Почему в некоторых случаях используют волокна с градиентным показателем преломления
При передаче оптического сигнала в пределах многомодовых каналов основное ограничение накладывает модовая дисперсия. Свет в форме нескольких лучей движется по разным траекториям, создавая временной сдвиг между компонентами импульса.
В классических волокнах ступенчатого типа разность длин между короткими и длинными модами может достигать десятков наносекунд на километр. Это ведёт к значительному искажению формы сигнала.
Градиентный профиль решает данную проблему за счёт изменения показателя преломления по радиусу сердцевины. Свет, отклонённый от центральной оси, попадает в область с меньшим коэффициентом, что компенсирует его более длинный путь.
В стандартных многомодовых трассах длиной до 2 км часто применяют сердцевины с параболическим распределением. Типовой волоконный профиль соответствует уравнению n(r) = n₁(1 - 2Δ(r/a)^g), где Δ — относительная разница преломления между центром и оболочкой, a — радиус центральной зоны, g — показатель профиля. При g = 2 достигается оптимальное выравнивание временного распределения мод. На практике используются значения Δ около 1 %, с допуском по IEC 60793-2-10. При этом ширина пропускания таких каналов достигает 1600 МГц·км при длине волны 850 нм, что позволяет уверенно использовать их для сетей класса OM4.
Градиентное распределение показателя преломления достигается химическим легированием стекла. В производстве сердцевины применяются соединения германия или фосфора, постепенно уменьшающиеся от центра к периферии. Это позволяет точно контролировать профиль с допуском не более ±0,01 % по радиусу.
Поверхностная неоднородность устраняется термической обработкой с медленным охлаждением. В режиме вытягивания заготовки строго выдерживаются параметры температурного градиента, чтобы избежать искажений формы.
Для создания линии на основе волокон с градиентным распределением показателя преломления требуется согласование характеристик источника излучения. Лазеры типа VCSEL обеспечивают минимальную эмиссионную ширину, тем самым уменьшая возбуждение нежелательных мод. В случае использования светодиодов наблюдается ухудшение характеристик канала из-за дополнительного спектрального размытия.
При выборе источника желательно учитывать его ширину спектра: допустимое значение не должно превышать 0,65 нм, иначе суммарная дисперсия выходит за пределы допустимых значений по ISO/IEC 11801.
Длина волны излучения влияет на глубину проникновения мод в области с меньшим коэффициентом преломления. При 850 нм степень компенсации траекторных отличий наиболее эффективна.
Для длин волн 1310 нм и выше снижается коэффициент преломления материала, поэтому параметры профиля корректируются с учётом уменьшения светового захвата. Измеренные значения задержки между модами при длине 850 нм не превышают 0,2 нс/м, что подтверждает эффективность профиля g = 2 при допуске ±0,1.
Сопротивление градиентных волокон к микросгибам выше, чем у ступенчатых аналогов. Благодаря плавному переходу между зонами преломления уменьшается локализованное отражение на границе. В зонах радиусом изгиба менее 20 мм потери составляют до 0,1 дБ при длине 10 см, что в 4 раза меньше, чем у ступенчатой конструкции. Это даёт возможность использовать их в плотных распределительных панелях и компактных коммутационных шкафах.
При расчёте трассировки важно учитывать зависимость затухания от длины волны. Для градиентных сердцевин типовые значения составляют 2,5 дБ/км при 850 нм и 0,8 дБ/км при 1300 нм.
Равномерность показателя преломления влияет на стабильность затухания. Согласно требованиям ITU-T G.651.1, допустимые отклонения не должны превышать 0,05 дБ при измерении в пределах 100 м. Чтобы выдержать эти параметры, производители проводят калибровку профиля по рефрактометрическим данным.
Монтаж соединений требует точной механической стыковки. Концентрация мод в центральной зоне повышает чувствительность к эксцентриситету. При смещении сердцевин на 3 мкм потери возрастают до 0,35 дБ.
Для минимизации этих значений в конструкции феррул применяют допуски на соосность не более 1 мкм. При использовании разъёмов типа LC и SC производятся индивидуальные измерения вставочных потерь.
Переход от волокна с градиентным распределением к иному типу требует дополнительного согласования. Несогласованное соединение вызывает отражения на границе, особенно при переходе от ступенчатого профиля к градиентному. Чтобы этого избежать, применяются компенсаторы модового поля длиной до 20 мм с усреднённым профилем, смонтированные в защитной гильзе.
При прокладке в условиях ограниченного пространства минимальный допустимый радиус изгиба составляет 15D, где D — внешний диаметр оболочки. Для волокон 250 мкм минимальное значение — 3,75 мм. Согласно стандарту TIA-568.3-D, такие значения не должны быть превышены ни при каких условиях. Особенно это важно при укладке в горизонтальные каналы, где перегибы вызывают увеличение затухания до 2 дБ.
Срок службы зависит от стабильности профиля и качества легирования. Исследования, проведённые при температуре +85 °C и влажности 85 %, показали изменение характеристик менее чем на 0,1 дБ за 1000 часов. Устойчивость к термическому дрейфу достигается подбором легирующих добавок с коэффициентом теплового расширения, близким к основному материалу.
Часто градиентные волокна используются в средах, где необходимо поддержание высокой скорости при ограниченной длине линии. В условиях дата-центров, где расстояния между узлами не превышают 300 м, применение профиля типа OM3 обеспечивает передачу на скорости 10 Гбит/с без использования повторителей.
В отличие от одномодовых каналов, которые требуют более сложных источников, градиентные варианты совместимы с недорогими VCSEL-излучателями и обеспечивают приемлемое соотношение цена-производительность.
Совмещение нескольких линий в одном жгуте требует равномерности распределения параметров по всей длине. При отклонении радиального профиля в одном из каналов наблюдается резонансное возбуждение паразитных мод.
Поэтому при заказе партии длиной более 1 км необходимо запрашивать сертификат согласованности по параметру дифференциального модового задерживания (DMD). Согласно ANSI/TIA-455-220-A, допустимое значение составляет 0,10 нс при интервале в 3 м.
Применение оптических разветвителей требует согласования модовой плотности между входом и выходом. Для градиентных профилей плотность мод снижается к периферии, поэтому в конструкциях типа 1:8 используются входные волокна с тем же профилем и строго контролируемым значением Δ.
Нарушение этого условия приводит к неравномерности распределения мощности по выходам. Компенсация возможна только за счёт введения корректирующего сегмента длиной до 30 см с профилем g, отличным от 2.
Контроль температурных условий хранения влияет на стабильность профиля. Перепады температуры выше 40 °C при скорости охлаждения более 5 °C/мин создают напряжения в объёме сердцевины. Эти напряжения изменяют радиальное распределение коэффициента преломления. Для хранения применяется упаковка с термозащитным слоем, исключающая нагрев выше +35 °C.