Połączenia spawane światłowodów przystosowanych do multipleksacji falowej WDM

Transkrypt

1 A-8/10.01 Marek Ratuszek, Jacek Majewski, Zbigniew Zakrzewski, Józef Zalewski, Zdzisław Drzycimski Instytut Telekomunikacji ATR Bydgoszcz Połączenia spawane światłowodów przystosowanych do multipleksacji falowej WDM Przedstawiono światłowody NZDF o dodatniej TrueWave i ujemnej F-LS dyspersji chromatycznej przystosowanych do transmisji WDM. Zaprezentowano wyniki pomiarów włókna TrueWave i jego porównanie ze standardowymi włóknami z przesuniętą dyspersją (G.653). Przedstawiono badania połączeń spawanych światłowodów TrueWave ze światłowodami jednomodowymi różnych typów i wykonanych różnymi technologiami. Zaprezentowano wyniki optymalizacji warunków spawania tych światłowodów. 1 Włókna NZDF Jednoczesna transmisja wielu kanałów na różnych długościach fal optycznych DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing) prowadzi do zwiększenia mocy optycznej w światłowodzie. Przy dużych mocach prowadzi to do nieliniowego oddziaływania fali elektromagnetycznej z ośrodkiem, w którym jest prowadzona. Jednym z najbardziej niepożądanych zjawisk nieliniowych jest mieszanie czterofalowe FWM (Four Wave Mixing). Zjawisko to polega na nakładaniu się faz dwóch lub więcej fal o zbliżonych długościach powodując, że : dwie fale poruszające się w tym samym kierunku o częstotliwościach f 1 i f mieszają się i generują fale o częstotliwościach f 1 -f i f -f 1. Generowane fale rozchodzą się w tym samym kierunku co fale podstawowe, ich moc rośnie kosztem mocy fal podstawowych rys. 1 [1]. Trzy rozchodzące się fale o częstotliwościach f i, f j, f k będą generowały dziewięć fal o częstotliwościach f = f + f f - rys. 1 [1]. Zjawisko to pogarsza pracę systemów WDM, gdyż zwiększy przesłuchy międzykanałowe i tłumienie dla fal podstawowych. Zjawisko mieszania czterofalowego zależy od odstępu fal podstawowych (kanałów) i dyspersji światłowodu. Dyspersja chromatyczna powoduje, że fale podstawowe i generowane mają różne prędkości grupowe co zmniejsza dopasowanie fazowe oddziaływujących fal i w konsekwencji wydajność generacji fal o nowych częstotliwościach. Zatem zwiększenie odstępu między kanałami i zwiększenie dyspersji chromatycznej światłowodu zmniejsza wydajność mieszania czterofalowego. ijk i j k Pracę wykonano w ramach projektu badawczego Nr 8T11D00613 finansowanego przez Komitet badań Naukowych w latach

2 Rys. 1. Mieszanie czterofalowe : a) dwie fale podstawowe b) trzy fale podstawowe.. Przy transmisji WDM na bardzo duże odległości, z zastosowaniem wzmacniaczy EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), zaczynają być stosowane włókna minimalizujące efekt FWM włókna o niezerowej dyspersji NZDF (Non Zero Dispersion Fiber). Włókna tego typu charakteryzują się niewielką, lecz niezerową dyspersją chromatyczną ograniczającą wpływ mieszania czterofalowego, w zakresie pracy wzmacniaczy EDFA. Parametry włókna NZDF - TrueWave Parametry włókien NZDF powinny spełniać wymaganie rekomendacji ITU G.655. Włókno TrueWave (Lucent Technologies) informacja katalogowa tabela 1 []. Tabela 1. Tłumienność α dla db/ Tłumienność α dla db/ Dyspersja chromatyczna w zakresie ps niezerowym Współczynnik dyspersji polaryzacyjnej ps 0.5 max. Średnica pola modu (MFD) dla ± 0.6 µm. (Petermann II def.) Długość fali odcięcia we włóknie λ c 1450 Typowa średnica rdzenia a 6 µm. n g n g Brak informacji o rozkładzie współczynnika załamania w płaszczu i rdzeniu. 3 Pomiary włókna TrueWave Dane katalogowe włókna TrueWave zweryfikowano pomiarami jego parametrów. Do niżej przedstawionych badań użyto systemów pomiarowych firmy Photon Kinetics Model 400 i 500 oraz firmy EG&G Model CD300 w przypadku pomiarów dyspersji chromatycznej. Systemy te zapewniają pomiary metodami zalecanymi przez ITU-T.

3 A-8/10.01 Wyniki pomiaru światłowodu TrueWave. Tłumienność spektralna rys.. Rys.. Przebieg tłumienności światłowodu TrueWave: α 1310 =0.375 db/, α 1550 =0.13 (pomiar metodą odcinania, rozdzielczość ±3 ). Dyspersja chromatyczna rys. 3. Rys. 3. Dyspersje chromatyczne światłowodu TrueWave (metodą pomiaru różnicy faz impulsów o różnych λ). Średnica pola modu Petermann MFD tabela Tabela. λ [] MFD [µm.] Apertura numeryczna (obliczona) NA=0.154 Długość fali odcięcia we włóknie λ c = µm. Średnica rdzenia a = 5.6 µm. Profil intensywności promieniowania rdzenia rys. 4.

4 Rys. 4. Profil intensywności promieniowania rdzenia w światłowodzie TrueWave (pomiar wykonano metodą analizy intensywności promieniowania rdzenia w jasnym polu). Wyniki pomiarów potwierdzają dane katalogowe w granicach podanych dokładności. Interesujące jest porównanie pomiarów parametrów światłowodu TrueWave ze standardowym światłowodem z przesuniętą dyspersją (AT&T). Parametry katalogowe i liczone dla standardowego światłowodu z przesuniętą dyspersją (AT&T) G.653, przedstawiono w tabeli 3 i na rys. 5. Tabela 3. Tłumienność α dla db/ Tłumienność α dla db/ Dyspersja chromatyczna dla 1550 ps 1.85 Średnica pola modu (MFD) dla µm. Długość fali odcięcia we włóknie λ c 1195 Średnica rdzenia a 5.65 µm. Apertura Numeryczna NA 0.16 Nachylenie krzywej dyspersji S o ps Rys. 5. Profil intensywności promieniowania rdzenia w standardowym światłowodzie z przesuniętą dyspersją pomiar. Istotną różnicę wykazuje w obu włóknach tylko apertura numeryczna NA. Wskazuje to na uzyskanie przesunięcia zera dyspersji w kierunku krótszych fal, w stosunku do standardowego światłowodu z przesuniętą dyspersją, metodą zmniejszenia koncentracji domieszki GeO w rdzeniu, czyli zmniejszenia różnicy współczynników załamania. Powoduje to przesunięcie ujemnej dyspersji falowodowej w kierunku fal krótszych.

5 A-8/ Parametry włókna F-LS Włókno TrueWave charakteryzują się niezerową, dodatnią dyspersją w zakresie pracy wzmacniaczy EDFA. Innym typem włókna NZDF jest światłowód firmy Corning F-LS. Parametry tego włókna przedstawiono w tabeli 4 i na rys. 6. Światłowód ten charakteryzuje się niezerową, ujemną dyspersją w zakresie Jak pokazuje rys. 6 przesunięcie zera dyspersji w kierunku fal dłuższych otrzymano tutaj profilując współczynnik załamania w obszarze między płaszczem i rdzeniem. Powoduje to przesunięcie ujemnej dyspersji falowodowej, którą fizycznie tłumaczy się rozdziałem mocy sygnału między płaszcz i rdzeń, w kierunku fal dłuższych i w konsekwencji uzyskanie ujemnej dyspersji chromatycznej w zakresie pracy wzmacniaczy EDFA. Tabela 4 Tłumienność α dla 1550 Tłumienność α dla 1310 Dyspersja chromatyczna w zakresie niezerowym Współczynnik dyspersji polaryzacyjnej 0.5 db/ 0.38 db/ ps ps Średnica pola modu (MFD) dla ± 0.5 µm Apertura Numeryczna NA 0.16 Długość fali odcięcia w kablu λ cc 160 n g n g Nachylenie krzywej dyspersji S o ps 0.07 Włókno wykonywane jest technologią OVD (Outside Vapour Depositon) Rys. 6 Rozkład współczynnika załamania we włóknie F-LS CPC6 (Corning) [].

6 Badanie połączeń spawanych światłowodu TrueWave Proces spawania wykonano używając dwóch typów spawarek : FSU-950RTC Ericsson; F-30S Fujikura. Pomiary reflektometryczne tłumienia spawów wykonano reflektometrem EXFO FCS-100 w dwóch kierunkach dla λ=1310 i λ=1550 z uwzględnieniem znaków. Do badań użyto, oprócz światłowodu TrueWave, sześciu jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych różnych typów tabela 5. Podjęcie badań spawania światłowodu typu TrueWave oraz optymalizacji procesu spawania światłowodu TrueWave z jednomodowymi światłowodami różnych typów podyktowane było praktyką połączeń spawanych w telekomunikacji. W praktyce często zdarza się (mimo, że nie powinno) łączyć ze sobą światłowody różnych typów. Powoduje to mocny wzrost, powyżej przyjętej normy 0.08 db, tłumienia spawów. Tabela 5. Typy i wybrane parametry włókien światłowodowych spawanych z TrueWave (dane katalogowe i pomiarowe). Typ Parametr Jed n. Standard () Standard () Standard () Standard () Depres. płaszcz Przes. dyspers. Siecor OVD AT&T- Fujikura VAD Optical Fibres AT&T- AT&T MCVD MCVD OVD MCVD NA * * 0.13 * 0.16 MFD (Petermann II) µm. λ = ± ± ± ± ± λ = 1550 a µm * wielkości szacowane MCVD wykonano technologią Modified Chemical Vapour Deposition OVD wykonano technologią Outside Vapour Deposition VAD wykonano technologią Vapour Axial Deposition 5.1 Wyniki pomiarów tłumienia spawów dla programu spawania automatycznego bez optymalizacji Spawarka FSU-95RTC Ericsson tabela 6. Stosowano tryb automatyczny dla spawania światłowodów jednomodowych. Tabela 6. Wyniki reflektometrycznych pomiarów tłumienia spawów (średnia z minimum trzech prób spawania). True Wave λ=1310 λ=1550 True Wave Siecor AT&T - Fujikura Optical Fibres Depres. płaszcz AT&T- Przesun. dyspersja standard db db db db db db db

7 A-8/10.01 A. F-30S Fujikura. Stosowano automatyczny tryb spawania dla dwóch programów : 1. program spawania dla standardowych światłowdów jednomodowych,.. program spawania dla światłowodów z przesuniętą dyspersją tabela 7. Tabela 7. Wyniki reflektometrycznych pomiarów tłumienia spawów (średnia z minimum trzech prób spawania). True Wave λ=1310 λ=1550 True Wave Siecor AT&T - Fujikura Optical Fibres Przesun. dyspersja standard db db db db db db Dla programów automatycznych dwóch stosowanych spawarek tylko spawy światłowodów o równych lub porównywalnych średnicach pól modowych MFD odpowiadają normie TP S.A. wynoszącej 0.08 db. Odpowiada to wyrażeniu na straty energii optycznej występujące w miejscu czołowego złączenia dwóch światłowodów : ω +ω = 0 log ω ω A (1) gdzie : A tłumienie połączenia (spawu) dwóch światłowodów [db], ω 1, ω - promienie pól modowych łączonych światłowodów. Dla spawów TrueWave ze standardowymi światłowodami jednomodowymi średnia wartość tłumienia spawu liczona z wyrażenia (1) wynosi 0.5 db co odpowiada eksperymentowi i świadczy o braku obszaru przejściowego w spawie [3,4] Wyniki pomiarów tłumienia spawów dla optymalizowanych warunków spawania Spawy o małej tłumienności i dobrej reflektancji uzyskuje się wtedy, gdy na skutek odpowiedniego rozdyfundowania domieszek w łączonych rdzeniach i płaszczach uzyska się odpowiedni obszar przejściowy [3,4] rys.7. Uzyskanie optymalnego obszaru przejściowego jest funkcją czasu i prądu spawania w trzech etapach procesu spawania FSU 95RTC tabela 8. Tabela 8. Wyniki reflektometrycznych pomiarów tłumienia spawów (średnia z minimum trzech prób spawania, program optymalizowany, spawarka FSU 95RTC). True Wave λ=1310 λ=1550 Siecor AT&T- Fujikura Optical Fibres Depresyjny płaszcz AT&T- db db db db db

8 Rys. 7. Schematyczne przedstawienie rozdyfundowania domieszek i powstanie obszaru przejściowego. Przykładowe obrazy termoluminescencji optymalizowanych spawów przedstawiono na rys.8. Rys. 8 Obrazy termoluminescencji spawu : lewy TrueWave prawy Optical Fibres. Widoczna większa intensywność luminescencji rdzenia TrueWave co związane jest z większą koncentracją domieszki GeO i w konsekwencji większą NA. 6 Wnioski Połączenia spajane światłowodu NZDF (G.655) typu TrueWave wykonuje się bez problemu programami automatycznego spawania dla światłowodów jednomodowych. To samo można odnieść do połączeń spawanych światłowodu TrueWave ze standardowymi światłowodami z przesuniętą dyspersją (G.653) dla technologii MCVD. Spawanie światłowodu TrueWave ze standardowymi światłowodami jednomodowymi (G.65) wykonywanymi różnymi technologiami wymaga optymalizacji warunków spawania i jest możliwe uzyskanie powtarzalnych spawów o tłumieniu 0.08 db. Podziękowanie Autorzy dziękują dyrektorowi Bydgoskiej Fabryki Kabli mgr inż. Janowi Wieluńskiemu oraz kierownictwu laboratorium światłowodowego BFK za umożliwienie i pomoc w pomiarach parametrów włókien światłowodowych. Literatura 1. Siuzdak J., Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, 1997, pp Materiały firmowe i katalogi : Siecor, AT&T-, Lucent Technologies, Optical Fibres, Fujikura, Ericsson. 3. Zheng W., The Real Time Control Technique for EDF Splicing, Ericsson Review pp. 1 4, Ratuszek M., Zakrzewski Z., Majewski J., Zalewski J., Problemy spawania telekomunikacyjnych jednomodowych włókien światłowodowych stosowanych w Polsce i pochodzących od różnych producentów, KST 97, tom C, pp