Характеристики на оптични влакна за лазерно предаване, Journal of Network Solutions
За високоскоростно предаване на информация по многомодови оптични пътища се използват специално проектирани варианти на влакнести световоди. Постигането на необходимите свойства до голяма степен се определя от методите на отглеждане на техните заготовки. Методът на външно отлагане на пари дава възможност да се получи почти идеален профил на индекса на пречупване.
Развитието на съвременните индустриални и локални мрежи е съпроводено с постоянно повишаване на изискванията за скорост на пренос на информация. Съвременните информационни системи работят със скорост до 10 Gbit/s. Традиционните системи за предаване, които използват евтини LED излъчватели в своите мрежови интерфейси, имат горна граница на честотната лента от 622 Mbps. Лазерните излъчватели трябва да поддържат гигабитови и мулти-гигабитови скорости. Промяната на вида на излъчвателя оказва значително влияние върху дизайна на влакното.
В края на 90-те години. на миналия век, в резултат на прехода от LED към източници на лазерно лъчение, се появи ново поколение оптимизирани многомодови влакна, предназначени да предават лазерно лъчение. Излъчвателите VCSEL с работна дължина на вълната 850 nm са предназначени за използване с многомодови влакна. Поради добрите им икономически показатели, те се считат за най-добрата комбинация за индустриални и офис приложения. По-долу са разликите между традиционните многомодови влакна и оптичните влакна за лазерно предаване. Както ще бъде показано, за да се осигурят високи скорости на трансфер на данни в съвременните промишлени и локални мрежи, е много важно да се избере правилното качество на влакното.
ПРЕДАВАНЕ ЧРЕЗ LED И ЛАЗЕРНИ ЕМИСИИ
 |
| Фигура 1. Светодиодът излъчва различен лъч светлина, възбуждайки голям брой режими в многомодовото оптично влакно, в резултат на което информационният сигнал запълва цялата площ на напречното сечение на сърцевината. |
В областта на входа в многомодовото оптично влакно оптичното лъчение се разделя на няколко лъча, всеки от които се разпространява по собствена траектория. Единичен лъч се нарича мода, а влакно, където могат да съществуват няколко направлявани мода, се нарича многомодово влакно. Излъчването на светодиода се различава от това на лазера по много широкия модел на излъчване (вижте Фигура 1). Силно дивергентният лъч светлина, когато бъде въведен в многомодовото влакно, "прелива" сърцевината му и възбужда голям брой модове в него. Лазерът, от друга страна, възбужда сравнително малко модове във влакното и те се разпространяват главно в областта, съседна на оста на сърцевината.
МНОГОМОДОВО ВЛАКНО ЗА ЛАЗЕРНО ПРЕДАВАНЕ
Светлината се разпространява чрез ефекта на пълно вътрешно отражение в централната част на оптичния вълновод, където материалът има по-висок индекс на пречупване. Докато се отдалечавате от оста, индексът на пречупване на материала на сърцевината постепенно намалява, за да образува така наречения градиентен профил (вижте Фигура 2). Благодарение на този профил лъчите от всички модове, независимо от техния път, достигат до изходния край на влакното едновременно. Отклоненията на времето на разпространение на лъчите на отделните моди от дадено генерират така наречената междумодова дисперсия. Числената мярка за пропускателната способност на многомодовото влакно е честотната лента, която има размер MHz * km. Ширината на честотната лента на влакното е обратно пропорционална на междумодовата дисперсия.
Ако многомодово влакновъзбудена от лазер, светлината се разпространява в тясна област близо до оста на ядрото. Характеристиките на градиентното влакно като насочваща информационна сигнална система са силно зависими от гладкостта на профила в аксиалната част. Профилът на индекса на конвенционално многомодово влакно обикновено има спад в аксиалната област (вижте Фигура 2). От физиката на процеса следва, че такъв дефект ще има по-голям ефект върху тясно фокусираното лазерно лъчение, което е концентрирано в аксиалната област.
 |
| Фигура 2. Многомодовите влакна имат градиентен профил на индекса на пречупване. |
Съвременните високоскоростни мрежови интерфейси използват изключително източници на лазерно лъчение. Наличието на технологичен дефект в централната част на сърцевината на влакното води до изкривяване на предавания сигнал и увеличаване на вероятността от грешка. Парадоксът е, че комбинацията от лазерен приемо-предавател и традиционно многомодово влакно не е подходяща за високоскоростни приложения. Следователно, когато преминавате към скорости на предаване от 10 Gbps, традиционните многомодови влакна трябва да бъдат заменени с нови.
За да се потисне този ефект, характеристиката на профила трябва да бъде оптимизирана в аксиалната област на сърцевината. Това е напълно възможно, въпреки че ще изисква решаването на редица сложни технологични проблеми. Идеалният профил на индекса на пречупване е показан на фигура 2.
В този случай всички дефекти в аксиалната област се елиминират, което позволява да се изключи влошаването на параметрите на предаване на комуникационната система поради ефекта на забавяне на диференциалния режим.
ОПТИМИЗАЦИЯ НА ВЛАКНА И ТЕХНОЛОГИЯ ЗА ПРОИЗВОДСТВО
 |
| Фигура 3а. Профили на индекса на пречупванемногомодови оптични влакна за лазерно предаване, изтеглени от заготовки, направени на базата на методите MCVD и PCVD. В аксиалната област на тези влакна винаги има доста забележимо спадане в характеристиката на профила. |
Установено е, че процесът на отглеждане на преформата на влакното има решаващо влияние върху еднородността на профила на индекса на пречупване. Както е показано от проучвания на влакна, направени с помощта на модифициран метод за химическо отлагане на пари от газова фаза (Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD) и плазмен метод за химическо отлагане на пари от газова фаза (Plasma Chemical Vapor Deposition, PCVD), които производителите произвеждат за използване във връзка с лазерни излъчватели за 10 Gigabit Ethernet интерфейса при дължини на пътя от 150, 300 и 500 m и дължина на вълната 850 nm, около половината от пробите имат потапяне в централната част на характеристиката на профила на индекса на пречупване (вижте Фигура 3а). Наред с този дефект в аксиалната част на сърцевината на всички изследвани влакна имаше и други видове нарушения на гладкостта на профила. Според експерти, използването на метода Outside Vapor Deposition (OVD) за отглеждане на заготовки от влакна прави възможно производството на многомодови влакна за лазерно предаване без почти никакво потапяне в аксиалната част на сърцевината (виж Фигура 3b).
Друг проблем, който възниква само при MCVD и PCVD е, че те не могат да гарантират една и съща честотна лента по цялата дължина на влакното. Външно този ефект се проявява във факта, че широколентовият коефициент на определен сегмент от влакното се различава от подобен параметър, измерен за влакното като цяло. Дисперсионни характеристики на многомодови влакна за лазерно предаванеимат много висока чувствителност към отклонения на геометричните параметри от дадена стойност и следователно влакната, предназначени за използване във високоскоростни системи, трябва да преминат всички класификационни тестове.
РЕГУЛИРАНЕ НА ПАРАМЕТРИ НА МНОГОМОДОВО ВЛАКНО
Предаването на данни с висока скорост на голямо разстояние поставя много строги изисквания по отношение на разпространението на времето на забавяне на отделните възбудени режими и разпределението на енергията между тях. Следователно, тестването на разпределението на мощността в управляван режим за конвенционални многомодови влакна трябва да се извърши в така наречения режим на възбуждане в пълен режим, който е типичен за възбуждане на влакното от LED излъчвател. Междувременно условията за въвеждане на радиация от лазерен източник са напълно различни. За влакна от ново поколение всички измервания на техните параметри се извършват, като се вземат предвид характерните условия за въвеждане на светлинен поток от тясно насочен лазерен излъчвател.
 |
| Фигура 3b. Профилът на индекса на пречупване на многомодово влакно, изтеглено от OVD преформа. Няма спад в аксиалната област на профилната характеристика. |
В широката инженерна практика тестването се извършва при различни условия: DMD, RML и minEMBc. Ширина на честотната лента RML (широчина на честотната лента на селективно възбуждане) беше първата широколентова характеристика на влакната за лазерно предаване. Той е стандартизиран към стандарта TIA-455-204 и е ефективен параметър за оценка на пропускателната способност на влакна при скорости на предаване до 1 Gbps.
За системи за предаване през широколентови многомодови оптични кабели на информационни потоци със скорост до 10 Gbit / s е необходим по-точен метод.оценки на техните дисперсионни характеристики. Нарича се minEMBc (минимална изчислена ефективна честотна лента) и съответните ограничения са фиксирани в стандартите TIA/EIA-455-220 и IEC 60793-1-49.
Методът се основава на експерименталното определяне на забавянето на диференциалния режим и понастоящем се счита за единствения надежден начин за адекватна оценка на дисперсионните параметри на многомодово влакно с различни дължини и при различни скорости на предаване. Други методи могат да дадат само груба оценка на приложимостта или неподходящостта на конкретно влакно за предаване на 10-гигабитов поток над 300 m.
Лазерно оптимизираните многомодови влакна не могат да бъдат напълно гарантирани, че поддържат 10 Gigabit трафик, освен ако не са тествани с най-новите техники за измерване на съотношението на честотната лента. Особено внимание трябва да се обърне на влакната, произведени по методите MCVD или PCVD. Данните за дисперсията, докладвани от производителите за тези продукти, често имат големи отклонения по дължината на влакното. Резултатите също са значително повлияни от не напълно изгладеното централно пропадане в характеристиката на профила на индекса на пречупване.
ИЗМЕРВАНИЯТА НА ПРОБИТЕ СА НЕДОСТАТЪЧНИ
Производителят на оптични влакна е длъжен да гарантира необходимите параметри на дисперсия на всеки метър влакно на всяка макара от техните продукти. Това ни принуждава да изоставим селективните контролни измервания в полза на непрекъснатия контрол. Само в този случай параметрите на абсолютно всички светлинни водачи ще отговарят напълно на спецификациите, което още веднъж подчертава важността на осигуряването на желаното качество на продукта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Модеренкомуникационните системи за офис и промишлена употреба трябва да осигуряват скорост на трансфер на информация от 1 Gb/s и дори по-висока, за да поддържат интерфейси Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet и Fibre Channel. Високите скорости на предаване налагат използването на лазерни източници, предимно VCSEL лазери с работна дължина на вълната 850 nm, вместо светодиоди, които използват максимална скорост от 622 Mbps. Замяната на конвенционалните многомодови оптични влакна с влакна, оптимизирани за лазерно предаване, прави възможно създаването на високоефективни системи за предаване на информация с атрактивни икономически показатели.
Качеството на такива влакна обаче значително зависи от метода на формиране на заготовката за тяхното изтегляне. Влакната, произведени по метода OVD, нямат централен спад в характеристиката на индекса на пречупване и имат висока еднородност на профила в аксиалната област. За световоди, предварително оформени чрез MCVD или PCVD технология, необходимата степен на гладкост на профила може да бъде гарантирана с известни резерви. Осигуряването на пълна гаранция за пропускателна способност в случай на използване на лазери VCSEL в оптични предаватели става възможно, ако методът minEMBc се използва за измерване на параметрите на дисперсията.
Споделяйте материал с колеги и приятели