eng
Выпуск #3/2014
М.Фуджимаки
Передовые технологии оптического волокна: от ультрадлинной магистрали до домашней проводки
Передовые технологии оптического волокна: от ультрадлинной магистрали до домашней проводки
Просмотры: 3920
Различные оптические волокна используются для широкого спектра приложений: от подводной линии дальней связи до домашней проводки, и для каждого приложения необходимы новые волокна. Fujikura разработала волокна с малыми потерями при малом радиусе изгиба, при этом их потери более чем на порядок меньше, чем у обычного одномодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления. Fujikura также ведет разработку многосердцевинных волокон, которые могут обеспечить прорыв в пропускной способности и потому привлекают особое внимание как новинка для дальнемагистральной оптической связи.
Оптические волокна (ОВ) распространены очень широко. Подводные оптические кабели заменили спутники как средство межконтинентальной связи. Во многих странах внедряются технологии FTTH и FTTX. Fujikura как ведущий мировой поставщик оптического волокна разрабатывает новые волокна для различных применений.
В общем случае при малом радиусе изгиба ОВ часть света покидает его сердцевину и возникают так называемые потери при изгибе. Скорость беспроводной связи и объем интернет-трафика стремительно растут. Спрос на волоконно-оптические сети большой емкости увеличивается впечатляющими темпами. Многосердцевинное волокно, использующее несколько сердцевин в одной оболочке, может обеспечить прорыв в пропускной способности линии передачи и перспективно как новое оптическое волокно для дальней связи.
НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ К ИЗГИБУ ВОЛОКНО
Технология FTTH требует компактной укладки оптических кабелей. Обычно при монтаже избыток кабелей в сплайс-кассетах сворачивается кольцами (рис.1). Более низкие потери при изгибе позволяют уменьшить диаметр колец и обеспечить их компактное хранение.
ITU-T (International Telecommunication Union’s Telecommunication Standardization Sector) рекомендует использовать обычное одномодовое волокно стандарта G.652, минимальный радиус изгиба которого 30 мм. Таким образом, для хранения этого волокна требуется катушка диаметром 60 мм. Стандарт G.657 характеризует две категории нечувствительного к изгибу оптического кабеля. Волокно подкатегорий А полностью совместимо с волокном стандарта G.652, его параметры соответствуют параметрам последнего или превышают их, и поэтому данное ОВ можно использовать в сетях доступа. Волокно подкатегорий В совместимо с ОВ стандарта G.652 не в полной мере. Параметры этого волокна могут отличаться от стандарта, но снижение качества работы системы будет незначительным. Поэтому такое ОВ можно использовать в кабелях для прокладки внутри зданий.
Волокно BIS-B
На рис.2 показан профиль показателя преломления волокна FutureGuide-BIS-B (далее BIS-B) и обычного одномодового ОВ стандарта G.652. В волокне типа BIS-B сердцевину окружает область с низким показателем преломления - "яма" на профиле показателя преломления. Эта яма строго ограничивает электрическое поле в центральном сердечнике, и таким образом достигаются низкие потери при изгибе волокна BIS-B. В итоге потери при изгибе волокон BIS-B существенно ниже по сравнению с ОВ G.657.A2 (рис.3). Введение "ямы" в профиле показателя преломления существенно уменьшает потери при изгибе оптического волокна.
Волокно BIS-B может применяться для широкого ряда приложений. Несмотря на то что у этого волокна потери за счет изгиба сокращены, хроматическая дисперсия, диаметр поля моды и ослабление на длине волны 1383 нм сравнимы с параметрами одномодового волокна G.652 [1]. К примеру, волокно BIS-B может использоваться в офисном помещении для прокдаки сетей передачи данных. Во время монтажа или обслуживания оптические кабели или оптические соединительные шнуры могут быть случайно изогнуты с малым радиусом, при этом изгиб волокна может вызвать большие оптические потери и нарушение связи. Применение волокна BIS-B резко уменьшает такую вероятность.
Волокно HAF
Микроструктурированное (дырчатое) волокно HAF (Hole Assisted Fiber) – нечувствительное к изгибу волокно с изгибными потерями меньшими, чем у BIS-B [2]. Главная особенность волокна HAF состоит в том, что его оболочка содержит отверстия – воздушные полости, показатель преломления которых очень низок, почти равен 1. Как результат, эффективный показатель преломления стекла вблизи отверстий уменьшается (рис.4).
На рис.5 приведены зависимости изгибных потерь от радиуса изгиба на длине волны 1550 нм для волокна HAF и для нечувствительного к изгибу волокна стандарта G.657.B3 с минимальным радиусом изгиба 5 мм. Видно, что волокно HAF имеет крайне низкие потери при изгибе. Компания Fujikura разработала волокно HAF, совместимое с обычным одномодовым волокном стандарта G.652, хотя волокно категории B3 не обязательно совместимо с G.652.
Волокно HAF предназначено для проводки в помещениях. Оптический кабель на его основе можно укладывать в щели оконной рамы или дверной коробки, поскольку минимальный радиус его изгиба 3 мм.
МНОГОСЕРДЦЕВИННЫЕ ВОЛОКНА
Рост трафика требует и соответствующего увеличения пропускной способности оптических волокон и систем передачи в целом. На научных конференциях постоянно соообщается о рекордах пропускная способность систем передачи на основе одного ОВ (рис.6). Технологии когерентного приема с цифровой обработкой сигнала, применение многоуровневой модуляции и технологии оптического MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) для многосердцевинного волокна позволили в экспериментальных системах достичь скоростей передачи 100 Тбит/с.
Однако несмотря на эти достижения, пропускная способность ОВ растет все медленнее. Определено, что предел пропускной способности существующих систем передачи при использовании стандартного одномодового ОВ составляет около 100 Тбит/с [3]. Дальнейшее увеличение пропускной способности требует новых революционных технологий. Одна из них – технология многосердцевинных ОВ вкупе с мультиплексированием на основе пространственного разделения оптических сигналов [4–9], на развитии которой сосредоточилась компания Fujikura.
Структура многосердцевинного волокна
Поперечное сечение типичного многосердцевинного волокна для пространственного уплотнения показано на рис.7. Для увеличения пропускной способности каждой сердцевины перекрестные помехи между ними должны быть снижены, насколько это возможно. Кроме того, для повышения пропускной способности всего ОВ также эффективно повышение плотности расположения сердцевин и их числа. С точки зрения повышения совместимости и простоты проектирования оптических сетей, для многосердцевинных ОВ необходимо унифицировать такие оптические параметры, как диаметр модового пятна, хроматическую дисперсию и др. Причем чтобы нелинейные эффекты не приводили к снижению качества передачи, требуется большая площадь каждой сердцевины в ОВ [7].
Размещение и число сердцевин
Низкий уровень перекрестных помех и большое число сердцевин – это противоречивые требования для многосердцевинного волокна. Чтобы преодолеть данное противоречие, компания Fujikura предложила многосердцевинное волокно с ямой в профиле преломления (рис.8). Каждая из сердцевин имеет профиль показателя преломления, аналогичный показанному на рис.2б, что снижает и взаимовлияние электрических полей в этих сердцевинах. Рис.9 показывает уровень перекрестных помех для двух типов многосердцевинных ОВ как функцию расстояния между ними. При равном шаге между сердцевинами перекрестные помехи при наличии ям в профиле на 20 дБ ниже, чем между волокнами с традиционной технологией. Это означает, что при равном уровне перекрестных помех сердцевины с ямами в профиле можно располагать компактнее на 16%.Вдобавок к сниженным перекрестным помехам, технология с ямами позволила получить большую эффективную площадь сердцевины – 110 мкм2.
Простой способ повысить число сердцевин – расположить их в несколько слоев. Так, если мы добавим к ОВ с семью сердцевинами следующий слой по принципу гексагональной решетки, получим ОВ с 19 сердцевинами. При этом шаг сердцевин должен оставаться таким же для сохранения низкого уровня перекрестных помех. Диаметр 19-сердцевинного ОВ увеличивается до 240 мкм по сравнению с 160 мкм для 7-сердцевинного, и как следствие, снижается его механическая надежность. Fujikura разработала новое волокно с максимальной эффективной площадью и числом сердцевин при условии, что диаметр ОВ – около 200 мкм.
Поперечное сечение первого в мире десятисердцевинного волокна показано на рис.10. Эффективная площадь каждого сердечника от 116 до 125 мкм2. Перекрестные помехи между соседними наружными волокнами около –26 дБ, а между внешними волокнами и внутренним волокном –56 дБ, что достаточно для стабильной связи [8].
Итоги
Таким образом, компанией Fujikura созданы нечувствительные к изгибу волокна для технологии FTTH, а также многосердцевинные ОВ, перспективные для дальней передачи информации. Fujikura также изучает FMF-волокна (Few-ModeFibers), использующие несколько мод. Оптические системы ввода-вывода и усиления для многосердцевинных и FMF-волокон имеют ряд нерешенных технических вопросов, поэтому практическое использование этих волокон может задержаться на десяток лет. Fujikura продолжит исследование и разработку оптических волокон для систем оптической передачи информации нового поколения. Тем не менее, в 2012 году Fujikura установила мировой рекорд пропускной способности в 1,01 Пбит/с, используя свое 12-сердцевинное ОВ, модуляцию 32QAM-PDM и 222 WDM-канала в одном ОВ [10].
Литература
1. Nunome T. et al. Bend-insensitive optical fiber: FutureGuide®-BIS-B. – Fujikura Technical Review, 2009, No.40, p.8–12.
2. Kazuhide Nakajima, et al. Single-mode hole-assisted fiberwith low bending loss characteristics. – Proceedings 58thIWCS, 2009, p.264–269.
3. Morioka T. New generation optical infrastructure technologies: "EXAT initiative" towards 2020 and beyond. – OECC2009, FT4, 2009.
4. Takenaga K. et al. An investigation on crosstalk in multicorefibres by introducing random fluctuation along longitudinaldirection. – IEICE Trans. Commun., 2011, vol. E94-B, No.2, p.409–416.
5. Takenaga K. et al. Reduction of crosstalk by trench-assistedmulti-core fibre. – OFC/NFOEC 2011, OWJ4 (2011).
6. Koshiba M. et al.: "Heterogeneous multi-core fibers: proposaland design principle". – IEICE Electronics Express, 2009, vol. 6, No.2, p.98–103.
7. Takenaga K. et al. A large effective area multi-core fibrewith an optimized cladding thickness. – ECOC2011, 2011, No.1.LeCervin.2.
8. Sasaki Y. et al. Large-Effective-Area Uncoupled 10-Core Fiberwith Two-Pitch Layout. – OFC/NFOEC 2012, OM2D.4.
9. Saitoh K. et al. Full-vectorial imaginary-distance beam propagationmethod based on a finite element scheme: applicationto photonics crystal fibers. – IEEE J. Quantum Electron, 2002, vol.38, No.7, p.927–933.
10. Takara H. et al. 1.01-Pb/s(12 SDM/222 WDM/456 Gb/s)Crosstalk-managed Transmission with 91.4-b/s/Hz AggregateSpectral Efficiency. – ECOC2012, 2012, Th3.C.1.
В общем случае при малом радиусе изгиба ОВ часть света покидает его сердцевину и возникают так называемые потери при изгибе. Скорость беспроводной связи и объем интернет-трафика стремительно растут. Спрос на волоконно-оптические сети большой емкости увеличивается впечатляющими темпами. Многосердцевинное волокно, использующее несколько сердцевин в одной оболочке, может обеспечить прорыв в пропускной способности линии передачи и перспективно как новое оптическое волокно для дальней связи.
НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ К ИЗГИБУ ВОЛОКНО
Технология FTTH требует компактной укладки оптических кабелей. Обычно при монтаже избыток кабелей в сплайс-кассетах сворачивается кольцами (рис.1). Более низкие потери при изгибе позволяют уменьшить диаметр колец и обеспечить их компактное хранение.
ITU-T (International Telecommunication Union’s Telecommunication Standardization Sector) рекомендует использовать обычное одномодовое волокно стандарта G.652, минимальный радиус изгиба которого 30 мм. Таким образом, для хранения этого волокна требуется катушка диаметром 60 мм. Стандарт G.657 характеризует две категории нечувствительного к изгибу оптического кабеля. Волокно подкатегорий А полностью совместимо с волокном стандарта G.652, его параметры соответствуют параметрам последнего или превышают их, и поэтому данное ОВ можно использовать в сетях доступа. Волокно подкатегорий В совместимо с ОВ стандарта G.652 не в полной мере. Параметры этого волокна могут отличаться от стандарта, но снижение качества работы системы будет незначительным. Поэтому такое ОВ можно использовать в кабелях для прокладки внутри зданий.
Волокно BIS-B
На рис.2 показан профиль показателя преломления волокна FutureGuide-BIS-B (далее BIS-B) и обычного одномодового ОВ стандарта G.652. В волокне типа BIS-B сердцевину окружает область с низким показателем преломления - "яма" на профиле показателя преломления. Эта яма строго ограничивает электрическое поле в центральном сердечнике, и таким образом достигаются низкие потери при изгибе волокна BIS-B. В итоге потери при изгибе волокон BIS-B существенно ниже по сравнению с ОВ G.657.A2 (рис.3). Введение "ямы" в профиле показателя преломления существенно уменьшает потери при изгибе оптического волокна.
Волокно BIS-B может применяться для широкого ряда приложений. Несмотря на то что у этого волокна потери за счет изгиба сокращены, хроматическая дисперсия, диаметр поля моды и ослабление на длине волны 1383 нм сравнимы с параметрами одномодового волокна G.652 [1]. К примеру, волокно BIS-B может использоваться в офисном помещении для прокдаки сетей передачи данных. Во время монтажа или обслуживания оптические кабели или оптические соединительные шнуры могут быть случайно изогнуты с малым радиусом, при этом изгиб волокна может вызвать большие оптические потери и нарушение связи. Применение волокна BIS-B резко уменьшает такую вероятность.
Волокно HAF
Микроструктурированное (дырчатое) волокно HAF (Hole Assisted Fiber) – нечувствительное к изгибу волокно с изгибными потерями меньшими, чем у BIS-B [2]. Главная особенность волокна HAF состоит в том, что его оболочка содержит отверстия – воздушные полости, показатель преломления которых очень низок, почти равен 1. Как результат, эффективный показатель преломления стекла вблизи отверстий уменьшается (рис.4).
На рис.5 приведены зависимости изгибных потерь от радиуса изгиба на длине волны 1550 нм для волокна HAF и для нечувствительного к изгибу волокна стандарта G.657.B3 с минимальным радиусом изгиба 5 мм. Видно, что волокно HAF имеет крайне низкие потери при изгибе. Компания Fujikura разработала волокно HAF, совместимое с обычным одномодовым волокном стандарта G.652, хотя волокно категории B3 не обязательно совместимо с G.652.
Волокно HAF предназначено для проводки в помещениях. Оптический кабель на его основе можно укладывать в щели оконной рамы или дверной коробки, поскольку минимальный радиус его изгиба 3 мм.
МНОГОСЕРДЦЕВИННЫЕ ВОЛОКНА
Рост трафика требует и соответствующего увеличения пропускной способности оптических волокон и систем передачи в целом. На научных конференциях постоянно соообщается о рекордах пропускная способность систем передачи на основе одного ОВ (рис.6). Технологии когерентного приема с цифровой обработкой сигнала, применение многоуровневой модуляции и технологии оптического MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) для многосердцевинного волокна позволили в экспериментальных системах достичь скоростей передачи 100 Тбит/с.
Однако несмотря на эти достижения, пропускная способность ОВ растет все медленнее. Определено, что предел пропускной способности существующих систем передачи при использовании стандартного одномодового ОВ составляет около 100 Тбит/с [3]. Дальнейшее увеличение пропускной способности требует новых революционных технологий. Одна из них – технология многосердцевинных ОВ вкупе с мультиплексированием на основе пространственного разделения оптических сигналов [4–9], на развитии которой сосредоточилась компания Fujikura.
Структура многосердцевинного волокна
Поперечное сечение типичного многосердцевинного волокна для пространственного уплотнения показано на рис.7. Для увеличения пропускной способности каждой сердцевины перекрестные помехи между ними должны быть снижены, насколько это возможно. Кроме того, для повышения пропускной способности всего ОВ также эффективно повышение плотности расположения сердцевин и их числа. С точки зрения повышения совместимости и простоты проектирования оптических сетей, для многосердцевинных ОВ необходимо унифицировать такие оптические параметры, как диаметр модового пятна, хроматическую дисперсию и др. Причем чтобы нелинейные эффекты не приводили к снижению качества передачи, требуется большая площадь каждой сердцевины в ОВ [7].
Размещение и число сердцевин
Низкий уровень перекрестных помех и большое число сердцевин – это противоречивые требования для многосердцевинного волокна. Чтобы преодолеть данное противоречие, компания Fujikura предложила многосердцевинное волокно с ямой в профиле преломления (рис.8). Каждая из сердцевин имеет профиль показателя преломления, аналогичный показанному на рис.2б, что снижает и взаимовлияние электрических полей в этих сердцевинах. Рис.9 показывает уровень перекрестных помех для двух типов многосердцевинных ОВ как функцию расстояния между ними. При равном шаге между сердцевинами перекрестные помехи при наличии ям в профиле на 20 дБ ниже, чем между волокнами с традиционной технологией. Это означает, что при равном уровне перекрестных помех сердцевины с ямами в профиле можно располагать компактнее на 16%.Вдобавок к сниженным перекрестным помехам, технология с ямами позволила получить большую эффективную площадь сердцевины – 110 мкм2.
Простой способ повысить число сердцевин – расположить их в несколько слоев. Так, если мы добавим к ОВ с семью сердцевинами следующий слой по принципу гексагональной решетки, получим ОВ с 19 сердцевинами. При этом шаг сердцевин должен оставаться таким же для сохранения низкого уровня перекрестных помех. Диаметр 19-сердцевинного ОВ увеличивается до 240 мкм по сравнению с 160 мкм для 7-сердцевинного, и как следствие, снижается его механическая надежность. Fujikura разработала новое волокно с максимальной эффективной площадью и числом сердцевин при условии, что диаметр ОВ – около 200 мкм.
Поперечное сечение первого в мире десятисердцевинного волокна показано на рис.10. Эффективная площадь каждого сердечника от 116 до 125 мкм2. Перекрестные помехи между соседними наружными волокнами около –26 дБ, а между внешними волокнами и внутренним волокном –56 дБ, что достаточно для стабильной связи [8].
Итоги
Таким образом, компанией Fujikura созданы нечувствительные к изгибу волокна для технологии FTTH, а также многосердцевинные ОВ, перспективные для дальней передачи информации. Fujikura также изучает FMF-волокна (Few-ModeFibers), использующие несколько мод. Оптические системы ввода-вывода и усиления для многосердцевинных и FMF-волокон имеют ряд нерешенных технических вопросов, поэтому практическое использование этих волокон может задержаться на десяток лет. Fujikura продолжит исследование и разработку оптических волокон для систем оптической передачи информации нового поколения. Тем не менее, в 2012 году Fujikura установила мировой рекорд пропускной способности в 1,01 Пбит/с, используя свое 12-сердцевинное ОВ, модуляцию 32QAM-PDM и 222 WDM-канала в одном ОВ [10].
Литература
1. Nunome T. et al. Bend-insensitive optical fiber: FutureGuide®-BIS-B. – Fujikura Technical Review, 2009, No.40, p.8–12.
2. Kazuhide Nakajima, et al. Single-mode hole-assisted fiberwith low bending loss characteristics. – Proceedings 58thIWCS, 2009, p.264–269.
3. Morioka T. New generation optical infrastructure technologies: "EXAT initiative" towards 2020 and beyond. – OECC2009, FT4, 2009.
4. Takenaga K. et al. An investigation on crosstalk in multicorefibres by introducing random fluctuation along longitudinaldirection. – IEICE Trans. Commun., 2011, vol. E94-B, No.2, p.409–416.
5. Takenaga K. et al. Reduction of crosstalk by trench-assistedmulti-core fibre. – OFC/NFOEC 2011, OWJ4 (2011).
6. Koshiba M. et al.: "Heterogeneous multi-core fibers: proposaland design principle". – IEICE Electronics Express, 2009, vol. 6, No.2, p.98–103.
7. Takenaga K. et al. A large effective area multi-core fibrewith an optimized cladding thickness. – ECOC2011, 2011, No.1.LeCervin.2.
8. Sasaki Y. et al. Large-Effective-Area Uncoupled 10-Core Fiberwith Two-Pitch Layout. – OFC/NFOEC 2012, OM2D.4.
9. Saitoh K. et al. Full-vectorial imaginary-distance beam propagationmethod based on a finite element scheme: applicationto photonics crystal fibers. – IEEE J. Quantum Electron, 2002, vol.38, No.7, p.927–933.
10. Takara H. et al. 1.01-Pb/s(12 SDM/222 WDM/456 Gb/s)Crosstalk-managed Transmission with 91.4-b/s/Hz AggregateSpectral Efficiency. – ECOC2012, 2012, Th3.C.1.
Отзывы читателей
