§ 1. Введение

В настоящее время в линиях связи по всему миру уложено несколько сот миллионов километров оптических волокон. Причем около 90% из них приходится на долю стандартных одномодовых волокон (Rec.G. 652). Для обозначения стандартных одномодовых волокон используют несколько различных сокращений: SF- Standard Fiber, SSMF - Standard Single Mode Fiber, NDSF - No Dispersion Shifted Fiber. Наиболее распространенное обозначение: SM - Single Mode.

Как уже обсуждалось ранее, потери и дисперсия являются основными оптическими характеристиками волокна. Так как в российских линиях связи оптические усилители практически не используются и скорость передачи данных, как правило, не превышает 2.5 Гбит/с, то потери в SM волокнах являются основным фактором, ограничивающим длину ретрансляционного участка линии. В то же время, учитывая большой (25 лет) планируемый срок жизни этих линий, необходимо принимать во внимание и вторую важнейшую характеристику SM волокон - дисперсию. Спектр потерь в SM волокнах и их дисперсионные характеристики приведены в I разделе.

Хотя SM волокна в соответствии с рекомендациями G.652 оптимизированы для работы на λ = 1310 нм, но они могут применяться и на более длинных волнах в системах уплотнения каналов по длинам волн (WDM). На магистральных линиях связи и в сетях регионального и городского масштаба применяются системы плотного спектрального уплотнения (Dense WDM), а в сетях доступа - системы с большим (20...25 нм) разносом частот (Coarse WDM). Во II разделе рассмотрены особенности применения SM волокон в таких системах, как DWDM, так и CWDM.

Основные параметры оптических кабелей с SM волокнами определены в рекомендациях G.652 ITU-T. Ссылки на этот стандарт часто встречаются в литературе, сам стандарт практически недоступен широкому кругу читателей. Для того чтобы восполнить этот пробел, в III разделе приведены и снабжены комментариям основные положения Rec.G.652 ITU-T.

Раздел I

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ SM ВОЛОКОН

§ 2. Спектр потерь в sm волокнах

Потери в волокне. Потери в центрах окон прозрачности приведены в первой строке таблицы №2.1. Обычно в спецификациях приводится типовое значение потерь; по специальному заказу могут быть поставлены SM волокна с меньшими потерями порядка 0.18...0.19 дБ/км на λ= 1550 ими 0.31... 0.32 дБ/км на λ = 1310 нм.

Таблица № 2.1. Потери в SMF-28™ (Corning)

1 . Спектр потерь	Потери на λ = 1310 нм на λ = 1550 нм на λ = 1383 ± 3 нм Прирост потерь в диапазонах: 1285…1330 нм и 1525…1575 нм	0.34 дБ/км 0.20 дБ/км ≤ 2.1 дБ/км 0.05 дБ/км
2. Потери на изгибе	Приращение потерь при намотке 1 00 витков на оправку 75 мм на λ= 1310 нм, на λ = 1550 нм при намотке 1 витка на оправку 32 мм λ= 1550 нм	≤ 0.05 дБ ≤ 0.05 дБ ≤ 0.5 дБ
3. Длина волны отсечки	В волокне В кабеле	1150. ..1350 нм < 1260 нм

В первой строке таблицы № 2.1 приведены значения потерь в прямом волокне на нескольких длинах волн. При λ < 1600 нм потери ограничиваются в основном релеевским рассеянием и уменьшаются с увеличением длины волны ~ 1/λ⁴. Поэтому на λ = 1550 нм потери меньше, чем на λ = 1310 нм.

Во второй строке таблицы № 2.1 приведены значения потерь, возникающих при намотке волокна на оправку. Видно, что потери быстро увеличиваются с уменьшением радиуса намотки. Так, если при намотке 100 витков на оправку диаметром 75 мм они не должны превышать 0.05 дБ (на λ = 1550 нм), то при намотке только одного витка на оправку примерно вдвое меньшего диаметра (32 мм) допустимая величина потерь уже на порядок больше (0.5 дБ).

Диаметры оправок и число витков выбраны неслучайно. Диаметр намотки (75 мм) соответствует общепринятому минимальному радиусу изгиба, при котором еще не возникает повреждений из-за статической усталости волокон, а число витков (100) примерно равно числу изгибов оптического кабеля на длине ретрансляционного участка. При проведении рутинных (многократно повторяющихся) измерений удобно использовать только один виток, но меньшего диаметра (32 мм).

Спектры потерь в изогнутых и «прямых» волокнах могут существенно различаться. Если в прямом волокне потери на λ = 1550 нм меньше, чем на λ = 1310 нм, то для потерь, вносимых при изгибе волокна, ситуации обратная. Происходит это потому, что чем больше длина волны, тем большая ее часть выходит в оболочку и тем сильнее эта волна высвечивается при изгибе волокна. Поэтому обеспечить условие того, чтобы приращение потерь при намотке на оправку не превышало 0.05 дБ, труднее всего на более длинной волне 1550 нм.

В третьей строке таблицы № 2.1 приведены значения длины волны отсечки в волокне в первичном покрытии и в волокне после его укладки в оптический кабель. Длина волны отсечки волокна в кабеле (< 1260 нм) выбрана в соответствии с рекомендациями G.652 (она меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона). При таком выборе длины волны отсечки в кабеле одномодовый режим должен выполняться для всех рабочих длин волн.

Длина волны отсечки волокна в первичном покрытии может быть и больше самой короткой длины волны рабочего диапазона. Предполагается, что после укладки в кабель она станет меньше 1260 нм. Естественно, это требует проверки.

Как видно из первой строки таблицы №2.1, потери в пике поглощения примесей ОН (λ= 1383 ± 3 нм) намного превышают потери на λ = 1310 нм и λ = 1550 нм. В результате значительная часть диапазона длин волн между 1310 нм и 1550 нм оказывается недоступной для связи. В последних разработках SM волокон за счет улучшения технологи очистки от водяных паров удалось снизить потери в «водяном» пике на λ = 1383 ± 3 нм.

Волокна без «водяного» пика (LWPF - Low Water Peak Fiber) производятся несколькими компаниями: AllWave (Lucent Technologies, теперь OFS ), SMF-28e (Corming), SMR (Pirelli). Потери в «водяном» пике уменьшены до величины 0.31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности на λ = 1310 нм (0.35 дБ/км) (рис. 2.1). В результате появилась возможность создавать системы, работающие в пятом окне (S) прозрачности (1480...1520 нм), и в широком диапазоне длин волн (Е) находящимся между вторым и пятым окном прозрачности (1360…1460 нм). Этот новый диапазон длин волн назвали расширенным (Extended) и обозначают буквой Е.

Рис. 2.1. Спектр потерь в стандартных одномодовых волокнах:

т иповое SM волокно;

SM волокно улучшенной очистки от примеси водяных паров (ОН)

SM волокна без «водяного» пика поглощения на λ = 1383 ± 3 нм обладают следующими основными преимуществами:

• Становится доступным целиком весь диапазон длин волн от 1280 нм до 1625 нм, что примерно на 50 % больше, чем с обычным SM волокном.

• Позволяет использовать рабочую длину волны вблизи 1400 нм, где коэффициент дисперсии у SM волокна еще не слишком велик и не ограничивает возможность передачи данных со скоростью 10 Гбит/с (STM-64).

• Число каналов в системе CWDM (система спектрального уплотнения с большим интервалом (20.. .25 нм) между каналами) может быть увеличено на 33 % (до 16 каналов).

Интересно, что с LWPF волокнами связывают возможность изменения концепции наращивания пропускной способности линии - вместо резервирования «темного волокна» можно будет использовать длину волны излучения в DWDM или CWDM системе.

Геометрические параметры. Величина полных потерь в линии связи определяется не только потерями в волокне, но и потерями в сростках волокон. Потери в сростках волокон тем меньше, чем меньше допуски на геометрические параметры волокон и на диаметр модового пятна. Геометрические параметры и значения диаметров модовых пятен для волокна SMF-28™ приведены в таблице № 2.2.

Таблица № 2.2. Геометрические параметры SMF-2S™

Диаметр модового пятна: на λ = 1310 нм на λ= 1550 нм	9.2 ± 0.4 мкм 10.4 ± 0.8 мкм
Эксцентриситет сердцевины и оболочки	≤0.5 мкм
Допуск на диаметр оболочки	125 ± 1.0 мкм
Эллиптичность оболочки	≤1 .0 %
Собственный изгиб волокна	≥ 4.0 м

Как было показано в главе I, диаметр медового пятна w для SM волокон можно рассчитать с помощью простой формулы (1.3): w = 7 λ. С ее помощью находим значения диаметров модовых пятен на λ = 1310 нм и λ = 1550 нм: w = 9.1 мкм и w = 10.85. Сравнивая их со значениями, приведенными в первой строке таблицы № 2.2, видим, что они совпадают в пределах допуска.

Чем больше допуск на диаметр модовых пятен, тем больше величина рассогласования диаметров модовых пятен соединяемых волокон и тем больше величина потерь в сварных соединениях. Допуск на диаметр модовых пятен в SMF - 28™ удовлетворяет требованиям Rec. G.652, так как укладывается в 10 % коридор. Используя значения, приведенные в первой строке таблицы № 2.2 и формулу (1.4) для величины потерь (α(дБ) = 4.34 (Δw/w)²), находим, что эти потери не превышают 0.025 дБ. Напомним, что по требованиям Ростелекома потери в сварных соединениях волокон не должны превышать 0.05 дБ.

Кроме того, как уже упоминалось в первой главе, для волокон, вытянутых из одной заготовки (см. рис. 1.14), относительная флуктуация диаметра модового пятна волокна составляет всего лишь 1-2 %, и в этом случае потери из-за рассогласования диаметров модовых пятен свариваемых волокон будут пренебрежимо малы.

Во второй, третьей и четвертой строках таблицы № 2.2 приведены значения эксцентриситета сердцевины и оболочки, эллиптичности оболочки и допуска на ее диаметр оболочки. Их величины примерно в два раза меньше соответствующих значений, приведенных в Rec. G.652. Эти параметры несовершенств волокон важны потому, что они определяют величину смещения сердцевин волокон друг относительно друга при соединении их с помощью адаптеров и механических соединителей, а также влияют на степень коррекции эксцентриситета свариваемых волокон.

В последней строке таблицы № 2.2 приведено значение радиуса собственного изгиба волокна. Собственный изгиб волокна влияет на величину потерь при одновременной сварке нескольких пар волокон. Если радиус этого изгиба мал, то не удается одинаково хорошо сьюстировать все пары соединяемых волокон. У большинства фирм-изготовителей радиус кривизны собственного изгиба волокна не превышает 4 м.