Развитие современных промышленных и локальных сетей сопровождается постоянным ростом требований к скорости передачи ин-формации. Современные информационные системы работают на скорос-тях до 10 Гбит/с. Традиционные системы передачи информации, в сетевых интерфейсах которых применяются дешевые светодиодные излучатели, имеют верхний предел пропускной способности 622 Мбит/с. Для поддержки гигабитных и мультигигабитных скоростей необходимы лазерные излучатели. Изменение типа излучателя оказывает существенное влияние на конструкцию волокна.

В конце 90-х гг. прошлого века в результате перехода со светодиодных на лазерные источники излучения появилось новое поколение оптимизированных многомодовых световодов, рассчитанных на передачу лазерного излучения. Излучатели VCSEL с рабочей длиной волны 850 нм предназначены для использования с многомодовыми световодами. Благодаря хорошим экономическим показателям они рассматриваются как наилучшая комбинация для применения в промышленных и офисных сетях. Ниже представлены различия между традиционными многомодовыми волокнами и световодами для лазерной передачи. Как будет показано, для обеспечения высоких скоростей передачи информации в современных промышленных и локальных сетях очень важно выбрать волокно надлежащего качества.

ПЕРЕДАЧА ПОСРЕДСТВОМ СВЕТОДИОДНЫХ И ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Рисунок 1. Светодиод излучает расходящийся пучок света, возбуждая в многомодовом волоконном световоде большое количество мод, в результате информационный сигнал заполняет всю площадь поперечного сечения сердцевины.

В области ввода в многомодовый волоконный световод оптическое излучение расщепляется на несколько лучей, каждый из которых распространяется по собственной траектории. Отдельный луч называется модой, а волокно, где может существовать ряд направляемых мод, многомодовым. Излучение светодиода отличается от излучения лазера своей очень широкой диаграммой направленности (см. Рисунок 1). Сильно расходящийся пучок света при вводе в многомодовый световод «переполняет» его сердцевину и возбуждает в ней большое количество мод. Лазер же возбуждает в волокне относительно немного мод, причем они распространяются преимущественно в области, примыкающей к оси сердцевины.

МНОГОМОДОВЫЕ СВЕТОВОДЫ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ПЕРЕДАЧИ

Свет распространяется за счет эффекта полного внутреннего отражения в центральной части оптического волновода, где материал имеет более высокий показатель преломления. По мере удаления от оси показатель преломления материала сердцевины постепенно снижается с целью формирования так называемого градиентного профиля (см. Рисунок 2). Благодаря такому профилю лучи всех мод независимо от своего пути приходят на выходной конец световода одновременно. Отклонения времени распространения лучей отдельных мод от заданного порождает так называемую межмодовую дисперсию. Численной мерой пропускной способности многомодового волокна является полоса пропускания, которая имеет размерность МГц*км. Ширина полосы пропускания волокна обратно пропорциональна межмодовой дисперсии.

Если многомодовый световод возбуждается лазером, свет распространяется в узкой области вблизи от оси сердцевины. Характеристики градиентного волокна как направляющей системы информационного сигнала весьма зависят от гладкости профиля в осевой части. Профиль показателя обычного многомодового световода, как правило, имеет провал в осевой области (см. Рисунок 2). Из физики процесса следует, что подобный дефект будет оказывать большее влияние на узконаправленное лазерное излучение, которое концентрируется в осевой области.

Рисунок 2. Для многомодовых световодов характерен градиентный профиль показателя преломления.

В современных высокоскоростных сетевых интерфейсах применяются исключительно лазерные источники излучения. Наличие же технологического дефекта в центральной части сердцевины волокна приводит к искажениям передаваемого сигнала и увеличению вероятности ошибки. Парадокс заключается в том, что комбинация из трансивера с лазерным излучателем и традиционного многомодового волокна не подходит для высокоскоростных приложений. Поэтому при переходе на скорости передачи 10 Гбит/с традиционные многомодовые волокна необходимо заменять на новые.

Для подавления данного эффекта характеристику профиля требуется оптимизировать в осевой области сердцевины. Это вполне возможно, хотя и потребует решения ряда сложных технологических задач. Идеальный профиль показателя преломления изображен на Рисунке 2.

В данном случае устранены все дефекты осевой области, что позволяет исключить ухудшение передаточных параметров системы связи вследствие эффекта дифференциальной модовой задержки.

ОПТИМИЗАЦИЯ ВОЛОКНА И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Рисунок 3а. Профили показателя преломления многомодовых световодов для лазерной передачи, вытянутых из заготовок, выполненных на основе методов MCVD и PCVD. В осевой области этих волокон на характеристике профиля всегда имеется довольно заметный провал.

Как было установлено, решающее влияние на однородность профиля показателя преломления оказывает процесс выращивания заготовки волокна. Как показали исследования волокон, изготовленных с помощью модифицированного метода химического осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapour Deposition, MCVD) и плазменного метода химического осаждения из газовой фазы (Plasma Chemical Vapour Deposition, PСVD), которые производители выпускали для применения совместно с лазерными излучателями для интерфейсов 10 Gigabit Ethernet при длинах трактов 150, 300 и 500 м и длине волны 850 нм, около половины образцов имеют провал в центральной части характеристики профиля показателя преломления (см. Рисунок 3а). Наряду с этим дефектом в осевой части сердцевины всех исследованных волокон имелись другие типы нарушения гладкости профиля. Согласно мнениям экспертов, применение для выращивания заготовок волокна метода внешнего осаждения из газовой фазы (Outside Vapour Deposition, OVD) позволяет изготавливать многомодовые световоды для лазерной передачи практически без провала в осевой части сердцевины (см. Рисунок 3б).

Еще одна проблема, возникающая только в случае применения методов MCVD и PCVD, состоит в том, что они не могут гарантировать соблюдение одинакового коэффициента широкополосности по всей длине волокна. Внешне этот эффект проявляется в том, что коэффициент широкополосности определенного сегмента волокна отличается от аналогичного параметра, измеренного для световода в целом. Дисперсионные характеристики многомодовых волокон для лазерной передачи имеют очень высокую чувствительность к отклонениям геометрических параметров от заданного значения, а потому световоды, предназначенные для применения в высокоскоростных системах, должны пройти все классификационные тесты.

НОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МНОГОМОДОВЫХ СВЕТОВОДОВ

Передача данных с высокой скоростью на большое расстояние выдвигает очень жесткие требования по отношению к разбросу времени задержки отдельных возбуждаемых мод и распределения энергии между ними. Поэтому тестирование распределения энергии по направляемым модам для обычных многомодовых волокон должно выполняться в режиме так называемого полномодового возбуждения, что характерно для возбуждения волокна светодиодным излучателем. Между тем условия ввода излучения от лазерного источника совершенно иные. Для волокон нового поколения все измерения их параметров осуществляют с учетом характерных условий ввода светового потока от узконаправленного лазерного излучателя.

Рисунок 3б. Профиль показателя преломления многомодового световода, вытянутого из заготовки, изготовленной методом OVD. Провал в осевой области характеристики профиля отсутствует.

В широкой инженерной практике тестирование выполняется при различных условиях: DMD, RML и minEMBc. Полоса пропускания RML (полоса пропускания волокна при избирательном возбуждении мод) была самой первой характеристикой широкополосности волокон для лазерной передачи. Она нормирована на уровне стандарта TIA-455-204 и является эффективным параметром для оценки пропускной способности волокна при скоростях передачи вплоть до 1 Гбит/с.

Для систем передачи по широкополосным многомодовым оптическим кабелям информационных потоков со скоростями до 10 Гбит/с нужен более точный метод оценки их дисперсионных характеристик. Он называется minEMBc (минимальная расчетная эффективная полоса пропускания), а соответствующие нормы зафиксированы в стандартах TIA/EIA-455-220 и IEC 60793-1-49.

Метод основан на экспериментальном определении дифференциальной модовой задержки и в настоящее время считается единственным достоверным способом адекватной оценки дисперсионных параметров многомодового волокна различной длины и на различных скоростях передачи. Другие методы могут дать только приблизительную оценку возможности применения или непригодности конкретного волокна для передачи 10-гигабитного потока далее 300 м.

В отношении оптимизированных для лазера многомодовых волокон нельзя в полной мере гарантировать их пригодность для поддержки передачи 10-гигабитных информационных потоков, если они не протестированы посредством новейших методов измерения коэффициента широкополосности. Особое внимание следует уделять световодам, при изготовлении которых использовались методы MCVD или PCVD. Данные по дисперсионным параметрам, представленные производителями для этой продукции, нередко имеют большие отклонения по длине волокна. Существенно влияет на результаты и не полностью сглаженный центральный провал характеристики профиля показателя преломления.

ВЫБОРОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕДОСТАТОЧНЫ

Изготовитель волоконных световодов обязан гарантировать требуемые дисперсионные параметры каждого метра волокна на каждой катушке своей продукции. Это вынуждает отказаться от выборочных контрольных измерений в пользу сплошного контроля. Только в этом случае параметры абсолютно всех световодов будут полностью соответствовать техническим условиям, что лишний раз подчеркивает важность обеспечения заданного качества продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные системы связи офисного и промышленного назначения должны обеспечивать скорость передачи информации 1 Гбит/с и даже выше, чтобы поддерживать интерфейсы Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet и Fibre Channel. Высокие скорости передачи вынуждают применять лазерные источники, в первую очередь лазеры VCSEL с рабочей длиной волны 850 нм, вместо светодиодов, при использовании которых максимальная скорость составляет 622 Мбит/с. Замена обычных многомодовых световодов на оптимизированные для лазерной передачи волокна позволяет создавать высокопроизводительные системы передачи информации с привлекательными экономическими показателями.

Однако качество таких волокон существенно зависит от способа формирования заготовки для их вытягивания. Волокна, изготовленные по методу OVD, не имеют центрального провала на характеристике показателя преломления и обладают высокой равномерностью профиля в осевой области. Для световодов, заготовки для которых сделаны с использованием технологии MCVD или PCVD, необходимая степень гладкости профиля может быть гарантирована с определенными оговорками. Предоставление полной гарантии пропускной способности в случае применения в оптических передатчиках лазеров VCSEL становится возможным при условии обращения к методу minEMBc для измерения дисперсионных параметров.

Меррион Эдвардс и Жан-Мария Фроментау — менеджеры компании Corning. С ними можно связаться по адресу: jos@lanline.awi.de.

? AWi Verlag