X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В настояшее время стремительно увеличиваются скорости передачи по оптическим волокнам в связи с увеличением трафика Интернета. Считается, что в следующие 20 лет скорость увеличится до 1 Петабит/с, т.е. в 1000 раз. Наступит эра скорости Петабит/с, что приведет к внедрению телевидения в формате 3D и ультрареалистичной связи. Это требует создания нового поколения сетей на основе новой оптической инфраструктуры на основе скорости, равной Петабит/с. Существующие типы оптических волокон (ОВ) ограничивают увеличение скорости вследствие нелинейных эффектов и вводимой суммарной мощности. Но эти ограничения связаны не только с вводимой мощностью, но и с площадью модового поля волокна. особенно ограничивает передаваемую мощность волокно для компенсации дисперсии, так как модовое поле ОВ для компенсации дисперсии составляет < 28 мкм2, а стандартного ОВ 70мкм2. В этом случае суммарная вводимая мощность в ОВ не должна превышать 0,5Вт. Чтобы преодолеть эти проблемы разрабатываются новые типы маломодовых ОВ с большой площадью модового поля до 180 мкм2. В настоящее время разработаны двух и трех модовые оптические волокна как для передачи на большие расстояния допустимой суммарной мощности с пространственным мультиплексированием мод, так и для компенсации дисперсии на существующих оптических волокнах с суммарной мощностью 2Вт, многосердцевинные оптические волокна для передачи скоростей Петабит/с, фотоннокристаллические оптические волокна для компенсации дисперсии и маломодовые волокна с положительным и отрицательным значением дисперсии, а также оптические волокна для лазеров и других элементов волоконной линии передачи. Рассмотрены возможности применения этих волокон совместно с существующими волокнно-оптическими системами.

Считается, что в следующие 20 лет скорость увеличится до 1 Пбит/с, т.е. в 1000 раз. Наступит эра скорости Петабит/с, что приведет к внедрению ультракачественного телевидения в формате 3D и ультрареалистической связи. Это требует создания нового поколения сетей на основе новой оптической инфраструктуры на основе скорости, равной Пбит/с. Существующие оптические волокна быстро достигнут допустимого для них предела с учетом широкополосности оптических усилителей и входной оптической мощности оптического волокна при существующих системах передачи и существующих форматах модуляции. Ограничивает применение существующих оптических волокон явление плавления сердцевины оптического волокна при уровне оптической мощности , передаваемой по оптическому волокну уже при 1-2 Вт, а если установлены оптические волокна для компенсации дисперсии то и при 0,5 Вт. Поэтому мы не можем увеличить передаваемую мощность систем ВОСПСР или Рамановского усиления выше установленного уровня. Кроме того, протяженные подводные системы передачи также достигают указанного уровня мощности на основе существующих оптических волокон.

Оптические усилители мощности могут поднять уровень оптической мощности в волокне на передаче до 25-30 дБм. Вместе с тем, при уровне оптического сигнала выше 17 дБм проявляются нелинейные эффекты и величина 17 дБм можно считать предельной величиной суммарного уровня передачи оптических сигналов для существующих оптических волокон, что негативно сказывается на длине регенерационного участка. Предусилители на приеме дают выигрыш в бюджете мощности порядка 14 дБм. Распределенное Рамановское усиление, при котором оптический сигнал усиливается в оптическом волокне распределенным образом в ряде систем ипользует ист очники накачки мощность которых уже достигает части значений 1,2 - 1,5 Вт. В большинстве случаев излучение накачки осуществляется на длине волны 1450 нм и подается с приемного конца (рамановское предусиление) Известны случаи рамановского усиления и на передаче Эти решения показывают, что предел мощности в ряде случаев уже достигнут и следует искать другие пути решения передачи оптических сигналов.

Таким образом, представлены три фактора, ограничивающих передачу по современным оптическим волокнам:

1. Ограничение по суммарной мощности в оптическом волокне;

2. Ограничение по полосе усиления;

3. Ограничение по потребляемой мощности.

Основные параметры оптических волокон, составляющих основу настоящей оптической инфраструктуры телекоммуникаций, были определены 20 лет назад, и никто не предполагал о возникновении таких ограничений по передаваемой мощности. Максимальная суммарная скорость передачи на существующих оптических волокнах должна быть не больше 100 Тбит/с, которая в 1,5 раза больше существующей суммарной скорости передачи по ОВ. Существующие оптические усилители и их полоса усиления определяют скорость передачи по ОВ. В окне S-Диапазона 1460-1530нм (70нм - 9,4 ТГц) вместе с С-Диапазоном 1530-1565 нм (35нм - 64,4 ТГц) и L-Диапазоном 1565-1625нм (60нм - 67,1 ТГц). В сумме получим 1460-1625 нм (165нм — 20,9ТГц). На практике общая емкость будет ограничена 150 Тбит/с. В настоящее время максимальная суммарная емкость составляет 10 Тбит/с (8 пар ОВ с 1,28 Тбит/с на одно ОВ) с питанием подводной системы от материка по оптическим усилителям. При суммарной скорости 100 Тбит/с возникают ограничения по оптической мощности, особенно это ощутимо для магистральных межматериковых подводных систем, что требует создания нового поколения подводных кабельных систем для преодоления эффекта оплавления сердцевины существующих оптических волокон при увеличения скорости передачи до 1 Пбит/с. Пути преодоления этого эффекта могут быть только комплексными: создание оптических волокон с большим диаметром модового поля, увеличенным в 263 раза, или оптических волокон с большим числом сердцевин, мультиплексирование с помощью модового или пространственного деления и многоуровневого формата модуляции. (сердцевина ОВ умножается на 10, многомодовый контроль - умножение на 10 и многоуровневый формат модуляции - умножение на 10: в результате получаем 1000).

Для преодоления барьера по мощности необходимо создать и внедрить оптические волокна с большим числом сердцевин под одной оболочкой (порядка 10), либо увеличить диаметр сердцевины в 3 раза Для увеличения диаметра модового поля создается ОВ с сердцевиной из чистого кварцца, а оболочка депрессирована Фтором. Такое ОВ имеет диаметр модового поля 112мкм^2, т.е. диаметр модового поля на длине волны 1550 нм больше 10 мкм^2. При дальнейшем увеличении диаметра модового поля получаем маломодовый режим. Были обещания разработки одномодового ОВ с диаметром модового поля 200мкм^2, однако получены решения для маломодового режима с диаметром модового поля на длине волны 1550 нм 160 мкм на длине волны 1550 нм для подводных систем передачи. Большие надежды связаны с разработкой многосердцевинных оптических волокон (рис. 1-2).

Рисунок 1. Семисердцевинные ОВ

Отличие этих волокон друг от друга (а, в, с, д) заключается в том, что сердцевины защищаются от взаимных влияний друг на друга с помощью профильных решений.

Были предложены и другие решения, например, семисердцевинное волокно, представленное на рис. 2.

Рисунок 2 Новый тип семисердцевинного оптоволокна

Технологи и все время улучшаются: были предложены ОВ с большим числом сердцевин (рис. 3).

Рисунок 3 Восемнадцатисердцевинное ОВ:

Мало создать и разработать новые типы оптического волокна, необходимо создать элементную базу для этих типов ОВ.

Волоконно-оптическая кабельная линия состоит не только из передатчика сигнала, кабеля и приемника оптического сигнала, но и из многих элементов, без которых функционирование линии невозможно. К таким элементам относятся как активные элементы, так и пассивные элементы. К активным элементам относятся лазерные и светодиодные источники многоцелевого назначения, модуляторы, фотодиоды разного применения, регенераторы и усилители различных технологических решений со сосредоточенным и распределенным применением.

Согласно рекомендации, G 671 МСЭ 1996 г., к пассивным оптическим компонентам относятся: мультиплексоры и демультиплексоры, включая WDM устройства – такие, как разветвлители, ответвлители, аттенюаторы, изоляторы, коммутаторы, переключатели, адаптеры и другие. Каждый тип сети требует использования определенного числа как общих, так и специальных типов пассивных устройств.

Для получения высокой спектральной эффективности необходима когерентная система передачи с модовым или пространственным мультиплексированием. При широкой глобализации оптических сетей необходимо найти или создать новые технологии, при которых преодолевались бы возникшие ограничения по полосе усиления, по вводимой мощности и потребляемой мощности с учетом всех элементов, составляющих волоконно6оптическую линию телекоммуникаций. Новые разработки ОВ открывают новые возможности передачи, но и требуют новых решений по элементной базе для функционирования волоконных линий передачи.

Данные наработки являются одним из следующих этапов развития оптоволоконных технологий. Они могут помочь существенно расширить границы возможностей существующих линий или реорганизовать их для лучшей работы. Глобальное внедрение этих идей окажет существенное влияние на качество и скорость соединения по всему миру. Дальнейшее изучение этих технологий открывает огромные перспективы в мировом масштабе.

Список литературы:

1. Волоконно6оптическая техника: Современное состояние и перспективы. 2-е издание, переработанное и дополненное / Под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. — Москва: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005. — 575 с.

2. Портнов Э.Л. Оптические кабели и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. Москва: Горячая линия - Телеком, 2007. - 464 с.

3. Kiyoshi Mori. New year greeting — towards development of information society. New Breeze. № 1 p.2.

4. Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. Москва: Горячая линия Телеком, 2009. —544с.

Код для цитирования: Скопировать