Характеристические величины в волоконной оптике

Хотя я работал довольно близко к этим темам (хотя и давным-давно), я нашел полезную информацию, погуглив «волокно с диапазоном длин волн». Энциклопедический сайт http://www.rp-photonics.com инженера доктора Рюдигера Пашотты является отличным справочником (у меня нет ссылок на этого парня; я просто захожу на его сайт в качестве ссылки, когда мне нужно напомнить об этом). вещи)>

Краткий ответ: 1300 нм и 1500 нм (т.е. примерно между двумя и тремя длинами волн видимого света) являются основными диапазонами. Мощность может достигать 100 Вт на волокно, что в одномодовом волокне с$10{\rm\mu\,m}$диаметр поля моды представляет собой плотность мощности$300{\rm GW\,m^{-2}}$; при больших мощностях волокна имеют тенденцию к выходу из строя, потому что локальный нагрев из-за мощности, поглощаемой мельчайшим дефектом или включением в волокно, начинает плавить волокно и, таким образом, усиливает потери и локальный нагрев, и волокно разрушается так, что выглядит скорее как зажженный фитиль, который сгорает сам!

Скорость передачи сигнала по оптоволокну организована следующим образом (по крайней мере, так было двадцать лет назад: я так понимаю, что технология улучшилась, но идеи остались прежними):

1. Цифровые модулирующие сигналы обычно организованы в$10{\rm GBps}$полоса пропускания (т. е. точно так же, как ослепительно быстрый телеграф) каналы (на самом деле скорость$10.192{\rm GBps}$, из которых$9.852{\rm GBps}$полезная нагрузка в модуле синхронной передачи уровня 64 (STM-64) );
2. Эти$10{\rm GBps}$Каналы основной полосы частот «накладываются» на волокно посредством мультиплексирования с разделением по длине волны . Обычно на волокно приходится до нескольких сотен таких каналов, что обеспечивает пропускную способность в несколько терабит по каждому волокну.

Важно понимать, что вышеуказанная организация возникает из-за ограничений на отправку и получение электроники (нам трудно заставить что-то работать по разумной цене, превышающей$10{\rm GBps}$основная полоса), она никоим образом не определяется физикой волокна. Теоретически волокно может передавать примерно 1 петабит в секунду для каждого используемого модального канала на расстояние примерно в десять километров без регенерации. Для обзора физики, ограничивающей само волокно, см. мой ответ здесь и ссылку, которую я цитирую в конце.

Итак, какова физика, лежащая в основе всего этого. Я взял рисунок ниже из документации по продуктам JDSU:

Грегори Литарт, «Характеристика пика воды для волокна»

и это иллюстрирует многое из того, что я хочу сказать:

Две вещи ограничивают передачу сигнала по оптическим волокнам: затухание и дисперсия. Большое количество технологий было разработано для борьбы с последним, дисперсией, которая ограничивает полосу пропускания за счет скремблирования передачи сигналов с переменной групповой задержкой. Дисперсия является почти полностью линейным эффектом, поэтому ее эффекты могут быть почти полностью аннулированы и компенсированы с помощью таких устройств, как решетки для оптических волокон (см. также Решетки с длинным периодом , а также волокно со смещенной дисперсией . Потери представляют собой гораздо более серьезную проблему и могут быть преодолены только с помощью регенерация через волоконные усилители; потери ограничивают скорость передачи через шум: даже в идеально чистой системе, где усилители имеют нулевой коэффициент шума, оптический квантовый предел преобладает и устанавливает предел: см. мое подробное обсуждение в моем ответе на вопрос Physics SE «Максимальная теоретическая пропускная способность оптоволокна » .

Таким образом, с учетом этих замечаний становится очевидным, что для многокилометровых волокон нам необходимо работать в диапазонах длин волн, где затухание составляет менее 1 дБ на каждый километр. Таким образом, из диаграммы выше очевидна причина наличия полос 1300нм и 1550нм. Полоса 1550 нм является полосой с меньшими потерями, но исторически полоса 1300 нм использовалась первой, потому что именно здесь длина волны с нулевой дисперсиейКварцевое волокно с простым ступенчатым показателем преломления имеет тенденцию садиться. До того, как были полностью усовершенствованы технологии подавления дисперсии, такие как профили показателя преломления волокон со сдвигом дисперсии и волоконные решетки, остаточная дисперсия, как правило, была окончательным пределом. По мере того, как это было приручено, практические длины волокон становились длиннее, поэтому постепенно использовался диапазон 1550 нм. Кроме того, появилась технология усилителей волокна, легированных эрбием, для реализации станций регенерации в оптоволоконных сетях, и это работает на длине волны 1550 нм. Но в настоящее время ширина полосы пропускания, требуемая от волокон, настолько велика, что необходимо использовать все практически возможные диапазоны - от 1260 до 1625 нм, поскольку ведутся исследования по открытию каналов в диапазоне 850 нм.