однако рек. G.651 не отражает, естественно, все разнообразие марок ММ ОВ. Значительно более информативны спецификации, приводимые в каталогах компаниями-производителями.

Параметры, перечисленные в спецификациях, как правило, достаточно понятны, однако некоторые из них нуждаются в пояснении.

• Тип волокна — стандартное или градиентное ММ ОВ. Иногда градиентное ОВ обозначается как GIF;
• Рабочие окна прозрачности — приведены только используемые окна: в окрестности 850 нм и 1310 нм;
• Затухание, прирост затухания, полоса пропускания, хроматическая дисперсия и групповой показатель преломления даются для двух длин волн — 850 и 1310 нм, соответствующих используемым окнам прозрачности;
• Широкополосность или параметр BW (band width) — имеет размерность [МГц∙км], т. е. соответствует ширине полосы, обеспечиваемой ВОЛС на длине 1 км (этот параметр иногда называют коэффициентом широкополосности, хотя правильнее говорить об относительной/нормированной полосе пропускания). Для ВОЛС длины L фактически обеспечиваемая полоса вычисляется как BW/L, т. е. она обратно пропорциональна длине линии. Этот параметр нормируется только для ММ ОВ, для которых трудно вычислить эквивалентную модовую дисперсию. Компания Corning чаще указывает гарантированное расстояние передачи гигабитного (GE) или 10-гигабитного (10GE) Ethernet, что более информативно, т. к. учитывает фактическую BW сигнала Ethernet.
• Динамическая усталость — фактор сопротивления динамической усталости, определяющий способность ОВ противостоять долговременным механическим нагрузкам (чем выше n, тем больше надежность волокна).

Одномодовые ОВ, регламентированные стандартами ITU-T

Основные параметры ОМ ОВ описаны и регламентированы в рек. ITU-T G.650, G.652–657, которые используются в основном для ссылок в официальных документах на тип волокна. В них, однако, приводятся основные (чаще всего предельные) характеристики ОВ соответствующих категорий (типов).

ITU-T (МСЭ-Т) регламентируют шесть типов ОМ ОВ, а именно:

• G.652 (тип SF — Standard Fiber) — стандартное, наиболее широко используемое ОМ ОВ с положением «0» дисперсии на длине волны 1310 нм; сегодня существуют четыре его модификации: G.652.A, G.652.B, G.652.C и G.652.D;
• G.653 (тип DSF — Dispersion Shifted Fiber) — ОМ ОВ со сдвигом «0» дисперсии на длину волны 1550 нм; основное ОМ ОВ, используемое в системах SDH, использующих одну несущую; сегодня существуют две его модификации: G.653.А и G.653.В;
• G.654 (тип CSF — Cut-off Shifted Fiber) — ОМ ОВ со сдвигом длины волны отсечки с 1260 на 1530 нм для увеличения диаметра модового поля (до 13,7 мкм максимум), т. е. площади поперечного сечения сердцевины; на практике используется редко, сегодня существуют четыре его модификации: G.654.A, G.654.B, G.654.C и G.654.E;
• G.655 (тип NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Fiber) — ОМ ОВ со сдвигом «0» дисперсии в 3-е окно (1550 нм), но за пределы области 1530–1565 нм, где его дисперсия мала по величине и наклону; ОВ изготавливаются с симметричными положительными и отрицательными дисперсионными характеристиками, для использования схем с управляемой дисперсией; длина волны отсечки у них сдвинута с 1260 на 1450 нм; широко применяется в системах WDM, использующих несколько несущих в одном ОВ; сегодня существуют 5 его модификаций: G.655.A, G.655.B, G.655.C, G.655.D и G.655.Е;
• G.656 (тип NDFWT — Non-zero Dispersion Fiber for Wideband Transport) — ОВ, формально похожий на ОВ типа G.655, но имеющий малую по величине и наклону дисперсию в более широком диапазоне длин волн — 1460–1625 нм; предназначен для широкополосных транспортных сетей WDM и DWDM;
• G.657 (тип — Bending Loss Insensitive Fiber) — ОВ, формально похожий на стандартное ОВ типа G.652.D, но предназначенный для сетей доступа и локальных сетей с горизонтальной подсистемой, связывающей несколько зданий; его основная особенность — существенно сниженные потери при макроизгибах и уменьшенный допустимый радиус изгиба (до 7,5 мм минимум), облегчающие прокладку внутриобъектовых и локальных сетей; кроме того, данный тип ОВ имеет более жесткие механические допуски; сегодня существуют две его модификации: G.657.А и G.657.В.

Каталоги оптического волокна позволяет проектировщикам ВОЛС ориентироваться в типе и параметрах одномодовых ОВ, на которые производители ссылаются чаще всего по названию стандарта.

Основные характеристики ОМ волокон

• Тип волокна — один из 6 типов, описанных выше. Для ОМ ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) знак «+» означает, что дисперсионный параметр D положителен, знак «–» — что он отрицателен, этот знак важен для систем, использующих управление дисперсией, в том числе и с помощью DCM — модулей компенсации дисперсии. Кроме этих типов ОВ, производители предлагают ОВ типа ZWPF (Zero Water Peak Fiber) — волокно с нулевым водяным пиком, разработанные для систем CWDM, которое может работать в полосе от 1270 до 1625 нм.
• Рабочие окна прозрачности — кроме обозначений окон указывается и более точный интервал, например 1530–1565 нм, если ОВ оптимизировано для работы именно в нем. Сначала под окнами понимались узкие области минимумов кривой поглощения света в ОВ в окрестности: 850 нм (1), 1310 нм (2) и 1550 нм (3). Сегодня 2-е окно — это область 1270–1325 нм, 3-е окно — 1528–1565 нм, 4-е окно — 1565–1625 нм, 5-е окно — 1325–1450 нм. Например, волокно AllWave компании OFS (и другие ОВ типа ZWP) может работать в четырех окнах: 2–5.
• Затухание дается как для фиксированных длин волн — 1310, 1383 нм (водяной пик затухания, вызванный гидроксильной группой OH), 1550 нм, так и в диапазонах внутри окон, что важно для прикидки возможности использования ОВ в системах WDM. Как правило, приводятся два значения (через разделительную черту): первое соответствует максимально возможной величине, второе — фактически наблюдаемой на практике (на него можно ориентироваться с большой долей вероятности).
• Прирост затухания приводится (при использовании в широком диапазоне температур) для двух диапазонов температур (–60 – 55 °С) или (–60 — 85 °С) через разделительную черту, если дано одно из них, то знак «–» означает отсутствие данных для другого диапазона. Аналогичный прирост может быть и от других факторов, например, при эксплуатации ОК в водной среде или от чрезмерно малого радиуса кривизны при частых изгибах ОВ и др.
• Длина волны отсечки — минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает распространение только одной моды излучения. Приводятся (через разделительную черту) оба значения: для сердцевины и кабеля в целом или одно из них (знак «–» означает отсутствие данных). Первое значение обычно выше второго, которое определяется в результате измерений и служит практическим ориентиром длины волны отсечки. Если кабель используется для передачи несущих с длинами волн ниже длины волны отсечки, то ОВ фактически становится многомодовым, а возникающие дополнительные моды могут привести к существенному увеличению дисперсии.
• Длина волны нулевой дисперсии приведена по стандарту либо оценена на основании других данных. Вместе с наклоном при нулевой дисперсии она дает возможность грубо оценить значение дисперсии для конкретной длины волны, используя интерполяционные формулы.
• Область ненулевой дисперсии приводится для ОМ ОВ, оптимизированного для работы с системами WDM в указанной области. Знание ее важно при оценке влияния так называемого четырёхволнового смешения (относящегося к нелинейным эффектам) на эти системы.
• Изменение дисперсионного параметра D, в З окне приводится для ОМ ОВ с ненулевой дисперсией и соответствует границам указанного окна. Знание D важно для расчета накопленной дисперсии на длине пролета (span) — участка передачи, перекрываемого одним оптическим усилителем. Ограничения на нее приводятся в спецификациях на системы WDM в рамках параметра, называемого конфигурацией системы, например, 4х33, 5х30, где первая цифра — число пролетов на одну секцию, а вторая — бюджет ОУ на пролет в дБ.
• Дисперсия PMD для протяженной линии — этот параметр дает статистическое значение PMD в кабеле. Данный параметр используется для более достоверной оценки накопленной (на длине секции) дисперсии PMD для высокоскоростных систем связи (10 Гбит/с и выше).
• Эффективная площадь светового поля — этот параметр вводится, как эквивалент площади сердцевины для систем DWDM. В них используются лазерные источники высокой интенсивности, что ведет к росту нелинейных эффектов. Для снижения плотности оптической мощности необходимо увеличивать эффективную площадь светового поля, что делается за счет оптимизации профиля показателя преломления (ПП). Например, в волокне LEAF (компании Corning) эта площадь повышена настолько, что дает прирост допустимой мощности источника излучения на 2 дБ (используемый профиль ПП — трезубец).
• Вид профиля показателя преломления — кроме прямоугольного профиля ПП, в волокнах типа NZDSF для формирования относительно плоской дисперсионной характеристики (с малой величиной дисперсии) используются специальные профили ПП. Наиболее широко используемые из них — трезубец и треугольник на пьедестале (ꓥ-профиль), формируемые при использовании нескольких оболочек с разным значением ПП.
• Радиус собственной кривизны волокна — параметр, влияющий на смещение центра волокна при укладке его для сварки в V-образную канавку (чем меньше радиус, тем больше смещение).

Ряд других параметров — механических, точностных и температурных — обычно отражен в меньшей степени.

Рекомендации по применению оптических волокон в системах связи

Раньше все волокна использовались в основном в системах магистральной связи с технологиями PDH, SDH и WDM. Сегодня они стали использоваться в сетях доступа — PON, FTTB, FTTH с технологиями Ethernet, IP, ATM и локальных сетях. Приводим краткую сводку рекомендаций, которые накопились в процессе использования в них ОВ:

• ММ ОВ используются сегодня только в локальных сетях и сетях доступа и практически не используются в сетях PDH, SDH и WDM, хотя раньше и использовались в сетях PDH, как правило, в окне 1310 нм.
• Волокна SF (рек. С.652) используются наиболее широко (хотя они самые старые и массовые типы ОВ, но они постоянно совершенствуются — например, SMF-28 Ultra компании Corning). За последние годы их фактическое затухание было уменьшено (до величин 0,17 дБ/км) и может соответствовать требованиям рек. G.654.
• SF G.652 последних модификаций фактически стали волокнами типа ZWP и могут быть использованы для любых применений, в том числе для систем CWDM и для высокоскоростных одноканальных систем SDH вплоть до скоростей 40 Гбит/с. Их единственный недостаток — большая хроматическая дисперсия (ХД) на длине волны 1550 нм (17–20 пс/нм/км), может быть устранен использованием модулей компенсации дисперсии DCM или же использованием метода управления дисперсией. Именно такое решение применяется не только для SDH, но и для WDM, когда используется старая кабельная сеть.
• Волокна DSF (рек. G.653) широко используются для систем SDH (STM-16 и выше). Однако, если в перспективе предстоит переход на системы WDM, то их использование нежелательно (ввиду ярко выраженного эффекта четырёхволнового смешения (ЧВС), т. к. нуль дисперсии лежит внутри рабочего диапазона систем WDM, облегчая возникновение ЧВС).
• Волокна CSF (рек. G.654), учитывая большую площадь сердцевины и малое затухание, предназначаются в основном для трансокеанских ВОЛС, где требуется использовать большой уровень входного сигнала для реализации секций большой длины. Таким является ОВ Vascade EX1000 компании Corning, разработанное для подводных ВОЛС без ОУ. Его данные: тип G.654C, затухание 0,16–0,17 дБ/км, дальность пролета до 310 км (при одном EDFA) и до 400 км (при тандеме EDFA-Raman).
• Волокна NZDSF (рек. G.655) оптимизированы для работы в системах WDM. Выбор конкретной марки ОВ при этом зависит от используемого диапазона длин волн, т. к. внутри него значение дисперсии не должно быть нулевым (для исключения ЧВС). В пределах выбранного диапазона оно должно быть одного знака и составлять не менее 2–4 пс/нм/км.
• Волокна NDFWT (рек. G.656) также предназначены для работы с WDM. Они позволяют увеличить разнос несущих и тем самым использовать более высокие скорости передачи, применяемые для мультиплексирования в системах WDM, однако, открытым остается вопрос о создании широкополосных ОУ.
• Волокна BLIF иногда используется обозначение BIF (рек. G.657) оптимизированы для работы в локальных сетях и для использования при внутриобъектовой проводке, поскольку при прокладке в пределах здания можно столкнуться с вынужденными макроизгибами по трассе волоконно-оптического кабеля.
• С точки зрения использования ОВ для среднескоростных систем SDH (до 2,5 Гбит/с включительно — STM-16), можно констатировать, что при одной несущей может быть использовано любое ОВ, удовлетворяющее по затуханию и накопленной дисперсии требованиям заказчика. Если предполагается впоследствии переходить к WDM, то можно применять любое ОВ, кроме DSF, используя при этом альтернативные технических решения: либо волокно SSMF + волокно DCF, либо волокно NZDSF с малым наклоном кривой D, либо чередование NZDSF+/NZDSF– (метод с управлением дисперсией) — конкретный выбор диктуется экономическими соображениями.
• С точки зрения использования ОВ для высокоскоростных систем SDH (10 Гбит/с и выше, т. е. на уровне STM-64, STM-256), можно констатировать, что при одной несущей может быть использовано любое ОВ, удовлетворяющее по затуханию, накопленной дисперсии и величине поляризационной модовой дисперсии — PMD (она должна быть не хуже 0,1–0,2 пс/км^-1/2) или допуску на ее накопленное значение требованиям заказчика. Если предполагается впоследствии переходить на WDM, то главным остается требование по ограничению накопленной PMD, а в остальном соображения те же, что и в предыдущем пункте (наилучшим при этом будет использование метода с управлением дисперсией).

Рекомендуем ознакомиться с описанием выпускаемой волоконной продукции фирмы Corning в соответствующем материале либо на сайте производителя.