### Лекция 5. Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDS)

NZDS волокна (Non-Zero Dispersion Shifted) сконструированы специально для применения в DWDM системах и обладают дисперсией достаточной для того, чтобы подавить эффект четырехволнового смешения. В тоже время дисперсия их достаточно мала - так, что она не ограничивает возможность передачи на большие расстояния сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64). Иначе говоря, NZDS волокна совместимы как с плотными DWDM системами, так и с высокоскоростными TDM (Time Domain Multiplication) системами, и позволяют увеличивать пропускную способность волокна не только за счет увеличения числа передаваемых каналов, но и за счет увеличения скорости передачи в каждом канале.

Рисунок 4- Пропускная способность магистральных линий передачи
возрастает как за счет роста числа спектральных каналов, так и
за счет увеличения скорости передачи в спектральных каналах

NZDS волокна являются ещё достаточно «молодым» типом волокон и продолжают эволюционировать вместе с технологией DWDM. В настоящее время на рынке представлено несколько типов NZDS волокон как с положительной, так и с отрицательной дисперсией. В Европе рынок NZDS волокон пока ещё небольшой, а цена их достаточно высока (в два три раза больше, чем у SM волокон). В то же время США на долю NZDS волокон приходится около 50 % волокон, инсталлированных в дальних линиях связи. В Европе также все больше операторов связи начинают использовать этот тип волокон. Так что рынок NZDS волокон расширяется, и цена на них должна постепенно снизиться.

Параметры NZDS волокон регламентируются Rec. G.655 ITU-T. Ранние модели NZDS волокон отличались от DS волокон (G.653) всего лишь тем, длины волны нулевой дисперсии у них не по- падала в полосу усиления эрбиевого оптического усилителя (рис. 4). Последние модели NZDS волокон обладают большей площадью модового пятна и меньшим наклоном коэффициента дисперсии, что позволяет увеличить число каналов в DWDM системе и передавать больше мощности в каждом из каналов. Появление на рынке этих новых моделей NZDS волокон требует внесения изменений в Rec. G.655, которые должны быть в скором времени проведены отделом стандартизации телекоммуникаций ITU-T.

Рисунок 5 - Зависимость величины потерь и коэффициента
дисперсии от длины волны для SM, DS и NZDS волокон

В идеале NZDS волокна должны обладать большой площадью модового пятна и нулевым наклоном дисперсионной характеристики. Однако для используемых обычно форм профилей показателя преломления (рис. 5) удовлетворить этим требованиям одновременно не удается.

Зависимость наклона коэффициента дисперсии от диаметра модового пятна для NZDS волокна с четырехслойным профилем показателя преломления производства компании Hitachi приведена на рис. 6.

Рисунок 6 - Зависимость наклона коэффициента дисперсии от диаметра модового пятна для волокон компании Hitachi с четырехслойным профилем показателя

Поэтому поиск оптимальной формы профиля показателя преломления для NZDS волокон продолжается и в настоящее время. Одно направление этих поисков связано с исследованием популярных в середине 80-х годов волокон с плоской дисперсионной характеристикой. Другое направление - с попыткой создания волокон с отрицательным знаком наклона коэффициента дисперсии. Устанавливая последовательно NZDS волокна с противоположными знаками коэффициента дисперсии, можно будет строить линии с постоянной в широкой полосе частот полной дисперсией. Интерес к таким волокнам возникает в первую очередь при создании сверхдлинных подводных магистральных линий передачи.

Ещё одной причиной, которая может привести к обновлению парка NZDS волокон, является прогресс в технологии оптических усилителей. В настоящее время стали доступны оптические усилители, работающие в диапазонах соседних с диапазоном эрбиевого оптического усилителя (1525 …1565 нм), например: 1570…1610 нм, 1290..1310 нм, 1420..1500 нм и 1650..1700 нм. Таким образом, открывается возможность освоения новых оптических диапазонов, для чего потребуются и новые NZDS волокна.

Применение NZDS волокон

Наибольший интерес для применений в наземных линиях связи представляют новые модели NZDS волокон с положительной дисперсией (+D NZDS) и большой площадью модового пятна. Они обладают малыми потерями, малой величиной PMD и хорошими геометрическими параметрами и идеально подходят для DWDM систем, работающих в полосе эрбиевого усилителя (диапазон С). Более того, ряд моделей +D NZDS обладает достаточно малым наклоном коэффициента дисперсии так, что они могут применяться и в соседнем длинноволновом диапазоне L (1570…1620 нм).

Волокна с отрицательной дисперсией (-D NZDS) до недавнего времени применялись в основном в линиях дальней подводной связи. Это связано в первую очередь с тем, что для компенсации полной дисперсии в линии с -D NZDS волокнами можно использовать SM волокна, обладающие в диапазоне C достаточно большой (~ 17 пс/нм км) положительной дисперсией. Так как длина волны нулевой дисперсии у -D NZDS волокон лежит в диапазоне L, то в этом диапазоне эти волокна не применяются.

В последнее время -D NZDS волокна стали достаточно широко применяться и в наземных линях связи. Были разработаны волокна с отрицательной дисперсией специально для городских сетей (MAN –metropolitan area network). Их применение позволяет не только обеспечить высокую скорость передачи данных в таких сетях, но снизить стоимость комплекта «оборудование + кабель».

Как показала практика, первые модели NZDS волокон не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к ним в DWDM системах при скоростях передачи сигналов 10 Гбит/с (STM-64). Площадь модового пятна у них слишком мала, а наклон коэффициента дисперсии слишком велик. Это приводит к усилению эффекта перекрестной фазовой модуляции (ХРМ) и четырехволнового смешения (FWM) и, соответственно, появлению перекрестных помех.

Применение NZDS волокон с большой (почти в два раза) площадью модового пятна и малым наклоном коэффициента дисперсии позволяет значительно уменьшить перекрестные помехи, вызванные ХРМ и FWM эффектами. В частности, малый наклон коэффициента дисперсии облегчает компенсацию дисперсии, необходимую для передачи сигналов со скоростью 10 Гбит/с (STM-64) на расстояние 300..400 км. При наличии небольшой дисперсии перекрестные помехи из-за ХРМ эффекта проявляются сильнее, чем из-за FWM эффекта. Поэтому ХРМ эффект является основным нелинейным эффектом для NZDS волокон.

В настоящее время промышленностью выпускаются DWDM c пропускной способностью 1.6 Тбит/с. На международной выставке FOC 2001 сообщалось о DWDM системе с пропускной способностью 10.92 Тбит/с. Предельная же пропускная способность линии передачи на одном волокне при использовании технологии DWDM составляет около 100 Тбит/с и ограничивается нелинейными эффектами.

Новые модели NZDS волокон удовлетворяют большинству этих требования. Они разделяются на три основные типа (рис. 7): волокна с большой площадью модового пятна (LEAF (Corning)), волокна с малым наклоном дисперсионной кривой (TrueWave RS (Lucent)) и волокна с большой дисперсией (TeraLight, Alcatel).

Рисунок 7 - Дисперсионные характеристики различного типа + D NZDS волокон (G. 655)

Все эти типы выпускаются основными производителями волокон. В литературе при упоминании какого либо из этих типов волокна обычно ссылаются, как это сделано выше, на марку волокна, появившуюся на рынке первой. Оптические характеристики трех основных типов NZDS волокон представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Оптические параметры трех основных типов + D NZDS волокон

Волокна LEAF и TrueWave RS сконструированы так, что в середине диапазона С коэффициент дисперсии у них оптимален. Волокно LEAF обладает максимальной площадью модового пятна (72 мкм2) и наилучшим образом подходит для работы в диапазоне С. Недостаток LEAF - большой наклон дисперсионной характеристики, в результате чего оно не пригодно для работы в диапазоне S (пятое окно), так как там коэффициент дисперсии обращается в нуль.

Компания Corning поставляет в Россию волокна LEAF с 1999 г. Большая площадь модового пятна позволяет увеличить расстояние между оптическими усилителями (рис. 8) и, соответственно, снизить стоимость комплекта “оборудование + кабель” (на 30-40 %). В настоящее время волокно LEAF широко используется в ТрансТелеКом при строительстве сети протяженностью более 45 тыс. км.

Наименьшим наклоном дисперсионной характеристики (0.045 пс/нм2*км) обладают волокна TrueWave RS, что позволяет применять их во всех трех диапазонах: C, L и S. Наклон дисперсионной характеристики у TeraLight (0.058 пс/нм2*км) хотя меньше, чем у LEAF, но достаточно большой - так, что уже в соседнем диапазоне С волокно TeraLight обладает большой дисперсией порядка 8 пс/нм*км. Такая большая дисперсия необходима, как уже говорилось, в системах DWDM, обладающих большой скоростью передачи в отдельных спектральных каналах и большой плотностью каналов.

Рисунок 8 - Зависимость оптимального расстояния между
оптическими усилителями от площади модового пятна в волокне

Погонные потери в NZDS волокнах примерно на 10 % больше, чем в SM волокнах. В тоже время разница между средним значением потерь в сростках NZDS волокон и в сростках SM волокон значительно больше. Так в сростах волокон TrueWave среднее значение потерь составляет 0.04 дБ, что в два раза больше среднего значения потерь в сростках SM волокон (0.02 дБ).

Таблица 6- Потери в сростках NZDS волокон