eng
Выпуск #6/2015
А.Микилев
Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы
Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы
Просмотры: 2966
Рассмотрены основные характеристики и перспективы применения на сети связи России оптических волокон наиболее массовой "стандартной группы", отвечающей рекомендациям МСЭ-Т G.652.D и G.657.A1.
Введение
Время, к сожалению, идет очень быстро – и вот скоро будет уже примерно полвека с начала эры проводной связи по оптическому волокну (ОВ). Оптические кабели (ОК) являются сегодня важнейшим компонентом современной глобальной сети связи, обеспечивающей самые разнообразные телекоммуникационные услуги и тотальную информатизацию общества. Зародившийся в 70-х годах прошлого столетия мировой рынок производства и потребления ОВ характеризуется цифрой около 350 млн. км в 2015 году. При этом суммарный объем производства ОК в России, по-видимому, превысит 150–200 тыс. км в физической длине даже в не очень экономически успешном нынешнем году.
Идея связи по световодам далеко не нова и буквально витала в воздухе многие годы, начиная с начала прошлого столетия. Однако применение ОВ для связи на расстояние хотя бы порядка одного километра очень долго ставилась под сомнение. Причиной тому была недостаточная прозрачность любых известных материалов. Первым кандидатом в качестве основы ОВ чаще всего были различные стеклообразующие материалы, проще говоря – стекла.
В работе Као [1], впоследствии получившего Нобелевскую премию вместе с другими создателями ОВ [2], было теоретически предсказано, что в ОВ, выполненном из достаточно чистого кварцевого стекла (химический состав SiO2 – без учета примесей) коэффициент затухания может быть менее 20 дБ/км, что означало реальную практическую возможность построения волоконно-оптической системы передачи (ВОСП). В силу уникального комплекса свойств кварцевого стекла, волокна на его основе имеет все те необходимые характеристики, которые позволяют успешно его использовать в технике связи [3, 4]. Но упомянутое затухание 20 дБ/км сегодня, конечно же, безнадежно устаревшая цифра. Современные одномодовые ОВ, как правило, имеют потери менее 0,20 дБ/км на длине волны 1550 нм [5].
Самое массовое – стандартное одномодовое волокно
Предполагая, что читателю профессионального издания вполне известно, чем одномодовое волокно отличается от многомодового, отметим, что самым массовым в производстве и применении (по-видимому, более 95% от всего мирового количества выпущенного и проложенного ОВ) есть (и скорее всего – останется при нашей жизни) так называемое "стандартное одномодовое ОВ". Основополагающим техническим нормативом здесь будем считать рекомендацию G.652 Международного союза электросвязи (МСЭ) [6]. Сразу подчеркнем, что в данном документе рекомендованные требования к некоторым параметрам (коэффициент затухания, поляризационная модовая дисперсия и др.) сегодня являются весьма "либеральными" и значительно отстают от давно достигнутого мирового уровня лидирующих производителей ОВ. Для примера укажем, что в G.652 допускается величина коэффициента затухания 0,4/0,3 дБ/км на длинах волн 1310/1550 нм, тогда как действующий российский норматив [8] предполагает его величину не выше 0,36/0,22 дБ/км.
Конструкция стандартного одномодового ОВ, в которой за последние 30 лет внешне мало что изменилось, имеет вид, показанный на рис.1.
Наиболее консервативным и жестко стандартизированным параметром этой типовой конструкции является так называемый диаметр оболочки (cladding diameter), стандартное значение его 125,0±0,5…0,7 мкм (допуск ±1 мкм по МСЭ-Т G.652. следует считать, по нашему мнению, устаревшим). Следующим устоявшимся параметром является диаметр ОВ в защитном покрытии (coating diameter), которое всегда выполняется двуслойным. Необходимость двух слоев обусловлена рядом причин, связанных, в первую очередь, с требованием обеспечения малого затухания ОВ, в том числе при низких температурах. В качестве материалов защитного покрытия уже около 40 лет применяются так называемые УФ-отверждаемые (отверждаемые под действием ультрафиолетового излучения) уретан-акрилаты (внутренний слой) и эпоксиакрилаты (внешний слой) – полимерные материалы, специально разработанные для этой цели. Диаметр наружного слоя защитного покрытия (без внешней окраски) чаще всего находится в пределах 235–250 мкм, по МСЭ-Т он особо не регламентируется. Диаметр внутреннего слоя также не нормируется, но обычно он близок к 200 мкм.
Так как оптические кабели связи могут содержать несколько десятков и даже сотен ОВ, их необходимо каким-то образом различать и идентифицировать в процессе монтажа при строительстве ВОЛС. Для этого ОВ часто поставляются окрашенными, либо окрашиваются уже на самом кабельном производстве. В качестве окрашивающих материалов используются УФ-отверждаемые так называемые "чернила" (coloring inc). Толщина окрашивающего покрытия обычно около 5 мкм. Таким образом, окрашенное ОВ имеет окончательный наружный диаметр примерно на 10 мкм больше неокрашенного, то есть приблизительно 245–255 мкм. Здесь также следует упомянуть технологию окраски ОВ некоторых производителей, заключающуюся в том, что наружный слой ОВ окрашивают сразу в процессе производства ОВ (colored on draw). Кроме того, для различения ОВ при монтаже ВОЛС основных цветов может быть недостаточно, поэтому на волокна могут наноситься специальные "напечатанные" кольцевые метки с помощью соответствующего оборудования.
На фото рис.2 показано сечение типичного ОМ ОВ (неокрашенного) при рассмотрении под обычным оптическим микроскопом. Видимые "дефекты" на поверхности торца здесь обусловлены тем, что скол ОВ был сделан (автором данной статьи) вручную с помощью простейших приспособлений. Яркая освещенная точка в центре – это, собственно, сердцевина, более светлая область – оболочка 125 мкм, далее к периферии – двуслойное защитное покрытие (акрилат). Слои оболочки выглядят здесь коричневыми вследствие сильного поглощения света в материале покрытия. При боковом освещении неокрашенное защитное покрытие выглядит почти прозрачным и бесцветным, иногда слегка желтоватым – в случае длительного хранения.
На кабельные заводы, производящие ОК, ОВ поставляется длинами обычно от 2 до 50 км, окрашенное или неокрашенное, намотанное на катушку (приблизительные "габариты" одного из типоразмеров катушки 200 Ч 300 мм) и упакованное в коробки по 4–6 катушек. Линейный вес ОВ составляет примерно 60–70 г/км, 50 км волокна на одной катушке весят, соответственно, около 3 кг.
Описанная конструкция одномодового ОВ была одновременно разработана многими производителями в США, Японии, Европе приблизительно в 1980-х годах, по существу, она де-факто стандартизирована (отсюда и название данной статьи) и является, напомним, самой распространенной, хотя она не единственная из широко применяемых[1].
ОВ без пика воды – "новое стандартное"
Важным этапом эпохи принципиального совершенствования стандартного ОВ была разработка примерно в 1998 году волокна "без пика воды" – Zero Water Peak, в результате чего ОВ G.652, работавшее ранее только в диапазонах длин волн 1310 и 1550 нм, стало "всеволновым" и теперь позволило осуществлять по нему передачу на любой длине волны – от 1270 до 1625 нм [5]. Данное достижение было закреплено "законодательно" в новых редакциях рекомендации G.652 (после 2000 года) введением категорий A/B/C/D. Категории G.652.С/D отличаются от G.652.A/B тем, что содержат требования к максимально допустимому затуханию на "пике воды" (1383 нм), которое теперь не должно превышать затухание на 1310 нм, то есть быть не более 0,4 дБ/км. Категории "С" от "D" друг от друга отличаются только требованиями к поляризационной модовой дисперсии (ПМД). По-видимому, во многих практических применениях это отличие мало существенно, но формально категория "D" все же является более строгой.
С появлением и становлением ОВ без пика воды в течение примерно последних 15 лет понятие "стандартное одномодовое волокно" постепенно получает новое содержание. "Пик воды" был вытеснен не только из конструкции ОВ, но и с мирового рынка во многих регионах, включая Россию. Таким образом, в качестве самого массового в настоящее время мы имеем G.652.D. Сегодня сложно найти волокно G.652.A/B, разве что только в достаточно давно проложенных ОК.
У современных ОВ G.652.D зависимость затухания от длины волны имеет вид, очень близкий к показанному на графиках рис.3.
Стандартное ОВ – совершенствование совершенного
Таким образом, термин "стандартное ОВ" мы теперь в большей степени относим к G.652.D, чем к "просто" G.652. Но на этом эволюция самого массового ОВ не остановилась. Казалось бы, его конструкция примерно к 2010 году достигла своего совершенства и улучшить в ней было больше нечего. Но, как и везде, конкуренция заставляет производителей продолжать совершенствовать совершенное, создавать новое или "как бы" новое…
Вернемся снова к затуханию. Чистое кварцевое стекло, без легирующих добавок, имеет область светопропускания в интервале примерно 160–3500 нм [4], причем наименьшее затухание (потери) имеет место на длине волны около 1560–1570 нм (что видно при внимательном рассмотрении графиков на рис.3). Напомним, что также были созданы специальные конструкции ОВ (класс ULL – Ultra Low Loss – сверхнизкое затухание) с коэффициентом затухания ≤ 0,15–0,16 дБ/км, но указанное достижение относилось к волокну без легирующих добавок в сердцевине. И такое ОВ прежде всего очень дорого в производстве. Что же касается массово применяемого и относительно дешевого (до 10 долл./км) рассматриваемого "стандартного" ОВ, то его конструкция всегда имеет добавку германия (а также, возможно, фосфора, бора и проч.), необходимую для обеспечения требуемого профиля показателя преломления сердцевины. Но принципиально необходимое присутствие германия в сердцевине приводит к некоторому дополнительному рассеянию света, в результате чего практический (и, вероятно, теоретический) предел минимально возможного затухания ОВ такой конструкции, как показывают исследования, находится где-то в интервале 0,177–0,179 дБ/км (на длине волны 1550 нм).
Таким образом, не рассматривая специальных дорогостоящих конструкций ОВ с чисто кварцевой сердцевиной, отмечаем, что у массового применяемого стандартного волокна (с легированной германием сердцевиной) лучшие его представители имеют коэффициент затухания, очень близкий к 0,18 дБ/км. Если быть точнее, то коммерческие ОВ такого типа, иногда условно выделяемые в специальную группу "LL" (Low Loss – пониженное затухание), имеют коэффициент затухания чаще всего в интервале (0,180 ± 0,002) дБ/км. Это, по-видимому, и есть предел затухания стандартного одномодового ОВ для рабочей длины волны 1550 нм.
Стандартное → универсальное = "все в одном"
Еще одним параметром стандартного ОВ, подвергнутым некоторому улучшению в последние годы, были потери при изгибе волокна. Интерес к данной характеристике не является, на наш взгляд, особо новым. Еще в 1985 году было разработано силами фирмы AT&T, затем Lucent Technologies и получило широкое распространение (в частности, в США) ОВ с конструкцией Depressed Cladding – c пониженным показателем преломления на периферии сердцевины. "Наследники" этой конструкции в том или ином виде достаточно широко используются и сегодня в конструкциях так называемых "нечувствительных к изгибу" – bend–insensitive – ОВ [9, 10]. Но такие волокна, по причине большего отличия конструкции их сердцевины от стандартного ОВ, при сварке с последним дают обычно небольшие дополнительные потери (не более 0,03 дБ). И, что еще хуже, демонстрируют "ступеньки" порядка 0,5 дБ на рефлектограммах в местах сварки с обычным стандартным ОВ, а это часто приводит в смущение неопытных строителей ВОЛС. Эти ступеньки, хотя и не являются опасными с точки зрения качества и работоспособности ВОСП, нередко являются предметом дополнительных "разборок" и вопросов к поставщикам ОК со стороны заказчиков [11, 12].
Поэтому представляется интересным ОВ последних разработок: (а) близкое по характеристикам к стандартному, но (б) имеющее пониженное затухание и, кроме того, (в) обладающее свойствами меньшей чувствительности к изгибам, а также (г) бесшовно (без ступенек на рефлектограммах) сваривающееся с типичным стандартным ОВ. Соответствующие типы (торговые марки) такого ОВ (назовем его условно "универсальным") были выведены на рынок в 2013–2015 годы многими ведущими изготовителями. Представителем такого волокна является AllWave One ZWP компании OFS [13–15].
Формально важно то, что новое "универсальное" ОВ, соответствуя рекомендации G.652.D, вписывается также и в категорию A1 рекомендации G.657 [7], хотя и минимально требовательную по нечувствительности к изгибу. Рекомендация G.657, еще раз напомним, относится к классу ОВ, мало чувствительных к изгибу [9, 10]. Чаще всего рек. G.657 ассоциируется с волокнами для сетей доступа, но этой отдельной темы в данной статье касаться не будем. Заметим, что рекомендация G.657 во многом копирует старую добрую G.652.
В табл.1 дано сравнение требований самых последних редакций G.652.D и G.657.A1 по некоторым ключевым параметрам ОВ. Также в таблице даны некоторые основные параметры представителей "универсального" ОВ от двух лидирующих производителей. Сделать выводы о соответствии характеристик нормативным документам и стандартам, и о преимуществах ОВ того или другого типа и производителя предоставляется самому читателю.
Заметим, что сегодня некоторые производители ОВ и кабелей делают акцент именно на "универсальности" этой последней разработки, подчеркивая такие качества, как пониженное затухание, более "гладкие" характеристики свариваемости, уменьшенные потери на макро- и микроизгибах, возможность работы в сети доступа при уменьшенных, но умеренных (R≥15 мм) радиусах изгиба. Но, возможно, окончательным критерием технико-экономической эффективности его применения будет цена вопроса, то есть если универсальное ОВ будет иметь цену, близкую к цене стандартного ОВ более "старых" поколений, тогда у него будет больше шансов стать таким же массовым, как и стандартное. И таким образом понятие "стандартное ОВ" в очередной раз получит новое содержание.
Следует еще немного сказать об ОВ с диаметром защитного покрытия 200 мкм. Сегодня на рынке есть как "подобные Flex" представители данной группы [10], так и "универсальное" ОВ, отличающееся от своей основной версии только диаметром покрытия (так же двухслойного): 200 мкм вместо 250 мкм. Уменьшенный диаметр покрытия дает возможность производить более тонкие кабели, экономя таким образом дефицитное пространство в кабельной канализации, трубопроводах и т.д. Степень будущей массовости такого решения пока также еще не совсем ясна. Тем не менее ОК с волокном 200 мкм уже предлагаются некоторыми российскими предприятиями, в частности, заводом "Кабельтов" (г. Видное Московской обл.) и СП "ОФС-Связьстрой-1 ВОКК" (г. Воронеж).
Заключение
На сегодняшней мировой сети наземной связи, включая Россию, самым массовым и широко применяемым является "стандартное" одномодовое волокно, соответствующее рекомендации G.652.D. Наметилась тенденция к более широкому применению "универсального" ОВ, соответствующего наиболее популярным категориям рек. G.652/G.657 МСЭ-Т и пригодного как для магистральной сети, так и для большинства сегментов сети доступа одновременно. Технико-экономическая эффективность массового применения "универсального" ОВ, возможно, потребует своего дальнейшего обоснования. Наиболее частым критерием целесообразности применения того или иного типа ОВ на сети обычно является его цена.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kao K.C., Hockham G.A. Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencies // Proc. Inst. Elect. Eng. 1966. 113.
2. Магазинер А., Патинкин М. Безмолвная вой-на: взгляд изнутри на экономические сражения за будущее Америки (глава "Компания "Корнинг Гласс": Битва за оптическую связь"). – Нью-Йорк: Рэндом Хаус, 1996.
3. Питерских С.Э. Оптические волокна. – В кн: Оптические кабели связи российского производства. Справочник под ред. А.С.Воронцова – М.: Эко-Трендз, 2003.
4. Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. – Л.: Наука, 1985.
5. Микилев А.И, Павлычев М.И. Эволюция характеристик затухания одномодовых ОВ, применяемых на сети связи России // LightWave. Russian Edition. 2007. № 2. С. 30–33.
6. Рек. МСЭ-Т G.652. 11/2009. Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля.
7. Рек. МСЭ-Т G.657. 10/2012. Характеристики нечувствительного к потерям на изгибе одномодового оптического волокна и кабеля для сети доступа.
8. Правила применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон. Утверждены Мининформсвязи РФ 19.04.2006 г., приказ № 47.
9. Микилев А.И., Павлычев М.И. Оптические волокна компании OFS для сетей широкополосного доступа // Первая Миля. 2011. № 3.
С. 54–55.
10. Особенности сварки оптических волокон, нечувствительных к изгибу // Первая Миля. № 3. 2014. С. 48–53.
11. Микилев А.И. Качество сварных соединений одномодовых оптических волокон: почему возникают "вопросы"? // Первая Миля. 2011. № 4. С. 40–42.
12. Микилев А.И. Качественная сварка оптического волокна: почему мы так говорим // Первая Миля. 2013. № 1. С. 18–23.
13. AllWave One fiber. WWW.ofsoptics.com. : http://fiber-optic-catalog.ofsoptics.com/Asset/AllWave-One-Fiber-160-web.pdf.
14. Кабели, провода, материалы для кабельной индустрии. Технический справочник. 7-е издание. – М.: НПО "Эллипс", 2014.
15. Оборудование для волоконно-оптических линий и сетей связи. Технический справочник. 2-е изд. – М.: Ассоциация "Волоконная оптика", НПО "Эллипс", 2014. 53 с.
16. Микилев А.И. Волокно 200 мкм позволяет проектировать новые конструкции кабелей // Фотон-Экспресс. 2013. № 4. С. 34–36.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Без многочисленных исторических подробностей можно отметить, что примерно с 1990-х годов для появившихся систем передачи со спектральным уплотнением (DWDM, CWDM) очень перспективным представлялось ОВ типа G.655./G.656, обладающее оптимальными характеристиками хроматической дисперсии, необходимыми для снижения переходных помех между спектральными каналами. Однако успехи в создании оборудования передачи, способного бороться с хроматической дисперсией электронным способом, привели к тому, что "стандартное" ОВ пока, то есть по крайней мере до 2015 года, остается самым массовым по объему производства и применения.
Время, к сожалению, идет очень быстро – и вот скоро будет уже примерно полвека с начала эры проводной связи по оптическому волокну (ОВ). Оптические кабели (ОК) являются сегодня важнейшим компонентом современной глобальной сети связи, обеспечивающей самые разнообразные телекоммуникационные услуги и тотальную информатизацию общества. Зародившийся в 70-х годах прошлого столетия мировой рынок производства и потребления ОВ характеризуется цифрой около 350 млн. км в 2015 году. При этом суммарный объем производства ОК в России, по-видимому, превысит 150–200 тыс. км в физической длине даже в не очень экономически успешном нынешнем году.
Идея связи по световодам далеко не нова и буквально витала в воздухе многие годы, начиная с начала прошлого столетия. Однако применение ОВ для связи на расстояние хотя бы порядка одного километра очень долго ставилась под сомнение. Причиной тому была недостаточная прозрачность любых известных материалов. Первым кандидатом в качестве основы ОВ чаще всего были различные стеклообразующие материалы, проще говоря – стекла.
В работе Као [1], впоследствии получившего Нобелевскую премию вместе с другими создателями ОВ [2], было теоретически предсказано, что в ОВ, выполненном из достаточно чистого кварцевого стекла (химический состав SiO2 – без учета примесей) коэффициент затухания может быть менее 20 дБ/км, что означало реальную практическую возможность построения волоконно-оптической системы передачи (ВОСП). В силу уникального комплекса свойств кварцевого стекла, волокна на его основе имеет все те необходимые характеристики, которые позволяют успешно его использовать в технике связи [3, 4]. Но упомянутое затухание 20 дБ/км сегодня, конечно же, безнадежно устаревшая цифра. Современные одномодовые ОВ, как правило, имеют потери менее 0,20 дБ/км на длине волны 1550 нм [5].
Самое массовое – стандартное одномодовое волокно
Предполагая, что читателю профессионального издания вполне известно, чем одномодовое волокно отличается от многомодового, отметим, что самым массовым в производстве и применении (по-видимому, более 95% от всего мирового количества выпущенного и проложенного ОВ) есть (и скорее всего – останется при нашей жизни) так называемое "стандартное одномодовое ОВ". Основополагающим техническим нормативом здесь будем считать рекомендацию G.652 Международного союза электросвязи (МСЭ) [6]. Сразу подчеркнем, что в данном документе рекомендованные требования к некоторым параметрам (коэффициент затухания, поляризационная модовая дисперсия и др.) сегодня являются весьма "либеральными" и значительно отстают от давно достигнутого мирового уровня лидирующих производителей ОВ. Для примера укажем, что в G.652 допускается величина коэффициента затухания 0,4/0,3 дБ/км на длинах волн 1310/1550 нм, тогда как действующий российский норматив [8] предполагает его величину не выше 0,36/0,22 дБ/км.
Конструкция стандартного одномодового ОВ, в которой за последние 30 лет внешне мало что изменилось, имеет вид, показанный на рис.1.
Наиболее консервативным и жестко стандартизированным параметром этой типовой конструкции является так называемый диаметр оболочки (cladding diameter), стандартное значение его 125,0±0,5…0,7 мкм (допуск ±1 мкм по МСЭ-Т G.652. следует считать, по нашему мнению, устаревшим). Следующим устоявшимся параметром является диаметр ОВ в защитном покрытии (coating diameter), которое всегда выполняется двуслойным. Необходимость двух слоев обусловлена рядом причин, связанных, в первую очередь, с требованием обеспечения малого затухания ОВ, в том числе при низких температурах. В качестве материалов защитного покрытия уже около 40 лет применяются так называемые УФ-отверждаемые (отверждаемые под действием ультрафиолетового излучения) уретан-акрилаты (внутренний слой) и эпоксиакрилаты (внешний слой) – полимерные материалы, специально разработанные для этой цели. Диаметр наружного слоя защитного покрытия (без внешней окраски) чаще всего находится в пределах 235–250 мкм, по МСЭ-Т он особо не регламентируется. Диаметр внутреннего слоя также не нормируется, но обычно он близок к 200 мкм.
Так как оптические кабели связи могут содержать несколько десятков и даже сотен ОВ, их необходимо каким-то образом различать и идентифицировать в процессе монтажа при строительстве ВОЛС. Для этого ОВ часто поставляются окрашенными, либо окрашиваются уже на самом кабельном производстве. В качестве окрашивающих материалов используются УФ-отверждаемые так называемые "чернила" (coloring inc). Толщина окрашивающего покрытия обычно около 5 мкм. Таким образом, окрашенное ОВ имеет окончательный наружный диаметр примерно на 10 мкм больше неокрашенного, то есть приблизительно 245–255 мкм. Здесь также следует упомянуть технологию окраски ОВ некоторых производителей, заключающуюся в том, что наружный слой ОВ окрашивают сразу в процессе производства ОВ (colored on draw). Кроме того, для различения ОВ при монтаже ВОЛС основных цветов может быть недостаточно, поэтому на волокна могут наноситься специальные "напечатанные" кольцевые метки с помощью соответствующего оборудования.
На фото рис.2 показано сечение типичного ОМ ОВ (неокрашенного) при рассмотрении под обычным оптическим микроскопом. Видимые "дефекты" на поверхности торца здесь обусловлены тем, что скол ОВ был сделан (автором данной статьи) вручную с помощью простейших приспособлений. Яркая освещенная точка в центре – это, собственно, сердцевина, более светлая область – оболочка 125 мкм, далее к периферии – двуслойное защитное покрытие (акрилат). Слои оболочки выглядят здесь коричневыми вследствие сильного поглощения света в материале покрытия. При боковом освещении неокрашенное защитное покрытие выглядит почти прозрачным и бесцветным, иногда слегка желтоватым – в случае длительного хранения.
На кабельные заводы, производящие ОК, ОВ поставляется длинами обычно от 2 до 50 км, окрашенное или неокрашенное, намотанное на катушку (приблизительные "габариты" одного из типоразмеров катушки 200 Ч 300 мм) и упакованное в коробки по 4–6 катушек. Линейный вес ОВ составляет примерно 60–70 г/км, 50 км волокна на одной катушке весят, соответственно, около 3 кг.
Описанная конструкция одномодового ОВ была одновременно разработана многими производителями в США, Японии, Европе приблизительно в 1980-х годах, по существу, она де-факто стандартизирована (отсюда и название данной статьи) и является, напомним, самой распространенной, хотя она не единственная из широко применяемых[1].
ОВ без пика воды – "новое стандартное"
Важным этапом эпохи принципиального совершенствования стандартного ОВ была разработка примерно в 1998 году волокна "без пика воды" – Zero Water Peak, в результате чего ОВ G.652, работавшее ранее только в диапазонах длин волн 1310 и 1550 нм, стало "всеволновым" и теперь позволило осуществлять по нему передачу на любой длине волны – от 1270 до 1625 нм [5]. Данное достижение было закреплено "законодательно" в новых редакциях рекомендации G.652 (после 2000 года) введением категорий A/B/C/D. Категории G.652.С/D отличаются от G.652.A/B тем, что содержат требования к максимально допустимому затуханию на "пике воды" (1383 нм), которое теперь не должно превышать затухание на 1310 нм, то есть быть не более 0,4 дБ/км. Категории "С" от "D" друг от друга отличаются только требованиями к поляризационной модовой дисперсии (ПМД). По-видимому, во многих практических применениях это отличие мало существенно, но формально категория "D" все же является более строгой.
С появлением и становлением ОВ без пика воды в течение примерно последних 15 лет понятие "стандартное одномодовое волокно" постепенно получает новое содержание. "Пик воды" был вытеснен не только из конструкции ОВ, но и с мирового рынка во многих регионах, включая Россию. Таким образом, в качестве самого массового в настоящее время мы имеем G.652.D. Сегодня сложно найти волокно G.652.A/B, разве что только в достаточно давно проложенных ОК.
У современных ОВ G.652.D зависимость затухания от длины волны имеет вид, очень близкий к показанному на графиках рис.3.
Стандартное ОВ – совершенствование совершенного
Таким образом, термин "стандартное ОВ" мы теперь в большей степени относим к G.652.D, чем к "просто" G.652. Но на этом эволюция самого массового ОВ не остановилась. Казалось бы, его конструкция примерно к 2010 году достигла своего совершенства и улучшить в ней было больше нечего. Но, как и везде, конкуренция заставляет производителей продолжать совершенствовать совершенное, создавать новое или "как бы" новое…
Вернемся снова к затуханию. Чистое кварцевое стекло, без легирующих добавок, имеет область светопропускания в интервале примерно 160–3500 нм [4], причем наименьшее затухание (потери) имеет место на длине волны около 1560–1570 нм (что видно при внимательном рассмотрении графиков на рис.3). Напомним, что также были созданы специальные конструкции ОВ (класс ULL – Ultra Low Loss – сверхнизкое затухание) с коэффициентом затухания ≤ 0,15–0,16 дБ/км, но указанное достижение относилось к волокну без легирующих добавок в сердцевине. И такое ОВ прежде всего очень дорого в производстве. Что же касается массово применяемого и относительно дешевого (до 10 долл./км) рассматриваемого "стандартного" ОВ, то его конструкция всегда имеет добавку германия (а также, возможно, фосфора, бора и проч.), необходимую для обеспечения требуемого профиля показателя преломления сердцевины. Но принципиально необходимое присутствие германия в сердцевине приводит к некоторому дополнительному рассеянию света, в результате чего практический (и, вероятно, теоретический) предел минимально возможного затухания ОВ такой конструкции, как показывают исследования, находится где-то в интервале 0,177–0,179 дБ/км (на длине волны 1550 нм).
Таким образом, не рассматривая специальных дорогостоящих конструкций ОВ с чисто кварцевой сердцевиной, отмечаем, что у массового применяемого стандартного волокна (с легированной германием сердцевиной) лучшие его представители имеют коэффициент затухания, очень близкий к 0,18 дБ/км. Если быть точнее, то коммерческие ОВ такого типа, иногда условно выделяемые в специальную группу "LL" (Low Loss – пониженное затухание), имеют коэффициент затухания чаще всего в интервале (0,180 ± 0,002) дБ/км. Это, по-видимому, и есть предел затухания стандартного одномодового ОВ для рабочей длины волны 1550 нм.
Стандартное → универсальное = "все в одном"
Еще одним параметром стандартного ОВ, подвергнутым некоторому улучшению в последние годы, были потери при изгибе волокна. Интерес к данной характеристике не является, на наш взгляд, особо новым. Еще в 1985 году было разработано силами фирмы AT&T, затем Lucent Technologies и получило широкое распространение (в частности, в США) ОВ с конструкцией Depressed Cladding – c пониженным показателем преломления на периферии сердцевины. "Наследники" этой конструкции в том или ином виде достаточно широко используются и сегодня в конструкциях так называемых "нечувствительных к изгибу" – bend–insensitive – ОВ [9, 10]. Но такие волокна, по причине большего отличия конструкции их сердцевины от стандартного ОВ, при сварке с последним дают обычно небольшие дополнительные потери (не более 0,03 дБ). И, что еще хуже, демонстрируют "ступеньки" порядка 0,5 дБ на рефлектограммах в местах сварки с обычным стандартным ОВ, а это часто приводит в смущение неопытных строителей ВОЛС. Эти ступеньки, хотя и не являются опасными с точки зрения качества и работоспособности ВОСП, нередко являются предметом дополнительных "разборок" и вопросов к поставщикам ОК со стороны заказчиков [11, 12].
Поэтому представляется интересным ОВ последних разработок: (а) близкое по характеристикам к стандартному, но (б) имеющее пониженное затухание и, кроме того, (в) обладающее свойствами меньшей чувствительности к изгибам, а также (г) бесшовно (без ступенек на рефлектограммах) сваривающееся с типичным стандартным ОВ. Соответствующие типы (торговые марки) такого ОВ (назовем его условно "универсальным") были выведены на рынок в 2013–2015 годы многими ведущими изготовителями. Представителем такого волокна является AllWave One ZWP компании OFS [13–15].
Формально важно то, что новое "универсальное" ОВ, соответствуя рекомендации G.652.D, вписывается также и в категорию A1 рекомендации G.657 [7], хотя и минимально требовательную по нечувствительности к изгибу. Рекомендация G.657, еще раз напомним, относится к классу ОВ, мало чувствительных к изгибу [9, 10]. Чаще всего рек. G.657 ассоциируется с волокнами для сетей доступа, но этой отдельной темы в данной статье касаться не будем. Заметим, что рекомендация G.657 во многом копирует старую добрую G.652.
В табл.1 дано сравнение требований самых последних редакций G.652.D и G.657.A1 по некоторым ключевым параметрам ОВ. Также в таблице даны некоторые основные параметры представителей "универсального" ОВ от двух лидирующих производителей. Сделать выводы о соответствии характеристик нормативным документам и стандартам, и о преимуществах ОВ того или другого типа и производителя предоставляется самому читателю.
Заметим, что сегодня некоторые производители ОВ и кабелей делают акцент именно на "универсальности" этой последней разработки, подчеркивая такие качества, как пониженное затухание, более "гладкие" характеристики свариваемости, уменьшенные потери на макро- и микроизгибах, возможность работы в сети доступа при уменьшенных, но умеренных (R≥15 мм) радиусах изгиба. Но, возможно, окончательным критерием технико-экономической эффективности его применения будет цена вопроса, то есть если универсальное ОВ будет иметь цену, близкую к цене стандартного ОВ более "старых" поколений, тогда у него будет больше шансов стать таким же массовым, как и стандартное. И таким образом понятие "стандартное ОВ" в очередной раз получит новое содержание.
Следует еще немного сказать об ОВ с диаметром защитного покрытия 200 мкм. Сегодня на рынке есть как "подобные Flex" представители данной группы [10], так и "универсальное" ОВ, отличающееся от своей основной версии только диаметром покрытия (так же двухслойного): 200 мкм вместо 250 мкм. Уменьшенный диаметр покрытия дает возможность производить более тонкие кабели, экономя таким образом дефицитное пространство в кабельной канализации, трубопроводах и т.д. Степень будущей массовости такого решения пока также еще не совсем ясна. Тем не менее ОК с волокном 200 мкм уже предлагаются некоторыми российскими предприятиями, в частности, заводом "Кабельтов" (г. Видное Московской обл.) и СП "ОФС-Связьстрой-1 ВОКК" (г. Воронеж).
Заключение
На сегодняшней мировой сети наземной связи, включая Россию, самым массовым и широко применяемым является "стандартное" одномодовое волокно, соответствующее рекомендации G.652.D. Наметилась тенденция к более широкому применению "универсального" ОВ, соответствующего наиболее популярным категориям рек. G.652/G.657 МСЭ-Т и пригодного как для магистральной сети, так и для большинства сегментов сети доступа одновременно. Технико-экономическая эффективность массового применения "универсального" ОВ, возможно, потребует своего дальнейшего обоснования. Наиболее частым критерием целесообразности применения того или иного типа ОВ на сети обычно является его цена.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kao K.C., Hockham G.A. Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencies // Proc. Inst. Elect. Eng. 1966. 113.
2. Магазинер А., Патинкин М. Безмолвная вой-на: взгляд изнутри на экономические сражения за будущее Америки (глава "Компания "Корнинг Гласс": Битва за оптическую связь"). – Нью-Йорк: Рэндом Хаус, 1996.
3. Питерских С.Э. Оптические волокна. – В кн: Оптические кабели связи российского производства. Справочник под ред. А.С.Воронцова – М.: Эко-Трендз, 2003.
4. Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. – Л.: Наука, 1985.
5. Микилев А.И, Павлычев М.И. Эволюция характеристик затухания одномодовых ОВ, применяемых на сети связи России // LightWave. Russian Edition. 2007. № 2. С. 30–33.
6. Рек. МСЭ-Т G.652. 11/2009. Характеристики одномодового оптического волокна и кабеля.
7. Рек. МСЭ-Т G.657. 10/2012. Характеристики нечувствительного к потерям на изгибе одномодового оптического волокна и кабеля для сети доступа.
8. Правила применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон. Утверждены Мининформсвязи РФ 19.04.2006 г., приказ № 47.
9. Микилев А.И., Павлычев М.И. Оптические волокна компании OFS для сетей широкополосного доступа // Первая Миля. 2011. № 3.
С. 54–55.
10. Особенности сварки оптических волокон, нечувствительных к изгибу // Первая Миля. № 3. 2014. С. 48–53.
11. Микилев А.И. Качество сварных соединений одномодовых оптических волокон: почему возникают "вопросы"? // Первая Миля. 2011. № 4. С. 40–42.
12. Микилев А.И. Качественная сварка оптического волокна: почему мы так говорим // Первая Миля. 2013. № 1. С. 18–23.
13. AllWave One fiber. WWW.ofsoptics.com. : http://fiber-optic-catalog.ofsoptics.com/Asset/AllWave-One-Fiber-160-web.pdf.
14. Кабели, провода, материалы для кабельной индустрии. Технический справочник. 7-е издание. – М.: НПО "Эллипс", 2014.
15. Оборудование для волоконно-оптических линий и сетей связи. Технический справочник. 2-е изд. – М.: Ассоциация "Волоконная оптика", НПО "Эллипс", 2014. 53 с.
16. Микилев А.И. Волокно 200 мкм позволяет проектировать новые конструкции кабелей // Фотон-Экспресс. 2013. № 4. С. 34–36.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Без многочисленных исторических подробностей можно отметить, что примерно с 1990-х годов для появившихся систем передачи со спектральным уплотнением (DWDM, CWDM) очень перспективным представлялось ОВ типа G.655./G.656, обладающее оптимальными характеристиками хроматической дисперсии, необходимыми для снижения переходных помех между спектральными каналами. Однако успехи в создании оборудования передачи, способного бороться с хроматической дисперсией электронным способом, привели к тому, что "стандартное" ОВ пока, то есть по крайней мере до 2015 года, остается самым массовым по объему производства и применения.
Отзывы читателей
