Typy a vlastnosti optických vláken

Autor: J. Sýkora <sykora(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Parametry, Vydáno dne: 28. 07. 2004

Přehled základních vlastností optických vláken a rozbor jejich druhů používaných pro vlnový muldex WDM.

V průběhu posledních dvou dekád jsme byli svědky intenzivního rozvoje komunikačních sítí užívajících jako přenosového média optické vlákno a nic nenaznačuje, že by tento trend měl skončit. Tento rozvoj je umožněn nespornými přednostmi optického vlákna: velká šířka pásma, nízký útlum, odolnost vzhledem k elektromagnetické interferenci, nízká hmotnost, malé rozměry, dostupnost materiálů pro výrobu a v neposlední řadě bezpečnost proti odposlechům. V posledních několika letech byla optická technologie aplikována čím dál více i v přístupových sítích a objevily se i reálné výhledy na zavedení plně optických systémů FTTH neboli "vlákno až do domu" (Fibre To The Home).

Optické vlákno je válcový dielektický vlnovod zhotovený z nízkoztrátového materiálu (nejčastěji z taveného křemenného skla vysoké chemické čistoty). Jádro vlnovodu má nepatrně vyšší hodnotu indexu lomu než jeho plášť, což zajišťuje šíření záření podél osy vlákna. Podle průběhu indexu lomu jádra a pláště a podle průměru jádra dochází k různým způsobům šíření optického signálu (jeho tzv. vidů) vláknem. Podle toho rozdělujeme vlákna na:

Z hlediska dálkového přenosu signálu v páteřních sítích a pro nasazení systémů s vlnovým multiplexem DWDM mají zásadní význam jednovidová vlákna. Následující obrázek představuje závislost jejich měrného útlumu a disperze na vlnové délce:

typy_ov

Pro konkrétní představu jsou dále uvedeny parametry jednovidového optického vlákna podle doporučení ITU-T G.652, které je v současnosti nejužívanějším typem v dálkových komunikacích:

Průměr vidového pole na 1310 nm
(přibližně udává průměr jádra vlákna)
(8,6 - 9,5) μm ± 0,9 μm
Průměr pláště: 125 μm ± 2,0 μm
Nekruhovost pláště: max. 2,0 %
Odchylka středu vidového pole od středu pláště vlákna max. 1,0 μm
Index lomu (ve spektrální oblasti 1300 nm - 1600 nm) 1,46 - 1,49
Rozdíl hodnoty indexu lomu v jádře a v plášti: řádově 0,01

Útlum optického vlákna

Technologie výroby vláken se neustále zlepšuje a tak se podařilo dosáhnout extrémě nízkých hodnot útlumu. Z obrázku je vidět jeho obvyklý spektrální průběh pro kvalitní jednovidová vlákna používaná v telekomunikacích. Absolutní minimum je v oblasti 1550 nm a má hodnotu přibližně 0,2 dB/km. Toto absolutní minimum útlumu je ze strany kratších vlnových délek omezeno. Rayleighovým rozptylem a ze strany větších vlnových délek infračervenou absorpcí. Křivka na obr. 1 tedy zachycuje útlum vlákna, vyčištěného ode všech absorbujících příměsí a představuje limit. V okolí 1400 nm je pás zvýšeného útlumu, který je způsobován absorpcí světla na O-H iontech, přítomných ve vlákně. Proto je třeba vlákna chránit různými ochranami před kontaktem s vodou a před zvýšenou vlhkostí, aby do vláken nedifundovalo více O-H iontů a útlum se tak nezhoršil. Absorpční pás odděluje od absolutního minima útlumu jedno lokální minimum, situované kolem 1310 nm. Této oblasti se říká druhé přenosové okno, kdežto oblast absolutního minima útlumu je tzv. třetí přenosové okno.

Disperze

Po útlumu je disperze asi nejdůležitější vlastností optických vláken z hlediska telekomunikací. Optické vlákno je disperzní prostředí, tzn. má různé vlastnosti pro různé vlnové délky a vidy optického záření. Vyvoláme-li na vstupu vlákna světelný impuls, tento impuls se obecně rozloží do mnoha vidů a každý vid má ještě nenulovou spektrální šířku - skládá se z několika složek o různé vlnové délce. Různé vidy mají různé rychlosti šíření vláknem, což je tzv. vidová disperze, ale i různé spektrální složky téhož vidu se šíří různou rychlostí a tomu se říká disperze chromatická.

Vlivem disperze dochází k deformaci tvaru impulsu - snižuje se jeho amplituda a rozšiřuje se v čase. Tento jev má pro přenos až na vyjímečné případy (solitony) negativní důsledky - způsobuje omezení délky opakovacích úseků. Proto se v telekomunikacích používají jednovidová vlákna, protože se tím odstraní vliv vidové disperze, která má řádově větší hodnotu než disperze chromatická.

I v jednovidových vláknech ovšem existují dvě různé polarizace vidu a to vede na polarizační vidovou disperzi (PMD - Polarisation Mode Dispersion). Polarizační disperze má sice obvykle menší hodnoty než chromatická disperze, vyvolává však mezisymbolovou interferenci podobně jako ona a dá se těžko vykompenzovat.

Vlákna renomovaných výrobců už v současnosti mají koeficient polarizační vidové disperze typicky 0,1 ps/km1/2, což je hodnota dostatečně malá, aby dovolila přenosy rychlostí 10 Gbit/s na vzdálenost několika set kilometrů.

Spektrální průběh koeficientu chromatické disperze pro standardní vlákno G.652 je uveden na obrázku výše. Je vidět, že má nulovou disperzi v okolí vlnové délky 1310 nm, a tedy má optimální disperzní vlastnosti ve 2. přenosovém okně. Protože se k přenosům na dlouhé vzdálenosti začalo používat 3. přenosové okno, kde má vlákno nejnižší útlum, byl vyvinut nový typ vlákna: dosáhlo posunutí nulové hodnoty disperze do oblasti 1550 nm. Toto vlákno, optimalizované pro provoz ve 3. přenosovém okně, dostalo název "vlákno s posunutou disperzí" a bylo standardizováno doporučením IUT-T G.653.

Když se však krátce na to začalo uvažovat o přenosech WDM, ukázalo se, že tato vlákna mají jednu principiální nevýhodu. Při přenosu WDM je totiž ve vláknu přítomno několik signálů na blízkých frekvencích, a ty spolu interagují - dochází k uplatnění tzv. nelineárních jevů.

Nelineární jevy

Nelineárních jevů je mnoho, klasifikujeme je různě, buď systematicky podle jejich řádů, např. "třívlnné směšování", "čtyřvlnné směšování", nebo po jejich objevitelích, jako "Ramanův rozptyl", "Brillouinův rozptyl", "optický Kerrův jev", atd. Podstata všech nelineárních jevů je však stejná: elektromagnetické pole je s hmotou, ve které je lokalizováno, spojeno v jeden vzájemně se ovlivňující systém. optické záření není vláknem jen vedeno, ale také naopak na vlákno působí a každý signál tak určitým způsobem mění podmínky vedení ostatních signálů.

Např. čtyřvlnné směšování FWM (Four-Wave Mixing), které je nejvýznamnější z nelineárních jevů, protože z nich ze všech nejvíce omezuje přenos, vzniká tak, že dvě elektromagnetické vlny šířící se současně vláknem působí na materiál vlákna elektromagnetickou silou o frekvenci rovné rozdílové frekvenci obou vln. Atomy vlákna na tuto sílu samozřejmě reagují, elektrony a jádra se vychýlí ze svých rovnovážných poloh úměrně působící síle a výsledkem je pak změna optických vlastností materiálu.

Z technického hlediska je nejvhodnějším vláknem pro systémy WDM vlákno s nenulovou disperzí NZDF dle doporučení IUT-T G.655, jehož hodnota chromatické disperze v oblasti 1550 nm je optimem mezi vlákny G.652 a G.653. Druhým nejvhodnějším je standardní vlákno G.652 a nevhodným se dnes jeví vlákno s posunutou disperzí G.653.

Literatura

[1] ITU-T Recommendation G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre cable. ITU-T, April1997
[2] ITU-T Recommendation G.653: Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre cable. ITU-T, April1997
[3] ITU-T Recommendation G.655: Characteristics of a nan-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable. ITU- T J October 1996
[4] David I., Dubský P.: Optický balancovaný kabel - světová premiéra SPT TELECOM, a.s., TELEKOMUNlKACE Č. 5/98 a 6/98
[5] Schlitter M.: Optická vlákna pro vysokokapacitní přenosy. Sborník z konference "Architektura a služby pevných telekomunikačních sítí" ČVTSS, Praha, 9.-10.11.1999
[6] Bartošek P.: Optická vlákna pro WDM. TELEKOMUNIKACE, č.5/99, str. 11