eng
Выпуск #8/2021
А.Микилев, М.Павлычев
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА КЛАССА ULL: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА КЛАССА ULL: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Просмотры: 809
DOI: 10.22184/2070-8963.2021.100.8.18.25
Рассмотрены характеристики оптических волокон со сверхнизким затуханием, предназначенных для применения на магистральной наземной волоконно-оптической сети связи.
Рассмотрены характеристики оптических волокон со сверхнизким затуханием, предназначенных для применения на магистральной наземной волоконно-оптической сети связи.
Теги: fiber-optic cables optical fibers ula optical fibers ultra-low attenuation optical fibers оптические волокна оптические волокна ula оптические волокна со сверхнизким затуханием оптические кабели
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА КЛАССА ULL: характеристики и вопросы применения
А.Микилев, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник
ОАО "ВНИИКП" / a.mikilev@vniikp.ru,
М.Павлычев, независимый эксперт
УДК 621.315.21, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.100.8.18.25
Рассмотрены характеристики оптических волокон со сверхнизким затуханием, предназначенных для применения на магистральной наземной волоконно-оптической сети связи.
Введение
Современная наземная сеть ВОЛС базируется главным образом на стандартном оптическом волокне (ОВ) категории G.652.D, а также частично на G.655, G.657 и некоторых других. После 2010 года постепенно cформировался интерес операторов связи к ОВ категории G.654, которое изначально предназначалось для трансокеанских линий. Вследствие этого в 2013 году Международный Союз электросвязи ввел категорию G.654.E, и были также добавлены требования к допустимому затуханию при изгибах ОВ с учетом специфики прокладки наземных оптических кабелей (ОК).
Среди всех типов ОВ, независимо от их формальной стандартизации МСЭ-Т, можно выделить особый класс волокон со "сверхнизкими потерями" − ULL (Ultra-Low Loss). ОВ категории G.654 отличается увеличенной эффективной площадью сердцевины. Термин ULA (Ultra Large Area) означает "сверхбольшую эффективную площадь", ориентировочно более 100 кв. мкм. Подобные ОВ имеют увеличенный диаметр модового поля (ДМП) на длине волны 1 550 нм. Также для ОВ категории G.654 характерна "смещенная" длина волны отсечки (ДВО), которая должна составлять ≥ 1530 нм.
Воспроизведем общую классификацию телекоммуникационных ОВ, ранее приводившуюся в статье [1] (см. рис.1). Из рисунка видно, что к волокнам класса ULL могут быть отнесены не только категория G.654 (те из них, у которых затухание ≤ 0,17 дБ/км), но также достаточно давно разработанная G.652 (но не G.655/G.656 и G.657).
Проследив деятельность МСЭ-Т по стандартизации одномодовых волокон за последние 30 лет, которую иллюстрирует рис.2, можно констатировать, что наиболее "объемная" работа велась по развитию рекомендаций G.652 и G.654.
Также отметим, что среди отечественных производителей ОК и их заказчиков завоевали популярность ОВ класса LL (Low Loss) с низкими (иначе: "пониженными") потерями, около 0,18 дБ/км на длине волны 1550 нм. Некоторые российские заводы еще в середине прошлого десятилетия сообщили о полном переходе в производственном процессе на волокно данного типа вместо стандартного. Достаточно подробно характеристики ОВ стандартной группы ранее уже обсуждались в "ПЕРВОЙ МИЛЕ" [2].
Чем же ОВ класса ULL принципиально отличается от "стандартного" ОВ и от LL? Об этом речь пойдет далее. Подчеркнем, что к ULL авторы относят волокно со "сверхнизким" коэффициентом затухания: около 0,16–0,17 дБ/км. Такое ОВ может относиться к категориям G.652 или G.654.
Разграничим одномодовое ОВ на три типа по характеристикам затухания:
Именно последнее ОВ имеет принципиальные отличия от первых двух.
Аргументы в пользу ULL/ULA и возможные сдерживающие факторы
В не слишком длинной истории развития телекоммуникационной волоконной оптики уже не раз были периоды, когда популярность разработанного нового волокна довольно резко возникала, а затем проходила. Приведем наиболее существенные, по нашему мнению, аргументы в пользу ОВ/ОК со "сверхнизким" затуханием и возможные будущие технические сложности, сопутствующие их внедрению.
Аргументы в пользу применения ULL на наземной сети ВОЛС
На первое место поставим "сверхнизкий" коэффициент затухания (0,16−0,17 дБ/км). Хотя на первый взгляд, величина этой характеристики и не слишком отличается от "обычных" 0,19−0,22 дБ/км, но дает ряд преимуществ: оптимизация систем передачи, возможность сокращения количества оптических усилителей, регенераторов и некоторого увеличения дальности.
Потенциальная инвестиционная привлекательность. Очень часто, хотя и не всегда, улучшенный продукт может обеспечить будущую экономическую выгоду, особенно при грамотном техническом и маркетинговом его сопровождении.
Преимущества в "спецприменениях". Волокно класса ULL, имеющее сердцевину из нелегированного кварцевого стекла, потенциально более устойчиво к действию ионизирующих излучений и других специфических воздействующих факторов. При этом авторов несколько настораживает заметный "пик воды" у многих ULL-волокон, о чем еще будет сказано ниже.
Возможные технические сложности
К основным из них относятся:
Особенности конструкций ОВ ULL и окна прозрачности
Продолжая предыдущую статью [1], подробнее рассмотрим особенности волокон со сверхнизким затуханием. Потери мощности оптического сигнала в ОВ характеризуются коэффициентом затухания, оцениваемым в дБ/км. Основным материалом ОВ является синтетическое кварцевое стекло. При этом очень важна также роль полимерных защитных покрытий.
За оптические потери в ОВ отвечают такие физические механизмы, как поглощение, рассеяние, потери на макро- и микроизгибах. Чистое кварцевое стекло обладает светопропусканием в широкой области спектра − приблизительно 160−3500 нм [3], причем потери минимальны на длине волны около 1570 нм и обусловлены в основном рэлеевским рассеянием (упругим некогерентным рассеянием на микроскопических неоднородностях плотности среды).
Рекордно низкое затухание в одномодовых ОВ, достигнутое одним из ведущих мировых производителей, сегодня близко к 0,14 дБ/км [4], но в коммерчески доступных на сегодня волокнах ULL обычно находится в пределах 0,16−0,17 дБ/км.
Конструкции волокон класса ULL (G.652 и G.654) отличаются отсутствием легирующих примесей в сердцевине, именно в этом заключается их основное принципиальное отличие от других типов ОВ. Однако легирование, необходимое для повышения показателя преломления сердцевины, вызывает и дополнительное поглощение. Именно поэтому у массово выпускаемых стандартных ОВ не удается снизить затухание ниже уровня в 0,18 дБ/км.
Напротив, в волокнах ULL сердцевина выполнена из сверхчистого синтетического SiO2, а необходимую разность показателя преломления между сердцевиной и оболочкой получают путем легирования последней соединениями фтора и т.п. [4, 5, 6] (см. рис.3).
Зададимся вопросом: если у волокон ULL коэффициент затухания заметно меньше, то что препятствовало до этого их более широкому применению на наземной сети, ведь в подводных линиях подобные ОВ применяются уже более 20 лет.
Одна из причин заключается в особенностях технологии изготовления. Вязкость кварцевого стекла при его нагреве (в процессе вытягивания ОВ из преформы) является функцией температуры и концентрации легирующих примесей, причем у нелегированного стекла при данной температуре его вязкость больше [3], что приводит к необходимости уменьшать скорость вытягивания ОВ. Но следствием этого является меньшая производительность.
Кроме того, на нынешнем этапе развития технологий не всегда удается получить 100%-ный выход волокна с минимальным затуханием. По этим причинам волокно ULL остается пока еще достаточно уникальным, а его стоимость в несколько раз выше, чем обычного ОВ.
Волокна ULL предназначены для C-диапазона длин волн (1530–1565 нм). Их применение в L-диапазоне (1565–1625 нм) аналогично тому, как это обсуждалось в работе [7], также вполне возможно. Но скорее всего, будут нужны дополнительные исследования, в частности, надежности работы ОВ в условиях изгибов (в кроссовом оборудовании, в кабельных муфтах и т.п.).
В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) DWDM высокой пропускной способности рано или поздно начинают проявляться многочисленные и сложные нелинейные эффекты, приводящие к перераспределению мощности между каналами и дополнительным искажениям [8], и они требуют учета при проектировании и эксплуатации подобных систем. Также очень вероятно влияние тепловых и/или механических эффектов, вызванных нагревом волокна при предельных уровнях вводимой в него оборудованием оптической мощности.
Конструкции волокна G.654 с малой чувствительностью к макро- и микроизгибам продолжают совершенствоваться и уже хорошо себя проявили в наземных ОК. Как показано в [6], их затухание в кабеле не прирастает по сравнению с затуханием, измеренным на катушке исходного волокна!
Экспериментальные данные по затуханию ОВ LL и ULL, сравнение характеристик
Авторами были проведены исследования некоторых имевшихся в наличии образцов ОВ со сверхнизким затуханием. Объектом исследований были волокна G.652 и G.654 нескольких ведущих мировых производителей (на заводских катушках). Длина волокна на катушках составляла 25–50 км. На рис.4 и5 представлены графики зависимости (затухания) коэффициента затухания от длины волны в интервале длин волн 1100−1600 нм для следующих образцов волокна:
Зависимости затухания по спектру в волокнах ULL (рис. 5) демонстрируют интересную особенность, а именно наличие выраженного "пика воды" ≤ 1,0 дБ/км на длине волны 1385 нм (что согласуется с аналогичными графиками в работах [5, 6], где также присутствует заметный пик воды, хотя иногда меньшей величины: порядка 0,4 дБ/км). Надо отметить, что данная особенность волокон ULL их производителями не особенно-то "рекламируется", но здесь она явно видна.
Для С- и L–диапазонов пик воды, "открытый" нами здесь, представляется неопасным впрямую с точки зрения возможного влияния на передачу на рабочих длинах волн. Однако можно (хотя бы теоретически) поставить вопрос о долговременной стабильности коэффициента затухания. Тем более, что в [9] сообщается о неожиданно сильном влиянии рентгеновского облучения на ОВ с сердцевиной из чистого кварца, которые ранее традиционно считались наиболее радиационно-стойкими. Также возможно, что данная особенность может потенциально сказаться и на эффективности рамановской накачки, которая уже повсеместно применяется в современных системах передачи.
Отметим, что, поскольку ОВ ULL категории G.654 имеет величину отсечки более 1 530 нм, оно еще и по этой причине (помимо большого затухания на длине волны 1385 нм) представляется малопригодным для систем грубого спектрального уплотнения CWDM и должно быть ориентировано только на оборудование DWDM. При этом авторы предполагают, что оно вполне работоспособно, например, для каналов мониторинга на некоторых длинах волн и ниже отсечки 1530 нм, а именно до примерно 1440−1480 нм [10].
На рис.6 приведены те же графики затухания, что и на рис.4 и 5, но для более узкого диапазона длин волн (1500−1600 нм), включающего наиболее актуальные для систем DWDM диапазоны C и L. Данный график несложно экстраполировать до 1625 нм.
Из рис.6 видно, что волокно ULL имеет заметно меньшую величину затухания по сравнению с волокном LL. При этом неравномерность коэффициента затухания для всех исследованных образцов ОВ в C- и L-диапазонах не превышает 0,05−0,01 дБ/км. Этот фактор следует принимать во внимание при проектировании ВОСП. И, как отмечено выше, минимум затухания для всех исследованных волокон наблюдается в основном в интервале 1560−1580 нм. Для исследованного ОВ категории G.652 оно здесь составило в минимуме около 0,153 дБ/км, а для G.654 − около 0,156 дБ/км.
Конечно, было бы желательно получить статистику по ULL на большем количестве образцов. Но полагаем, что приведенные здесь данные по затуханию достаточно типичны.
В табл.1 представлены основные параметры некоторых марок волокон ULL, которые появились на российском рынке в 2010−2021 годах и ориентированы для применения на наземной сети связи. Отметим, что также существуют "океанские" ОВ подобного типа, которые в таблицу не включены.
Вопросы и новые задачи
Одним из актуальных вопросов при проектировании наземных ВОСП с применением волокон ULL/ULA является их стойкость к внешним воздействиям, в процессе производства кабеля, при прокладке ВОЛС, при низких температурах и т.д. В работах [5–7, 9–11] показано, что задача производства кабеля с волокном ULL без прироста затухания в принципе решаема. Но пока не совсем ясно, насколько кабельные заводы готовы освоить эту технологию в массовом производстве, и как новые технические решения будут восприняты проектировщиками, строительно-монтажными и эксплуатирующими организациями. Не исключено, что здесь потребуются дополнительные исследования, которые могут включать следующее:
Необходимо отметить, что многие из поставленных выше вопросов уже изучались, имеется обширная база исследований. В частности, доказана практическая работоспособность систем передачи на волокне ULL для очень длинных пролетов [12]. Однако, очевидно, что потребуется изучение опыта применения при длительной работе в реальных условиях эксплуатации ВОЛС.
Выводы
ВОСП из года в год становятся все более сложными. Создано множество зрелых технологий, направленных на дальнейшее увеличение дальности передачи и информационной емкости. Объективная потребность в увеличении скорости передачи принуждает к возрастающей эксплуатации не только доступной оптической полосы пропускания ОВ, но и ко все более интенсивному использованию доступного энергетического бюджета.
Все чаще емкость (скорость передачи) входит в противоречие с достижимой дальностью, подтверждая "золотое правило механики" – выигрываем в "силе" (здесь − в емкости), проигрываем в расстоянии. Проигрыш в расстоянии приходится, по возможности, компенсировать − и в основном за счет дальнейшего усложнения аппаратуры. Однако и затухание, и "энергетическая" пропускная способность одиночного одномодового волокна подошли к своему практическому пределу. В частности, на затухание менее чем 0,16 дБ/км рассчитывать не стоит. Возможности активного оборудования также не безграничны.
Путей развития техники − множество. И это могут быть не только новые волокна, более сложная аппаратура, методы передачи и т.д., но, возможно, иногда и более простые решения. В частности, использующие принцип пространственного разделения каналов (SDM − Space Division Multiplexing) [13].
Применительно к отечественным реалиям еще отметим, что формальное соответствие характеристик ОВ/ОК международным стандартам (в частности рекомендациям МСЭ-Т G.652, G.654 и др.) является необходимым, но не всегда достаточным условием для их успешного применения на российской сети. Большие расстояния, не всегда комфортные климатические условия, природные факторы и прочее накладывают свои дополнительные требования.
Благодарности
Авторы благодарны д.ф.-м.н., профессору О.Е.Нанию за предварительное обсуждение и ценные советы, высказанные при подготовке статьи. Также выражаем признательность заведующему отделом ОАО "ВНИИКП" Д.А.Тарасову за ряд критических замечаний, которые были также учтены.
ЛИТЕРАТУРА
Микилев А. ОВ для наземных ВОСП со сверхнизким затуханием и увеличенной эффективной площадью // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 3. С. 14–18.
Микилев А. Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 6. С. 34–39.
Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985.
Tamura Н. et al. The first 0.14-dB/km loss optical fiber and its impact on submarine transmission // J. Lightwave Technol. 2018. No 1(36). PP. 44–49.
Yamamoto Y., Hirano M., Sasaki T. Low-Loss and Low-Nonlinearity Pure-Silica-Core Fiber for Large Capacity Transmission // Sei Technical Review. 2013. No. 76. PP. 63–68.
Дорожкин А., Наний О., Трещиков В., Шихалиев И. Волокно с малыми изгибными потерями −
новая жизнь для систем связи диапазона C+L // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2018. № 8. С. 48–53.
Zhang L. et al. Single-Mode Fiber with Ultra-Low-Loss and Large-Effective-Area. https://www.nti.news/Tech/7.html − Электронный ресурс (дата обращения 04.12.2021).
Старых Д.Д., Самоделкин Л.А., Наний О.Е., Дорожкин А.Н., Трещиков В.Н. Нелинейное воздействие амплитудно-модулированных каналов на когерентные DWDM-системы связи // Фотон-Экспресс. 2021. № 6. С. 210–211.
Morana A. et al. Extreme Radiation Sensitivity of Ultra-Low Loss Pure-Silica-Core Optical Fibers at Low Dose Levels and Infrared Wavelengths // Sensors. 2020. Vol. 20. Issue 24. P. 7254.
Downie J.D. et al. Investigation of Potential MPI Effects on Supervisory Channel Transmission Below Cable Cut-off in G.654 Fibres // Proc. of ECOC 2016, Sept 2016, Düsseldorf. PP. 1166–1168.
https://www.ofsoptics.com/wp-content/uploads/TeraWave-ULL-White-Paper6.2016.pdf. − Электронный ресурс (дата обращения 04.12.2021).
Гайнов В., Слепцов М., Трещиков В. Однопролетные ВОЛС большой протяженности: как снизить стоимость транспортных сетей // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 2. С. 72–77.
Winzer P.J. et al. Fiber-optic transmission and networking: the previous 20 and the next 20 years // Optics Express. 2018. Vol. 26. No. 18. PP. 24190–24239.
Recommendation ITU-T G.652 (2016). Characteristics of a single-mode optical fibre and cable.
Recommendation ITU-T G.654 (2020). Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fibre and cable.
А.Микилев, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник
ОАО "ВНИИКП" / a.mikilev@vniikp.ru,
М.Павлычев, независимый эксперт
УДК 621.315.21, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.100.8.18.25
Рассмотрены характеристики оптических волокон со сверхнизким затуханием, предназначенных для применения на магистральной наземной волоконно-оптической сети связи.
Введение
Современная наземная сеть ВОЛС базируется главным образом на стандартном оптическом волокне (ОВ) категории G.652.D, а также частично на G.655, G.657 и некоторых других. После 2010 года постепенно cформировался интерес операторов связи к ОВ категории G.654, которое изначально предназначалось для трансокеанских линий. Вследствие этого в 2013 году Международный Союз электросвязи ввел категорию G.654.E, и были также добавлены требования к допустимому затуханию при изгибах ОВ с учетом специфики прокладки наземных оптических кабелей (ОК).
Среди всех типов ОВ, независимо от их формальной стандартизации МСЭ-Т, можно выделить особый класс волокон со "сверхнизкими потерями" − ULL (Ultra-Low Loss). ОВ категории G.654 отличается увеличенной эффективной площадью сердцевины. Термин ULA (Ultra Large Area) означает "сверхбольшую эффективную площадь", ориентировочно более 100 кв. мкм. Подобные ОВ имеют увеличенный диаметр модового поля (ДМП) на длине волны 1 550 нм. Также для ОВ категории G.654 характерна "смещенная" длина волны отсечки (ДВО), которая должна составлять ≥ 1530 нм.
Воспроизведем общую классификацию телекоммуникационных ОВ, ранее приводившуюся в статье [1] (см. рис.1). Из рисунка видно, что к волокнам класса ULL могут быть отнесены не только категория G.654 (те из них, у которых затухание ≤ 0,17 дБ/км), но также достаточно давно разработанная G.652 (но не G.655/G.656 и G.657).
Проследив деятельность МСЭ-Т по стандартизации одномодовых волокон за последние 30 лет, которую иллюстрирует рис.2, можно констатировать, что наиболее "объемная" работа велась по развитию рекомендаций G.652 и G.654.
Также отметим, что среди отечественных производителей ОК и их заказчиков завоевали популярность ОВ класса LL (Low Loss) с низкими (иначе: "пониженными") потерями, около 0,18 дБ/км на длине волны 1550 нм. Некоторые российские заводы еще в середине прошлого десятилетия сообщили о полном переходе в производственном процессе на волокно данного типа вместо стандартного. Достаточно подробно характеристики ОВ стандартной группы ранее уже обсуждались в "ПЕРВОЙ МИЛЕ" [2].
Чем же ОВ класса ULL принципиально отличается от "стандартного" ОВ и от LL? Об этом речь пойдет далее. Подчеркнем, что к ULL авторы относят волокно со "сверхнизким" коэффициентом затухания: около 0,16–0,17 дБ/км. Такое ОВ может относиться к категориям G.652 или G.654.
Разграничим одномодовое ОВ на три типа по характеристикам затухания:
- обычное (стандартное) категории G.652.D с коэффициентом затухания в пределах 0,19−0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм;
- с пониженным коэффициентом затухания (LL). Сегодня наиболее распространен тип G.652.D/G.657.A1 c коэффициентом затухания, близким к 0,18 дБ/км на 1550 нм. Граница между LL и "обычным" ОВ достаточно условна;
- со сверхнизким затуханием (ULL). Это волокно может относиться к категориям G.652 и G.654 с коэффициентом затухания в пределах 0,16−0,17 дБ/км на 1550 нм, иногда даже несколько ниже: до 0,155 дБ/км.
Именно последнее ОВ имеет принципиальные отличия от первых двух.
Аргументы в пользу ULL/ULA и возможные сдерживающие факторы
В не слишком длинной истории развития телекоммуникационной волоконной оптики уже не раз были периоды, когда популярность разработанного нового волокна довольно резко возникала, а затем проходила. Приведем наиболее существенные, по нашему мнению, аргументы в пользу ОВ/ОК со "сверхнизким" затуханием и возможные будущие технические сложности, сопутствующие их внедрению.
Аргументы в пользу применения ULL на наземной сети ВОЛС
На первое место поставим "сверхнизкий" коэффициент затухания (0,16−0,17 дБ/км). Хотя на первый взгляд, величина этой характеристики и не слишком отличается от "обычных" 0,19−0,22 дБ/км, но дает ряд преимуществ: оптимизация систем передачи, возможность сокращения количества оптических усилителей, регенераторов и некоторого увеличения дальности.
Потенциальная инвестиционная привлекательность. Очень часто, хотя и не всегда, улучшенный продукт может обеспечить будущую экономическую выгоду, особенно при грамотном техническом и маркетинговом его сопровождении.
Преимущества в "спецприменениях". Волокно класса ULL, имеющее сердцевину из нелегированного кварцевого стекла, потенциально более устойчиво к действию ионизирующих излучений и других специфических воздействующих факторов. При этом авторов несколько настораживает заметный "пик воды" у многих ULL-волокон, о чем еще будет сказано ниже.
Возможные технические сложности
К основным из них относятся:
- более высокая цена волокна, кабеля, проектирования, строительства по сравнению со сложившимися отработанными годами решениями. Цена ОВ типа ULL примерно в 5–10 раз выше цены стандартного одномодового ОВ;
- недостаточный уровень освоенности в мировой кабельной промышленности: наземные кабели с волокном ULL только еще начинают производиться отдельными предприятиями;
- не исключена необходимость уточнения методик отдельных видов испытаний;
- мало статистики о поведении ОВ и кабелей на его основе в реальных условиях эксплуатации, сроках службы и т.д.;
- недостаточно данных о совместимости с аппаратурой систем передачи, с пассивными компонентами сети (муфты, кроссы, шнуры и пр.), рассчитанными изначально на стандартное ОВ;
- мало сведений об особенностях работы в системах с рамановскими усилителями, совместимости с системами мониторинга и т.д.
Особенности конструкций ОВ ULL и окна прозрачности
Продолжая предыдущую статью [1], подробнее рассмотрим особенности волокон со сверхнизким затуханием. Потери мощности оптического сигнала в ОВ характеризуются коэффициентом затухания, оцениваемым в дБ/км. Основным материалом ОВ является синтетическое кварцевое стекло. При этом очень важна также роль полимерных защитных покрытий.
За оптические потери в ОВ отвечают такие физические механизмы, как поглощение, рассеяние, потери на макро- и микроизгибах. Чистое кварцевое стекло обладает светопропусканием в широкой области спектра − приблизительно 160−3500 нм [3], причем потери минимальны на длине волны около 1570 нм и обусловлены в основном рэлеевским рассеянием (упругим некогерентным рассеянием на микроскопических неоднородностях плотности среды).
Рекордно низкое затухание в одномодовых ОВ, достигнутое одним из ведущих мировых производителей, сегодня близко к 0,14 дБ/км [4], но в коммерчески доступных на сегодня волокнах ULL обычно находится в пределах 0,16−0,17 дБ/км.
Конструкции волокон класса ULL (G.652 и G.654) отличаются отсутствием легирующих примесей в сердцевине, именно в этом заключается их основное принципиальное отличие от других типов ОВ. Однако легирование, необходимое для повышения показателя преломления сердцевины, вызывает и дополнительное поглощение. Именно поэтому у массово выпускаемых стандартных ОВ не удается снизить затухание ниже уровня в 0,18 дБ/км.
Напротив, в волокнах ULL сердцевина выполнена из сверхчистого синтетического SiO2, а необходимую разность показателя преломления между сердцевиной и оболочкой получают путем легирования последней соединениями фтора и т.п. [4, 5, 6] (см. рис.3).
Зададимся вопросом: если у волокон ULL коэффициент затухания заметно меньше, то что препятствовало до этого их более широкому применению на наземной сети, ведь в подводных линиях подобные ОВ применяются уже более 20 лет.
Одна из причин заключается в особенностях технологии изготовления. Вязкость кварцевого стекла при его нагреве (в процессе вытягивания ОВ из преформы) является функцией температуры и концентрации легирующих примесей, причем у нелегированного стекла при данной температуре его вязкость больше [3], что приводит к необходимости уменьшать скорость вытягивания ОВ. Но следствием этого является меньшая производительность.
Кроме того, на нынешнем этапе развития технологий не всегда удается получить 100%-ный выход волокна с минимальным затуханием. По этим причинам волокно ULL остается пока еще достаточно уникальным, а его стоимость в несколько раз выше, чем обычного ОВ.
Волокна ULL предназначены для C-диапазона длин волн (1530–1565 нм). Их применение в L-диапазоне (1565–1625 нм) аналогично тому, как это обсуждалось в работе [7], также вполне возможно. Но скорее всего, будут нужны дополнительные исследования, в частности, надежности работы ОВ в условиях изгибов (в кроссовом оборудовании, в кабельных муфтах и т.п.).
В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) DWDM высокой пропускной способности рано или поздно начинают проявляться многочисленные и сложные нелинейные эффекты, приводящие к перераспределению мощности между каналами и дополнительным искажениям [8], и они требуют учета при проектировании и эксплуатации подобных систем. Также очень вероятно влияние тепловых и/или механических эффектов, вызванных нагревом волокна при предельных уровнях вводимой в него оборудованием оптической мощности.
Конструкции волокна G.654 с малой чувствительностью к макро- и микроизгибам продолжают совершенствоваться и уже хорошо себя проявили в наземных ОК. Как показано в [6], их затухание в кабеле не прирастает по сравнению с затуханием, измеренным на катушке исходного волокна!
Экспериментальные данные по затуханию ОВ LL и ULL, сравнение характеристик
Авторами были проведены исследования некоторых имевшихся в наличии образцов ОВ со сверхнизким затуханием. Объектом исследований были волокна G.652 и G.654 нескольких ведущих мировых производителей (на заводских катушках). Длина волокна на катушках составляла 25–50 км. На рис.4 и5 представлены графики зависимости (затухания) коэффициента затухания от длины волны в интервале длин волн 1100−1600 нм для следующих образцов волокна:
- LL G.652.D c низким пиком воды (LWP) − рис.4, верхняя кривая;
- LL G.652.D/G.657.A1 с нулевым пиком воды (ZWP) − рис.4, нижняя кривая;
- ULL, G.652.B − рис. 5, нижняя кривая;
- ULL, G.654.B − рис.5, верхняя кривая.
Зависимости затухания по спектру в волокнах ULL (рис. 5) демонстрируют интересную особенность, а именно наличие выраженного "пика воды" ≤ 1,0 дБ/км на длине волны 1385 нм (что согласуется с аналогичными графиками в работах [5, 6], где также присутствует заметный пик воды, хотя иногда меньшей величины: порядка 0,4 дБ/км). Надо отметить, что данная особенность волокон ULL их производителями не особенно-то "рекламируется", но здесь она явно видна.
Для С- и L–диапазонов пик воды, "открытый" нами здесь, представляется неопасным впрямую с точки зрения возможного влияния на передачу на рабочих длинах волн. Однако можно (хотя бы теоретически) поставить вопрос о долговременной стабильности коэффициента затухания. Тем более, что в [9] сообщается о неожиданно сильном влиянии рентгеновского облучения на ОВ с сердцевиной из чистого кварца, которые ранее традиционно считались наиболее радиационно-стойкими. Также возможно, что данная особенность может потенциально сказаться и на эффективности рамановской накачки, которая уже повсеместно применяется в современных системах передачи.
Отметим, что, поскольку ОВ ULL категории G.654 имеет величину отсечки более 1 530 нм, оно еще и по этой причине (помимо большого затухания на длине волны 1385 нм) представляется малопригодным для систем грубого спектрального уплотнения CWDM и должно быть ориентировано только на оборудование DWDM. При этом авторы предполагают, что оно вполне работоспособно, например, для каналов мониторинга на некоторых длинах волн и ниже отсечки 1530 нм, а именно до примерно 1440−1480 нм [10].
На рис.6 приведены те же графики затухания, что и на рис.4 и 5, но для более узкого диапазона длин волн (1500−1600 нм), включающего наиболее актуальные для систем DWDM диапазоны C и L. Данный график несложно экстраполировать до 1625 нм.
Из рис.6 видно, что волокно ULL имеет заметно меньшую величину затухания по сравнению с волокном LL. При этом неравномерность коэффициента затухания для всех исследованных образцов ОВ в C- и L-диапазонах не превышает 0,05−0,01 дБ/км. Этот фактор следует принимать во внимание при проектировании ВОСП. И, как отмечено выше, минимум затухания для всех исследованных волокон наблюдается в основном в интервале 1560−1580 нм. Для исследованного ОВ категории G.652 оно здесь составило в минимуме около 0,153 дБ/км, а для G.654 − около 0,156 дБ/км.
Конечно, было бы желательно получить статистику по ULL на большем количестве образцов. Но полагаем, что приведенные здесь данные по затуханию достаточно типичны.
В табл.1 представлены основные параметры некоторых марок волокон ULL, которые появились на российском рынке в 2010−2021 годах и ориентированы для применения на наземной сети связи. Отметим, что также существуют "океанские" ОВ подобного типа, которые в таблицу не включены.
Вопросы и новые задачи
Одним из актуальных вопросов при проектировании наземных ВОСП с применением волокон ULL/ULA является их стойкость к внешним воздействиям, в процессе производства кабеля, при прокладке ВОЛС, при низких температурах и т.д. В работах [5–7, 9–11] показано, что задача производства кабеля с волокном ULL без прироста затухания в принципе решаема. Но пока не совсем ясно, насколько кабельные заводы готовы освоить эту технологию в массовом производстве, и как новые технические решения будут восприняты проектировщиками, строительно-монтажными и эксплуатирующими организациями. Не исключено, что здесь потребуются дополнительные исследования, которые могут включать следующее:
- разработку надежных методик определения возможного прироста затухания волокна в кабеле по сравнению с исходным ОВ, как среднестатистически, так и для индивидуальных волокон;
- исследование дополнительных оптических потерь в C- и L-диапазонах длин волн при низких температурах (как минимум, до – 40 °C);
- особенности и надежность работы ОВ ULL/ULA в кроссах, муфтах и т.п. при высоких уровнях вводимой оптической мощности в системах DWDM c оптическими усилителями в C- или С+L-диапазонах при 100%-ной доступной мощности;
- изучение эффектов нелинейности, поляризационной модовой дисперсии, характеристик рамановского усиления, эффектов, связанных с перекачкой оптической мощности между каналами.
Необходимо отметить, что многие из поставленных выше вопросов уже изучались, имеется обширная база исследований. В частности, доказана практическая работоспособность систем передачи на волокне ULL для очень длинных пролетов [12]. Однако, очевидно, что потребуется изучение опыта применения при длительной работе в реальных условиях эксплуатации ВОЛС.
Выводы
ВОСП из года в год становятся все более сложными. Создано множество зрелых технологий, направленных на дальнейшее увеличение дальности передачи и информационной емкости. Объективная потребность в увеличении скорости передачи принуждает к возрастающей эксплуатации не только доступной оптической полосы пропускания ОВ, но и ко все более интенсивному использованию доступного энергетического бюджета.
Все чаще емкость (скорость передачи) входит в противоречие с достижимой дальностью, подтверждая "золотое правило механики" – выигрываем в "силе" (здесь − в емкости), проигрываем в расстоянии. Проигрыш в расстоянии приходится, по возможности, компенсировать − и в основном за счет дальнейшего усложнения аппаратуры. Однако и затухание, и "энергетическая" пропускная способность одиночного одномодового волокна подошли к своему практическому пределу. В частности, на затухание менее чем 0,16 дБ/км рассчитывать не стоит. Возможности активного оборудования также не безграничны.
Путей развития техники − множество. И это могут быть не только новые волокна, более сложная аппаратура, методы передачи и т.д., но, возможно, иногда и более простые решения. В частности, использующие принцип пространственного разделения каналов (SDM − Space Division Multiplexing) [13].
Применительно к отечественным реалиям еще отметим, что формальное соответствие характеристик ОВ/ОК международным стандартам (в частности рекомендациям МСЭ-Т G.652, G.654 и др.) является необходимым, но не всегда достаточным условием для их успешного применения на российской сети. Большие расстояния, не всегда комфортные климатические условия, природные факторы и прочее накладывают свои дополнительные требования.
Благодарности
Авторы благодарны д.ф.-м.н., профессору О.Е.Нанию за предварительное обсуждение и ценные советы, высказанные при подготовке статьи. Также выражаем признательность заведующему отделом ОАО "ВНИИКП" Д.А.Тарасову за ряд критических замечаний, которые были также учтены.
ЛИТЕРАТУРА
Микилев А. ОВ для наземных ВОСП со сверхнизким затуханием и увеличенной эффективной площадью // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 3. С. 14–18.
Микилев А. Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 6. С. 34–39.
Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985.
Tamura Н. et al. The first 0.14-dB/km loss optical fiber and its impact on submarine transmission // J. Lightwave Technol. 2018. No 1(36). PP. 44–49.
Yamamoto Y., Hirano M., Sasaki T. Low-Loss and Low-Nonlinearity Pure-Silica-Core Fiber for Large Capacity Transmission // Sei Technical Review. 2013. No. 76. PP. 63–68.
Дорожкин А., Наний О., Трещиков В., Шихалиев И. Волокно с малыми изгибными потерями −
новая жизнь для систем связи диапазона C+L // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2018. № 8. С. 48–53.
Zhang L. et al. Single-Mode Fiber with Ultra-Low-Loss and Large-Effective-Area. https://www.nti.news/Tech/7.html − Электронный ресурс (дата обращения 04.12.2021).
Старых Д.Д., Самоделкин Л.А., Наний О.Е., Дорожкин А.Н., Трещиков В.Н. Нелинейное воздействие амплитудно-модулированных каналов на когерентные DWDM-системы связи // Фотон-Экспресс. 2021. № 6. С. 210–211.
Morana A. et al. Extreme Radiation Sensitivity of Ultra-Low Loss Pure-Silica-Core Optical Fibers at Low Dose Levels and Infrared Wavelengths // Sensors. 2020. Vol. 20. Issue 24. P. 7254.
Downie J.D. et al. Investigation of Potential MPI Effects on Supervisory Channel Transmission Below Cable Cut-off in G.654 Fibres // Proc. of ECOC 2016, Sept 2016, Düsseldorf. PP. 1166–1168.
https://www.ofsoptics.com/wp-content/uploads/TeraWave-ULL-White-Paper6.2016.pdf. − Электронный ресурс (дата обращения 04.12.2021).
Гайнов В., Слепцов М., Трещиков В. Однопролетные ВОЛС большой протяженности: как снизить стоимость транспортных сетей // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 2. С. 72–77.
Winzer P.J. et al. Fiber-optic transmission and networking: the previous 20 and the next 20 years // Optics Express. 2018. Vol. 26. No. 18. PP. 24190–24239.
Recommendation ITU-T G.652 (2016). Characteristics of a single-mode optical fibre and cable.
Recommendation ITU-T G.654 (2020). Characteristics of a cut-off shifted single-mode optical fibre and cable.
Отзывы читателей
