Возможна ли оптическая передача за пределами диапазонов C и L?

В оптической передаче мы часто изучаем расширение спектра в надежде увеличить пропускную способность систем оптической передачи. Самые большие спектральные диапазоны, которые в настоящее время коммерчески доступны, — это диапазоны C и L, а также расширенные диапазоны C++ и L++, максимальная ширина спектра которых может достигать 12 ТГц. Как показано на рисунке, эти полосы в основном находятся в минимальном диапазоне затухания волокна.

Поскольку в этих оптических волокнах затухание самого незначительного места может сделать нашу сеть самой низкой, или, точнее, стоимость строительства оптического слоя является оптимальной. (Компоненты потерь в оптоволокне и как их уменьшить?)

Помимо стоимости объединения и распределения волн/WSS, решения для оптического уровня обычно фокусируются на следующих аспектах:

• Стоимость усилителей
• Стоимость регенерации реле

Когда расстояние передачи превышает 100 км, мы используем ЭДФА для компенсации затухания, вызванного волокном. Однако, когда затухание оптоволоконной линии превышает этот диапазон, мы обычно используем рамановские усилители для увеличения пропускной способности передачи на большие расстояния. Рамановская генерация имеет более высокую мощность усиления, а также может вносить меньше шума. Однако Raman дороже, а его операционные расходы на открытие и обслуживание намного выше, чем у обычного EDFA.

Для ретрансляционной регенерации, если затухание в волокне слишком велико, нам необходимо установить больше усилителей между станциями на том же расстоянии и накапливать шум усиленного спонтанного излучения (ASE), генерируемый усилителями. Это также увеличивает количество пролетов, так что длины волн должны проникать в большее количество волн, объединяющих и распределяющих/WSS облицовки. В результате производительность OSNR снижается, поэтому необходимо добавить больше релейных плат для реализации 3R и других функций на этапе проектирования, что в конечном итоге приводит к чрезмерным капитальным затратам.

Поэтому, как правило, при выборе полосы для передачи сигналов мы постараемся выбрать полосу волокна с наименьшим затуханием. Вот почему нынешние основные производители предпочитают делать это в диапазоне C / L.

Итак, какие еще диапазоны спектра мы можем разработать для передачи света, кроме C и L? На картинке в начале статьи, помимо C и L, присутствуют более длинноволновый U-диапазон и более коротковолновый O/E/S-диапазон.

Для длинноволнового U-диапазона. Он сталкивается с проблемой, заключающейся в том, что потери на изгибе больше влияют на более длинные волны. На рисунке ниже оптическая мода становится меньше и с большими потерями с увеличением длины волны при том же радиусе изгиба.

Конечно, возможна передача в U-диапазоне, что требует от нас разработки оптических волокон с лучшим сопротивлением изгибу, таких как фотонно-кристаллические волокна. Это просто не совсем вяжется на нынешнем этапе с мейнстримом и универсальным применением оптических волокон.

Можем ли мы в этом случае выбрать более короткий диапазон длин волн, такой как O/E/S?

Давайте посмотрим на показатели производительности передачи по оптоволокну в этих диапазонах волн, которые также обычно используются для оценки оптических систем.

• Затухание
• Нелинейные эффекты

Что касается затухания в волокне из-за потерь на водном пике, рэлеевского рассеяния и потерь в ультрафиолетовом диапазоне, затухание в волокне в этих отдельных диапазонах намного выше, чем в диапазоне C/L, что увеличивает потребность в усилителях для решения проблемы затухания в волокне. Методы усиления, основанные на альтернативных редкоземельных элементах или расширенных рамановских усилителях, также прошли экспериментальную проверку, и на следующем рисунке показаны типы усилителей с различными элементами.

Нелинейные эффекты волокна обратно пропорциональны длине волны, чем короче длина волны, тем серьезнее нелинейность, поэтому нелинейные эффекты будут более серьезными для длин волн ниже C-диапазона. Между тем, одним из показателей, связанных с нелинейностью волокна, является эффективная площадь модуля, чем больше площадь модуля, тем сильнее сопротивление нелинейности. Для получения дополнительной информации о нелинейности, пожалуйста, обратитесь к статье: Что такое нелинейный эффект в оптическом волокне?

Мы можем хорошо понять приведенный выше отрывок по следующему рисунку (об изменении площади поля моды и коэффициента нелинейности с длиной волны). Синяя линия γ — коэффициент нелинейности волокна, черная линия Aeff — эффективная площадь поля моды. С уменьшением длины волны уменьшается площадь поля моды и уменьшается сопротивление нелинейности, а коэффициент нелинейности увеличивается, что приводит к более сильному нелинейному эффекту волокна.

Кроме того, дисперсия, создаваемая волокном, и влияние различных длин волн также являются фактором, влияющим на показатель нелинейности системы. На 100G и супер 100G Скорости, проблема дисперсии была хорошо решена с помощью компенсации электрических доменов.

Поэтому для разных диапазонов длин волн нас не пугает наличие дисперсии, а то, что дисперсия слишком мала или даже отсутствует. Потому что меньшая дисперсия или нулевая дисперсия приведут к очень серьезному эффекту Керра (нелинейному эффекту). На следующем рисунке показано изменение дисперсии для различных типов волокон.

Можно видеть, что текущее значение дисперсии обычно используемого волокна G.652 колеблется около 0 в O-диапазоне, а G.655 колеблется около 0 в S-диапазоне. Для волокна G.653 его дисперсия составляет около 0 в диапазоне C, что является одной из причин, по которой волокно G.653 (даже волокно G.655 имеет здесь небольшую дисперсию) обычно не используется в более поздних системах 100G и выше.

Выше мы лишь кратко упомянули о затухании и нелинейности развития более коротких длин волн, которые необходимо учитывать, коммерческие затраты на коммерческую зрелость после проверки технологии также являются важным фактором.

На самом деле, использование более коротких длин волн уже реализовано, например, диапазоны C++ и L++ фактически расширены, чтобы использовать около 10 нм спектра в диапазонах S и L. Считается, что в ближайшем будущем ресурсы спектра за пределами C и L будут использоваться для оптической передачи.