ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДИСПЕРСИЕЙ И ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ Российский патент 2001 года по МПК H04B10/18 G02B6/44 

Изобретение относится в основном к волоконно-оптическому кабелю и, в частности, к волоконно-оптическому кабелю с регулируемой дисперсией и системе на его основе.

На световые сигналы, передаваемые по оптическим волокнам, влияют различные нелинейные эффекты, вызывающие их искажение и затухание, что ограничивает практическую дальность передачи. Обычно оптическое волокно используется в волоконно-оптических устройствах, которые состоят из оптического оконечного блока и множества усилителей/ретрансляторов, соединенных оптическими волокнами. Усилители/ретрансляторы, которые обычно размещают на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль пути распространения, служат для усиления интенсивности световых импульсов, компенсируя таким образом эффекты затухания. Общая длина пути распространения ограничена фазовыми сдвигами импульсных сигналов, возникающими в результате оптической неоднородности оптических волокон.

Величина нелинейных эффектов, воздействующих на передачу сигнала, зависит от различных характеристик оптических волокон. Одной из характеристик является "эффективная площадь поперечного сечения" или просто "эффективная площадь" волокна. Для оптического сигнала с заданной плотностью энергии, чем больше эффективная площадь, тем дальше сигнал можно передать по волокну без значительных потерь. Таким образом, использование волокна с большой эффективной площадью позволяет увеличить длину участка оптического волокна между усилителями/ретрансляторами, а также длину всей системы передачи.

Другой важной характеристикой оптического волокна, которая влияет на распространение сигнала, является его дисперсия. К нелинейным эффектам, которые особенно чувствительны к волоконной дисперсии, относятся параметрические процессы, такие как фазовая автомодуляция, перекрестная фазовая модуляция и четырехфотонное смещение. Волоконная дисперсия вызывает частотное расширение импульсного сигнала вдоль пути распространения, этот эффект является кумулятивным и требует фильтрации сигнала перед его вводом в приемник. Даже после фильтрации расширение полученного сигнала ухудшает отношение сигнал-шум и приводит к увеличению ошибок в сигнале. Таким образом, желательно иметь близкую к нулю дисперсионную характеристику в рабочем диапазоне длин волн оптической системы. Подходящий диапазон длин волн для систем передачи на большие расстояния находится между 1530 и 1560 нм.

Некоторые промышленные оптические волокна, известные как волокна со смещенной дисперсией, имеют нулевую дисперсию около некоторых подходящих длин волн, например около 1550 нм. Однако эти волокна имеют обычно небольшие эффективные площади, что требует размещения усилителей в системе передачи через относительно небольшие интервалы. Другой вид промышленного волокна, известный как волокно с ненулевой дисперсией, также имеет небольшую эффективную площадь и очень небольшую, но не нулевую, дисперсию около 1550 нм. Другие промышленные оптические волокна, такие как обычные одномодовые волокна, имеют большую эффективную площадь и очень сильную дисперсию около 1550 нм. Таким образом, в одном оптическом волокне обычно не удается совместить требуемую большую эффективную площадь и нулевую дисперсию около особенно подходящего рабочего диапазона длин волн.

Волоконно-оптическая система с "регулируемой дисперсией" - это система, содержащая оптическое волокно с положительной дисперсионной характеристикой, а также оптическое волокно с отрицательной дисперсионной характеристикой, в которой полная дисперсия близка к нулю. Например, в работе "Kurtzke, Christian. Suppression of Fiber Nonlinearities by Appropriate Dispersion Management (Подавление нелинейностей в волокне путем соответствующего управления дисперсией), IEEE Photonics Technology Letters, 1993, vol. 5, pp. 1250-1253", которая включена в данное описание путем ссылки, предложена конфигурация, в которой используются чередующиеся отрезки оптических волокон с относительно высокой хроматической дисперсией, то положительной, то отрицательной. В работе "Chraplyvy et al. 8х10 Gb/s Transmission Through 280 km of Dispersion Managed Fibers (Передача сигналов 8х10 Гбит/с через волокна с управляемой дисперсией длиной 280 км), там же, pp.1233-1235", которая включена в данное описание путем ссылки, описана система передачи, имеющая среднюю дисперсию около нуля, в которой каждый участок состоит из относительно короткого отрезка обычного волокна с величиной дисперсии 16 пс/нм/км и более длинного отрезка волокна со смещенной дисперсией, имеющего величину дисперсии, равную -2,5 пс/нм/км.

В работе "Henmi et al. An Arrangement of Transmission-Fiber Dispersions for Increasing the Spacing Between Optical Amplifies in Lumped Repeater Systems (Распределение дисперсии в волокне, используемом для передачи сигналов, с целью увеличения интервала между оптическими усилителями в системах с сосредоточенными ретрансляторами), там же, pp.1337-1340", которая включена в данное описание путем ссылки, предложен способ уменьшения нелинейности в системах передачи, согласно которому используется волокно с величиной дисперсии около -0,2 пс/нм/км на длине волны 1,548 мкм, к которому присоединен короткий отрезок волокна с нулевой дисперсией на длине волны 1,3 мкм, при этом полная дисперсия участка близка к нулю. Аналогичный способ описан в работе "Henmi et al. A New Design Arrangement of Transmission Fiber Dispersion for Suppressing Nonlinear Degradation in Long-Distance Optical Transmission Systems with Optical Repeater Amplifiers (Новое распределение дисперсии в волокне, используемом для передачи сигналов, с целью подавления связанной с нелинейностью деградации сигнала в оптических системах передачи большой дальности с оптическими ретранслирующими усилителями), Journal of Lightware Technology, 1993, vol. 11, pp. 1615-1621", которая включена в данное описание путем ссылки.

В патенте США N 5191631 описан волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией, содержащий первое одномодовое оптическое волокно, имеющее первую эффективную площадь и положительную дисперсионную характеристику в заданном рабочем диапазоне длин волн, и второе оптическое волокно, имеющее вторую эффективную площадь и отрицательную дисперсионную характеристику в рабочем диапазоне длин волн, причем первая эффективная площадь больше второй эффективной площади. Первое оптическое волокно в заданном рабочем интервале длин волн имеет эффективную площадь, существенно большую, и дисперсию, существенно меньшую, чем у второго оптического волокна. Первое оптическое волокно с большей эффективной площадью и положительной дисперсионной характеристикой размещают на выходе оконечного оптического блока или ретранслятора перед вторым оптическим волокном с меньшей эффективной площадью и отрицательной дисперсионной характеристикой для уменьшения эффектов нелинейности на больших расстояниях.

Оптическая система передачи, известная из вышеуказанного патента, содержит оконечный оптический блок и по меньшей мере один ретранслятор, соединенный с указанным оконечным оптическим блоком оптическим кабелем.

На фиг. 1 показан пример известной волоконно-оптической системы 100 передачи. Система 100 содержит оконечный оптический блок 110 и ретрансляторы 120, известные как "усилители/ретрансляторы". Блок 110 и ретранслятор 120 соединены двумя "несимметричными" волоконно-оптическим кабелями 150 и 160. "Несимметричный" волоконно-оптический кабель 150 используется для передачи от блока 110 до ретранслятора 120, а волоконно-оптический кабель 160 используется для передачи от ретранслятора 120 до блока 110. Каждый "несимметричный" волоконно-оптический кабель 150 и 160 состоит из относительно короткой части 130 с положительной дисперсией (+D) и большой эффективной площадью, соединенной с более длинной частью 140 с отрицательной дисперсией (-D) и меньшей эффективной площадью. Часть 130 с большей эффективной площадью расположена в начале, то есть ближе к блоку 110 или ретранслятору 120, для уменьшения эффектов нелинейности на большем расстоянии. Так как часть с большей эффективной площадью должна находиться около передающего блока 110 или ретранслятора 120, то для передачи в каждом направлении между блоком 110 и ретранслятором 120 необходимы два "несимметричных" волоконно-оптических кабеля 150 и 160. Дублирование "несимметричных" волоконно-оптических кабелей 150 и 160 между блоком 110 и ретранслятором 120 и между ретрансляторами 120 значительно увеличивает первоначальную стоимость изготовления и усложняет текущую эксплуатацию системы 100.

Сущность изобретения
Волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией согласно настоящему изобретению содержит первое одномодовое оптическое волокно, имеющее первую эффективную площадь и положительную дисперсионную характеристику в заданном рабочем диапазоне длин волн, и второе оптическое волокно, имеющее вторую эффективную площадь и отрицательную дисперсионную характеристику в рабочем диапазоне длин волн, причем первая эффективная площадь больше второй эффективной площади. Согласно изобретению, указанное первое оптическое волокно включает две части по существу одинаковой длины, а указанное второе оптическое волокно включено между двумя частями указанного первого оптического волокна, причем средняя полная дисперсия симметричного волоконно-оптического кабеля с регулируемой дисперсией в рабочем диапазоне длин волн равна первому значению средней полной дисперсии, которое обычно равно по существу нулю.

Второе оптическое волокно обычно длиннее, чем любая из двух частей указанного первого одномодового волокна, например, отношение длины любой части указанного первого одномодового волокна к длине указанного второго оптического волокна может находиться в диапазоне от 1:10 до 1:25.

Две части указанного первого одномодового волокна и указанное второе оптическое волокно могут иметь суммарную длину от 60 до 140 км.

Первое одномодовое волокно предпочтительно имеет эффективную площадь в диапазоне от 70 до 90 мкм, а в рабочем диапазоне длин волн от 1530 до 1560 нм имеет дисперсионную характеристику в диапазоне от 15 до 20 пс/нм/км или от 0,1 до - 6,0 пс/нм/км.

Второе оптическое волокно обычно имеет эффективную площадь в диапазоне от 45 до 55 мкм² и является волокном со смещенной дисперсией или волокном с ненулевой дисперсией, в обоих случаях с отрицательной дисперсией и небольшой эффективной площадью.

Волоконно-оптический кабель можно включить в оптическую систему передачи, содержащую оконечный оптический блок и по меньшей мере один ретранслятор, соединенный с указанным оконечным оптическим блоком оптическим кабелем, выполненным согласно изобретению.

Волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией согласно данному изобретению имеет несколько преимуществ. Такой "симметричный" волоконно-оптический кабель легче изготавливать, чем известные кабели, так как не требуется сложная конструкция специального "несимметричного" волоконно-оптического кабеля, которая включает отдельные оптические волокна для передачи в противоположных направлениях. "Симметричный" волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией, кроме того, дешевле в изготовлении и эксплуатации, чем известные кабели, так как для его изготовления используются легко доступные оптические волокна, а менее сложная конструкция позволяет уменьшить количество необходимого оптического волокна. Менее сложная конструкция "симметричного" волоконно-оптического кабеля с регулируемой дисперсией, кроме того, позволяет упростить разработку волоконно-оптических систем. Хотя "симметричный" волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией имеет менее сложную конструкцию, чем известные кабели, он подобно им способствует уменьшению нелинейных эффектов, так как также содержит отрезок оптического волокна с большой эффективной площадью на выходе каждого ретранслятора или оконечного оптического блока, передающего оптический сигнал.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена блок-схема известной оптической волоконной системы передачи с несимметричным расположением волоконно-оптических кабелей.

На фиг. 2 изображена блок-схема оптической волоконной системы передачи с множеством волоконно-оптических кабелей с регулируемой дисперсией согласно данному изобретению.

Подробное описание изобретения
На фиг. 2 изображена блок-схема оптической волоконной системы передачи 200 согласно данному изобретению. Система 200 содержит оконечный оптический блок 110, ретрансляторы 120, также именуемые "усилители/ретрансляторы", и "симметричные" волоконно-оптические кабели 250 с регулируемой дисперсией. Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией позволяет упростить первоначальное изготовление и текущую эксплуатацию системы 200, так как устраняет необходимость размещения "несимметричных" волоконно-оптических кабелей для каждого направления между блоком 110 и ретранслятором 120 или между ретрансляторами 120, как показано на фиг. 1.

Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией, кроме того, дешевле в изготовлении и эксплуатации, чем известные кабели, так как для его изготовления используются легко доступные оптические волокна, а менее сложная конструкция позволяет уменьшить количество необходимого оптического волокна. Хотя волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией имеет менее сложную конструкцию, чем известные кабели, он подобно им способствует уменьшению нелинейных эффектов, так как также содержит отрезок 230 первого оптического волокна с большой эффективной площадью на выходе каждого ретранслятора 120 или оконечного оптического блока 110, передающих оптический сигнал.

На фиг. 2 оконечный оптический блок 110 генерирует оптические сигналы для передачи в систему 200 способом, известным специалистам. Блок 110, кроме того, может работать как приемник и принимать оптические сигналы от ретранслятора 120. Ретрансляторы 120 принимают переданные оптические сигналы и затем усиливают, фильтруют и ретранслируют оптические сигналы способом, известным специалистам. Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией соединяет блок 110 с ретранслятором 120 и последующие пары ретрансляторов 120 друг с другом.

Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией, также известный как "ретрансляционный кабельный интервал", содержит первое оптическое волокно, имеющее две части 230, и второе оптическое волокно 240. Первое оптическое волокно из двух частей 230 имеет большую эффективную площадь и положительную дисперсию (+D) и является предпочтительно обычным одномодовым волокном. В этом конкретном варианте выполнения изобретения первое оптическое волокно имеет эффективную площадь примерно от 70 до 90 мкм² и величину дисперсии примерно от 15 до 20 пс/нм/км в рабочем диапазоне длин волн примерно от 1530 до 1560 нм, хотя может использоваться оптическое волокно с другой эффективной площадью и другой величиной дисперсии.

Второе оптическое волокно 240 обычно является волокном со смещенной дисперсией, имеющим отрицательную дисперсию (-D), или волокном с ненулевой отрицательной дисперсией, оба с небольшой эффективной площадью. В этом конкретном варианте выполнения изобретения второе оптическое волокно 240 имеет величину дисперсии примерно от -0,1 пс/нм/км до -6,0 пс/нм/км в рабочем диапазоне длин волн примерно от 1530 до 1560 нм и эффективную площадь примерно от 45 до 55 мкм², хотя может использоваться оптическое волокно с другой эффективной площадью и другой величиной дисперсии.

Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией образуется при соединении частей 230 первого оптического волокна с концами второго оптического волокна 240. Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией сконструирован так, чтобы его полная средняя дисперсия в рабочем диапазоне длин волн равнялась требуемой величине. В данном конкретном варианте выполнения изобретения требуемая средняя полная дисперсия равна примерно нулю в рабочем диапазоне длин волн, хотя могут быть выбраны и другие величины.

Для получения "симметричного" волоконно-оптического кабеля 250 с регулируемой дисперсией общую длину частей 230 первого оптического волокна и второго оптического волокна 240 выбирают такой, чтобы полная средняя дисперсия волоконно-оптического кабеля 250 с регулируемой дисперсией равнялась требуемой величине в рабочем диапазоне длин волн. Длину частей 230 первого оптического волокна и второго оптического волокна 240 определяют из отношения величин дисперсии частей 230 первого оптического волокна и второго оптического волокна 240. Для определения подходящей длины частей 230 первого оптического волокна и второго оптического волокна 240 могут учитываться также другие факторы, такие как тип оконечного оптического блока 110 и ретрансляторов 120, используемых в системе 200.

В данном конкретном варианте выполнения изобретения две части 230 первого оптического волокна имеют по существу одинаковую длину, а их суммарная длина существенно меньше, чем длина второго оптического волокна 240, хотя суммарная длина частей 230 может быть равна или больше длины второго оптического волокна 240, в зависимости от конкретных дисперсионных характеристик частей 230 первого оптического волокна и второго оптического волокна 240. Кроме того, в данном конкретном варианте выполнения изобретения отношение длины любой части 230 первого оптического волокна к длине второго оптического волокна 240 находится в диапазоне примерно от 1:10 до 1:25, хотя эта величина может изменяться при необходимости. Кроме того, в данном конкретном варианте выполнения изобретения длина кабеля 250, соединяющего блок 110 с ретранслятором 120 или ретранслятор 120 с другим ретранслятором 120, находится в диапазоне примерно от 60 до 140 км, хотя полная длина кабеля 250 также может изменяться при необходимости.

Волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией значительно проще варианта несимметричного расположения оптических волокон для передачи в разных направлениях между блоком 110 и ретранслятором 120 или между ретрансляторами, показанного на фиг. 1, так как "симметричный" волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией может осуществлять передачу в разных направлениях с одинаковой эффективностью. Усовершенствованная конструкция волоконно-оптического кабеля 250 с регулируемой дисперсией снижает стоимость изготовления и эксплуатации по сравнению с известными кабелями, так как кабель 250 состоит из легко доступных оптических волокон, таких как обычное одномодовое волокно и волокно со смещенной дисперсией или волокно с ненулевой дисперсией. При этом используется меньше оптического волокна, так как отпадает необходимость установки отдельных оптических волокон для разных направлений. Хотя волоконно-оптический кабель 250 с регулируемой дисперсией имеет более простую конструкцию, он позволяет уменьшить нелинейности при передаче в разных направлениях, так как оптический сигнал, передаваемый в разных направлениях, всегда вначале проходит через часть 230 первого оптического волокна с большой эффективной площадью. Большая эффективная площадь позволяет уменьшить неоднородности.

Только в качестве иллюстрации ниже предлагаются примеры системы с "симметричным" волоконно-оптическим кабелем 250 с регулируемой дисперсией.

Пример. Дисперсия в системе с "симметричными" волоконно-оптическими кабелями с регулируемой дисперсией на рабочей длине волны 1545 нм
Моделировалась система 200 с "симметричными" оптическими кабелями 250 для рабочей длины волны 1545 нм, содержащая оконечный блок 110 и ретранслятор 120, а также пары ретрансляторов 120, расположенные на расстоянии 120 км. В этой конструкции в качестве второго оптического волокна 240 используется одномодовое волокно с ненулевой дисперсией SMF-LS^TM фирмы Corning, которое обычно имеет эффективную площадь 55 мкм² и дисперсию -1,49 пс/нм/км на длине волны 1545 нм, а для частей 230 первого оптического волокна используется одномодовое волокно SMF-28^TM фирмы Corning, которое обычно имеет эффективную площадь 80 мкм² и дисперсию 16,63 пс/нм/км на длине волны 1545 нм. При таких величинах дисперсии и расстояний между блоком 110 и ретранслятором 120, а также между парами ретрансляторов 120, суммарная длина частей 230 будет равна примерно 9,9 км (каждая часть 230 равна примерно 4,9 км), а длина второго оптического волокна 240 будет равна примерно 110,1 км.

Как показано в табл. 1, на рабочей длине волны 1545 нм полная дисперсия для участка от оконечного блока 110 до ретранслятора 120 и между ретрансляторами 120 всегда остается по существу нулевой.

Следовательно, данные табл. 1 показывают, что при использовании "симметричных" волоконно-оптических кабелей 250 с регулируемой дисперсией согласно данному изобретению можно получить эффективное управление дисперсией.

Данное подробное описание приведено только в качестве примера. Возможны различные изменения, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения, который ограничен только его формулой.

Симметричный волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией содержит первое и второе оптические волокна. Первое оптическое волокно является обычным одномодовым волокном и имеет первую эффективную площадь и положительную дисперсионную характеристику в заданном рабочем диапазоне длин волн. Первое оптическое волокно разделено на две части по существу одинаковой длины. Второе оптическое волокно имеет вторую эффективную площадь и отрицательную дисперсионную характеристику в рабочем диапазоне длин волн. Второе волокно является волокном со смещенной дисперсией или волокном с ненулевой дисперсией, которые имеют отрицательную дисперсию и небольшую эффективную площадь. Второе оптическое волокно включено между двумя частями первого волокна для получения оптического кабеля со средней полной дисперсией в рабочем диапазоне длин волн, равной по существу нулю. Волоконно-оптический кабель может быть встроен в оптическую волоконную систему передачи, содержащую оптический оконченный блок и по меньшей мере один регенератор. Уменьшен эффект нелинейности на больших расстояниях. 8 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Волоконно-оптический кабель с регулируемой дисперсией, содержащий первое одномодовое оптическое волокно, имеющее первую эффективную площадь и положительную дисперсионную характеристику в заданном рабочем диапазоне длин волн, и второе оптическое волокно, имеющее вторую эффективную площадь и отрицательную дисперсионную характеристику в рабочем диапазоне длин волн, причем первая эффективная площадь больше второй эффективной площади, отличающийся тем, что указанное первое оптическое волокно включает две части по существу одинаковой длины, а указанное второе оптическое волокно включено между двумя частями указанного первого оптического волокна, причем средняя полная дисперсия волоконно-оптического кабеля с регулируемой дисперсией в рабочем диапазоне длин волн равна первому значению средней полной дисперсии. 2. Волоконно-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что указанное первое значение средней полной дисперсии равно по существу нулю. 3. Волокоино-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что указанное второе оптическое волокно длиннее, чем любая из двух частей указанного первого одномодового волокна. 4. Волоконно-оптический кабель по п.3, отличающийся тем, что отношение длины любой части указанного первого одномодового волокна к длине указанного второго оптического волокна находится в диапазоне от 1 : 10 до 1 : 25. 5. Волоконно-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что две части указанного первого одномодового волокна и указанное второе оптическое волокно имеют суммарную длину от 60 до 140 км. 6. Волоконно-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что указанное первое одномодовое волокно имеет эффективную площадь в диапазоне от 70 до 90 мкм². 7. Волоконно-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что указанное первое одномодовое волокно в рабочем диапазоне, длин волн от 1530 нм до 1560 нм имеет дисперсионную характеристику в диапазоне от 15 до 20 пс/нм/км или от 0,1 до -6,0 пс/нм/км. 8. Волоконно-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что указанное второе оптическое волокно имеет эффективную площадь в диапазоне от 45 до 55 мкм². 9. Волоконно-оптический кабель по п.1, отличающийся тем, что указанное второе оптическое волокно является волокном со смещенной дисперсией или волокном с ненулевой дисперсией. 10. Оптическая система передачи, содержащая оконечный оптический блок и по меньшей мере один ретранслятор, соединенный с указанным оконечным оптическим блоком оптическим кабелем, отличающаяся тем, что указанный оптический кабель выполнен в соответствии с любым из пп.1-9.