Standardowe i specjalne światłowody jednomodowe Communications as well as Specialty Single-Mode Fibers
Ograniczenia systemowe na projektowane włókna Standardy ITU International Telecommunication Union Włókna dla ograniczonej tłumienności Włókna szerokopasmowe i o wysokiej szybkości transmisji danych Specjalne włókna jednomodowe: włókna z dużymi otworami powietrznymi włókna z wewnętrznymi elektrodami włókna wielordzeniowe włókna dla wysokotemperaturowo odpornych siatek
Ograniczenia systemowe na projektowane włókna Optymalizacja ukierunkowana jest na minimalizacje kosztów systemu przy danej jego wydajności. Dlatego też przy wyborze transmisji cyfrowej konieczne jest zapewnienie zdolności rozpoznania czy przychodzący bit jest 0 czy 1, na co ma wpływ parę czynników. Po pierwsze SNR może być zredukowane poprzez czynniki zarówno optyczne jak i elektryczne. Optyczny SNR wynika z szumów w nadajniku, optycznej tłumienności, wprowadzanych szumów przez wzmacniacze oraz ograniczonej czułości detektora. Po drugie interferencja międzyznakowa (ISI intersymbol interference) pojawia się ze względu na zależność szybkości transmisji od dyspersyjnych własności włókna. W końcu nieliniowe efekty mogą całkowicie zaburzyć kształt transmitowanych impulsów. Ograniczenia z optycznego wpływu na stosunek sygnału do szumu OSNR Rozważane są dwa przypadki: 1. Nisko-kosztowa linia bez wzmocnienia ograniczenie stratami Przy określonej czułości odbiornika w dbm (logarytmiczna jednostka mocy) budżet mocy określa maksymalne straty umożliwiające osiągnięcie danego poziomu BER bit error ratio; np. dla 10-Gbps PIN diody w odbiorniku o czułości 18 dbm oraz mocy nadawczej kilku dbm, całkowity budżet strat to 20 db (włókno, spawy, złącza). Zakładając z nadmiarem 0.25 db/km@ 1550nm, oraz 2 db na spawy i złącza mamy linie ok. 72 km.
2. Linia ze wzmacniaczami Przybliżone określenie wpływu ONSR dla tego przypadku wymaga uwzględnienie istnienia N span odcinków o stratności L span każdy, w których to wzmacniacze mocy posiadają wzmocnienie NF (tzw. noise figure) jako: OSNR = 58 + P ch - NF - L span - 10 log 10(N span ), Wielkości wyrażone w db lub dbm, zaś P ch jest mocą wejściową odcinka. Rozwiązanie to daje polepszenie o 6 db dla szybkości transmisji od 10 do 40 Gbps. Jak widać najefektywniejszym sposobem wzrostu ONSR ze wzmacniaczami jest redukcja strat poprzez grupowanie wzmacniaczy, gdyż ONSR polepsza się liniowo ze startami odcinkówa tylko logarytmicznie z ich ilością. Ograniczenia wynikające z interferencji międzysymbolowej ISI ISI pojawia się z poszerzenia impulsu dla danej szybkości transmisji spowodowanego przez własności dyspersyjne ośrodka. CD- dyspersja chromatyczna (β(λ)) jest proporcjonalna do długości włókna oraz szerokości widmowej źródła i dla wyższych szybkości przesyłu rośnie proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z niej. PMD wynikająca z małej wewnętrznej dwójłomności o losowym rozkładzie rośnie zaś odpowiednio do pierwiastka kwadratowego z długości włókna. Możliwe są znowu dwa przypadki: 1. System nisko-kosztowy z in-line kompensacją dyspersji
Tutaj tolerancja dyspersyjna odbiornika określana jest jako 1 db poziom dyspersji w ps/nm. Dla SSMF który w zakresie 1550-nm ma dyspersję na poziomie 17 ps/nm-km dale linię rzędu 60-80 km. 2. Systemy wykorzystujące kompensujące linie wzmacniające Ograniczenia wynikające z nieliniowości Zjawiska nieliniowe mogą spowodować poszerzenie częstotliwościowe oraz czasowe przekształcanie pojedynczego impulsu, a w konsekwencji dawać przesłuchy pomiędzy impulsami w danym kanale jak i dodatkowy wpływ dwu kanałów na kolejny. Jest to szczególnie istotne dla długich linii, gdzie nawet niewielkie nieliniowości mogą mieć istotny wpływ ze względu na możliwość ich akumulacji. XPM sprzężona modulacja fazowa jest dominującym zjawiskiem w 10-Gbps DWDM systemie. FWM mieszanie czterofalowe może być skutecznie eliminowane jako osłabienie pomiędzy kanałami dla 10-Gbps systemów o ile dyspersja w danym paśmie jest większa od 2 ps/nm-km. Ograniczenia wynikające z technologii wzmacniaczy EDFA wzmacniacz na erbowo-domieszkowanym włóknie zrewolucjonizował telekomunikację optyczną umożliwiając budowę sieci przezroczystych optycznie. Jednakże poprzez wzmocnienie sygnału wzmacniany jest także szum co musi być uwzględniane przy projektowaniu systemu z punktu widzenia rozważania OSNR.
FIG. 1 Podstawowe elementy optycznej linii transmisyjnej, których budowa jest wzajemnie silnie powiązana FIG. 2 Rów. Maxwella pozwalają na określenie światłowodu o przesuniętej charakterystyce nie-zerowej dyspersji. Jednakże nie jest możliwe niezależne dobieranie nachylenia krzywej dyspersji, strat zgięciowych oraz efektywnego obszaru włókna, dla ustalonej niezmiennej wartości długości fali odcięcia. Straty zgięciowe są określone poprzez konstrukcję kabla oraz dopuszczalne straty. Ogólnie nie mam możliwości uzyskania płaskiej charakterystyki dyspersyjnej przy założeniu konstrukcji włókna o dużym efektywnym obszarze.
Standardy wg. International Telecommunication Union Standardy ITU powinny być traktowane jako konieczne ale nie wystarczające warunki dla światłowodów do ich praktycznego wykorzystania. G.652 MFD = 8.6-9.5 um, λ c =1260 nm, ZDW = 1300-1324 nm, CD = 17 ps/nm-km@ 1550 nm; G.652D najnowszy, α = 0.3 db/km@1550 nm, PMD <0.2 ps/km 1/2, low water peak (LWP) tłumienie na 1383 nm stratność dla tej długości ma być mniejsza od innych w zakresie 1310 1625 nm, zazwyczaj < 0.35 db/km G.654 (cutoff-shifted fiber) - niższa FIG. 3 Kategorie włókien ITU względem dyspersji strata oraz wyższa moc transmisji, MFD ok. 13 um, λ c =1530 nm, α = 0.22 db/km@1550 nm, PMD - 0.2 ps/km 1/2, CD określana jest dla 1550 nm i wynosi tyle co dla G.652. Włókno to stosowane jest w kablach podwodnych, w połączeniu z włóknami o odwróconej dyspersji oraz w długich liniach bez wzmacniaczy. G.655 (non-zero dispersion fiber) szybkość transmisji do 40 Gbps na dużych odległościach, niska ale nie zerowa dyspersja dla C-pasma, PMD< 0.2 ps/km 1/2, λ c < 1450 nm
FIG. 3 Kategorie włókien ITU względem dyspersji G.656 (włókna optymalizowane dla CWDM/DWDM) niska dyspersja dla przedziału od 1460 do 1625 nm powodująca obniżenie ISI, która to ogranicza niekompensowaną transmisję CWDM, CD = 2 ps/nm-km @ 1460 nm,
Włókna dla ograniczonej tłumienności Dla systemów w których stratność połączenia ogranicza właściwości nie wzmacnianego systemu, stratność włókna (w kablu) jest kluczowym parametrem. Komercyjne istotne są dwa rozwiązania: włókna ZWP oraz o czysto krzemionkowym rdzeniu oba otrzymane poprzez polepszenia w chemicznym i fizycznym procesie uzyskiwania materiałów optycznych oraz wielkiej dokładności samego procesu wytwarzania włókna. Wzrost strat dla 1383 nm był rozpoznany jako absorpcja na drganiach 2 harmonicznej grupy OH. Ten wodny pik powoduje wzrost optycznego tłumienia w zakresie 1360 1460 nm (tzw. pasmo E). Telekomunikacja stosowała więc transmisję w paśmie O (na 1310 nm) oraz C (na 1550 nm). Włókna z czysto krzemionkowym rdzeniem - konieczne jest minimalizowanie stratności wynikłej z rozproszenia Rayleigh a związanego z nono-skopijnymi fluktuacjami współczynnika załamania (wynikłymi z gęstości szkła oraz składu chemicznego). Osiągane komercyjnie średnie straty są 0.168 db/km@1550 nm, poprzez eliminacje tlenku germanu jako dodatku do rdzenia i obniżenie współczynnika załamania płaszcza poprzez silne domieszkowanie tlenkiem fluoru. (cały rozkład współczynnika załamania jest przesunięty w dół o ok. 0,35%). Takie włókna są bardzo wrażliwe na proces wyciągania, gdyż czysta krzemionka ma znacznie większą wrażliwość od domieszkowanej. Wyciąganie z bardzo mała prędkością ok. 1-2 m/s. W efekcie są to włókna o parametrach zbliżonych do kategorii G.652D.
Włókna z zerowym pikiem wodnym ZWP - bardziej praktyczne de facto spełniają one standard ITU G.652D i są standardowymi wysokiej jakości włóknami dla wielu zastosowań. Osiągnięcie LWP lub ZWP włókna wymaga utrzymania koncentracji OH w krzemionce na ekstremalnie niskim poziomie: np. < 0.1 ppb OH w rdzeniu włókna ZWP dla wzrostu strat < 0.005 db/km @1383 nm. Jednakże bardziej istotnym jest opracowanie korzystnego ekonomicznie procesu wytwarzania takiego włókna. Straty na piku wodnym na 1383 nm mogą określone jako: gdzie stratność Rayleigha jest niezależna od OH 0.26 db/km, L depisit reprezentuje straty od propagacji w domieszkowanym rdzeniu i zależy od technologii wytwarzania preformy (VAD, MCVD, OVD, PCVD), dając L total <0.35 db/km dla G.652C/D lub L total <0.38 db/km dla G.655 lub G.656. L tube = 0.05 db/km, L interface oddziaływanie pomiędzy czystym szkłem rdzenia a gorszym jakościowo szkłem płaszcza, stratność płaszcza L cladding jest do pominięcia bo jedynie 0.01-0.1% mocy idzie w płaszczu dla danego D/d FIG. 4 ZWP włókna wykonane w dwu grupach technologii
Włókna szerokopasmowe i o wysokiej szybkości transmisji danych Dla takich systemów konieczne jest szczegółowe rozważenie jak konstrukcja włókna wpływa na zrównoważenie pomiędzy OSNR optyczną redukcją stosunku sygnału do szumu, kompensacja dyspersji oraz sterowaniem nieliniowymi efektami w systemie. Istnieją tu zasadniczo trzy krytyczne aspekty: 1.Precyzyjna kompensacja dyspersji w całym zakresie pasma wzmacniacza jest kluczowa dla zapewnienia efektywnej kosztowo transmisji 40-Gbps; wymaga to doskonałej kompensacji dyspersji chromatycznej oraz minimalizacji PMD. 2. Wkłady do nieliniowości od każdego z elementów linii transmisyjnej muszą być rozważone oraz nieliniowość ta musi być minimalizowana. 3. Wzmocnienie Ramana jest kluczową technologią która pozwala na polepszenie OSNR dla daleko zasięgowych linii transmisyjnych o wysokiej szybkości transmisji danych.
FIG. 5 Przykłady włókien z dużymi otworami powietrznymi Włókna z dużymi otworami powietrznymi Należą one do grupy włókien mikrostrukturalnych, ale ich wyróżnienie wynika ze specyficznych zastosowań i mogą być traktowane jako włókna w których otwory wewnętrzne są kilka razy większe niż długość fali świetlnej. Technologia takich włókien, różna od omawianej powyżej zawiera trzy zasadnicze etapy: - wytworzenie preformy wyjściowej jak opisano uprzednio, - wytworzenie wymaganych otworów i struktur w preformie (ok. 3-mm średnicy dla 25- mm średnicy preformy) za pomocą precyzyjnego wiertła diamentowego, abelacji laserowej lub urządzeń ultradźwiękowych z zachowaniem koniecznych procesów wygładzania, polerowania, etc, - wyciągnięcie włókna zachowanie specjalnych technik utrzymania otworów w danym położeniu (specjalne gazy wprowadzane w otwory)
Zalety: - względnie duży rozmiar otworów umożliwia efektywne wprowadzenie różnych materiałów do wnętrza, które mogą być wykorzystane do oddziaływania z modami płaszczowymi lub zanikającym polem modu prowadzonego oraz pełnić aktywne funkcje, - Większe struktury są łatwiejsze do wytworzenia co przekłada się na cenę włókna jak i przyszłe zastosowanie czujnikowe. Jednakże struktura taka nie może mieć własności włókna z pasmami zabronionymi. - Możliwe zastosowania: generacja supercontinuum w strukturze przewężonej, sterowanie własnościami dyspersyjnymi, włókna z pomniejszonymi stratami zgięciowymi dla kompaktnych optycznych instalacji elektrycznych, włokna dla polarymetrycznych czujników, lasery włókowe, microfluic.
FIG. 6 Sposób nanoszenia elektrody oraz struktura periodyczna na bazie apelacji laserowej Włókna z wewnętrznymi elektrodami Do wypełnienia można stosować mieszaninę Bi (43%) oraz SN (57%) topniejąca dla 137 o C co powoduje, iż zewnętrzne pokrycie akrylowe włókna jest nieuszkodzone, Au (80%) i Sn (20%) ma temperaturę mięknięcia 282 o C wówczas po przetopieniu do 300 o C może być wprowadzane w temperaturze 260 o C. Szybkość wypełnienia zależy od rozmiaru otworów, typu materiału temperatury i ciśnienia: 1m/min dla 125-um włókna z 20-40 um otworami. Połączenie włókna z metalicznymi elektrodami ze SSMF ma stratność ok. 0.1 db ale wymaga by na łączonym odcinku nie było metalu, co osiąga się poprzez zostawienie ok. 20 cm poza piecem (wciągnie metal na ok. 10 cm). Czasami lepiej jest nanieść cienką warstwę ok. 0.1-1.0 um na wewnętrzną powierzchnię otworów Ag nitrate pod niskim ciśnieniem (mniejsze naprężenia) zaś periodyczne elektrody dla dala prawie-fazowego dopasowania abelacja laserowa na 530 nm poprzez akrylowy płaszcz.
Włókna wielordzeniowe FIG. 7 Ewolucja technologii transmisji z wykorzystaniem systemów optycznych jkao zapotrzebowanie na włókna wielordzeniowe
FIG. 8 Światłowód złożony z niezależnych SMF o zmniejszonych średnicach płaszczy oraz światłowód wielordzeniowy FIG. 9 Zależność drogi sprzężenia od stosunku d/λ dla MCF z rdzeniami izolowanymi poprzez zastosowanie otworów powietrznych tego włókna [25].
Włókna dla wysokotemperaturowo odpornych siatek Włókna takie potrzebne są dla pomiarów w wysokich temperaturach w tym bezpośredniego pomiaru wysokich temperatur. FIG. 10 Porównanie zaburzenia n mod domieszkowanego Ge FBG i CCGs - siatki z doborem składu chemicznego, mającej okresowo modyfikowaną koncentrację fluoru we w rdzeniu włókna. (uwodorowane włókno z domieszkowanym F rdzeniem dla 900-11000 deg chemiczna reakcja OH z F daje HF który wydyfunduje z rdzenia tym samym mamy okresową zmianę F).