НА ПУТИ К ПЕТА-ЭРЕ
Академик Евгений ДИАНОВ, директор Научного центра волоконной оптики РАН (Москва)
История развития человеческой цивилизации — это и история развития средств связи. Прогресс науки и техники сопровождался появлением новых способов передачи информации — достаточно назвать изобретение проводного телеграфа и телефона в XIX в. А вот ХХ в. характеризовался распространением радиосвязи, в том числе спутниковой. Уменьшение длины волны несущего радиоизлучения (увеличение частоты) позволило передавать все бoльшие объемы данных. Но даже эти возможности не поспевали за растущими потребностями общества. Специалистами была осознана необходимость перехода к новому способу коммуникации — с помощью оптического излучения, что обещало рост скорости передачи информации более чем в 10 000 раз по сравнению с радиосвязью. Сегодняшние масштабы использования оптической связи по волоконному световоду подтвердили ожидания. Но и у этого материального носителя информации есть свои ограничения. Как их преодолевают? Попробуем разобраться.
Спектр оптических потерь волоконных световодов. O, E, S, ^ L, U — обозначения спектральных полос, используемые в литературе. EDFA — полоса усиления эрбиевого волоконного усилителя. ALLWave и SSMF— типы волоконных световодов.
LÛ
0,50
0.45
0,40
ÛJ5
0,30
со о
О.20
0,15 -L
О-полоса Е-полоса S-полоса С-полоса L- полоса U-полоса
\_ \ \ \т, /Т1 L
OH- поглощение
1200 125П 1300 Г330 Н00 1450 !500 ¡Î50 1«Й 1650 1700
Длина волны, нм
Все континенты нашей планеты в настоящее время соединены подводными волоконно-оптическими линиями связи. К 2010 г. общая протяженность проложенных волоконных световодов, включая трансатлантические и транстихоокеанские подводные системы, достигла 1 млрд км. В развитых странах такой световод подводится теперь к каждому дому, обеспечивая с помощью Интернета доступ к широкополосной информации. По оценкам, число пользователей Всемирной сети достигнет в 2015 г. 5 млрд. Кстати, и сама она возникла благодаря развитию волоконно-оптической связи.
Выдающиеся результаты в создании указанных систем были достигнуты благодаря широким фундаментальным и прикладным исследованиям, технологическим разработкам лазерных источников излучения, волоконных световодов, другой элементной базы. В этих изысканиях участвовало большое количество научных центров и фирм из многих стран мира, о чем подробно рассказано в специальном выпуске журнала «J. of Lightwave Technology» (США) за 2008г. Огромную информационно-координирующую роль в проведении данных исследований сыграли регулярные международные конференции по волоконно-оптической связи. Особенно хотелось бы отметить две из них: Optical Fiber Communication conference, ежегодно проводимую в США, и с такой же периодичностью European Conference on Optical Communication.
Обратившись к страницам совсем недавней истории, приведем лишь несколько результатов, по сути
определивших пути развития современных высокоскоростных систем передачи информации. Это прежде всего два выдающихся прорыва в оптике — создание лазеров (1960 г.) и разработка стеклянных волоконных световодов с предельно низкими оптическими потерями (1970 г.). Получение в 1970 г. непрерывной генерации полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры ОаА1А при комнатной температуре в США и СССР (лаборатория Жореса Алфёрова, нобелевского лауреата 2000 г.) означало появление компактного и эффективного источника излучения для волоконно-оптических систем связи. Лазеры, впервые использованные в этих целях (1980 г.), работали на длине волны 0,85 мкм, скорость передачи информации в первых коммерческих системах составляла весьма скромную величину 45 Мбит/с. Передающей средой служил многомодовый (передающий излучение в виде многих типов колебаний) волоконный световод, межмодовая дисперсия* которого ограничивала скорость передачи информации.
Следующим важным этапом в создании широкополосных волоконно-оптических систем связи явились фундаментальные исследования волоконных световодов**. Выяснилось, что близкая к нулю дисперсия кварцевого стекла, следовательно, и од-
*В многомодовом световоде различные типы колебаний распространяются с разными скоростями, что приводит к удлинению светового импульса во времени, или к его дисперсии (прим. ред.).
**См.: А. Прохоров, Е. Дианов. Волоконная оптика: проблемы и перспективы. — Наука в СССР, 1987, № 3 (прим. ред.).
Передатчик Мультиплексор (п)
п Xi
H - □ п
м*-л
п
t •
■ *
• < «
К
M 'fc- j п
О
S
О
X
Оптический усилитель (ОУ)
ОУ
Оптическое волокно
Демультиплексор Приемник
(пр)
И
s о
S а
N
я* пр
К
пр
пр
• •
* •
* #
к
пр
Схема спектрального уплотнения каналов DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) -плотное спектральное мультиплексирование.
номодовых волоконных световодов, расположена вблизи длины волны (X) равной 1,3 мкм, а минимальные оптические потери, составляющие ~ 0,2 дБ/км, — вблизи X = 1,55 мкм. Исходя из полученных данных, большие усилия были направлены на разработку элементной базы (прежде всего одномодовых волоконных световодов, полупроводниковых лазеров и фотодетекторов) для этих спектральных областей, что позволило создать системы связи со значительно бoльшей скоростью передачи информации, работающие на указанных длинах волн. А вот дальнейший рост скорости оказался невозможен из-за относительной медлительности важного элемента таких систем — опто-электро-оптических (ОЕО) регенераторов сигнала: в них он из оптического сначала преобразуется в электрический, усиливается, а затем вновь «превращается» в оптический. Поэтому встала задача создания широкополосного волоконного оптического усилителя сигнала.
Интенсивные исследования в этой области привели к разработке двух перспективных устройств. Преимущество первого из них — эрбиевого волоконного усилителя (EDFA) — в высокой эффективности и совпадении спектральной полосы усиления с областью низких оптических потерь волоконных световодов. EDFA способствовали появлению нового поколения волоконно-оптических систем свя-
зи, работающих на волне вблизи 1,5 мкм. Но у эрбиевого усилителя обнаружились и недостатки, в частности узкая полоса усиления, от 1530 до 1610 нм, т.е. максимум 80 нм, что ограничивает скорость передачи информации. А вот другое устройство, с использованием эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света, — ВКР волоконный усилитель (RFA) — позволяет получать значительно более широкую полосу усиления на любой длине волны. В отличие от EDFA эффективность RFA невысока, но тем не менее он применяется в коммерческих волоконно-оптических системах связи.
Еще одним ярким результатом явилось использование спектрального уплотнения каналов. Суть его в том, что одномодовый волоконный световод служит материальным носителем для передачи информации по примерно 100 независимым каналам с различными длинами волн несущего излучения, но в пределах возможностей оптического усилителя. Полная скорость передачи информации в таких системах равна nb, где n — число каналов, b — скорость передачи информации по одному спектральному каналу. Если, допустим, по одному каналу передается 10 Гбит/с (1 Гбит=109 бит), а каналов 100, то полная скорость составляет 1 Тбит/с (1 Тбит=1012 бит).
В настоящее время стандартная скорость передачи информации по одному спектральному каналу
Поперечное сечение волоконного световода с воздушной сердцевиной (а), спектр оптических потерь этого световода (Ь).
составляет 40 Гбит/с. Уже ведутся работы по увеличению этой величины до 100 Гбит/с и более, а число каналов превышает 100, так что в коммерческих системах связи «пропускная способность» одного волоконного световода достигает 10 Тбит/с, в экспериментальных — до 100 Тбит/с. Это поразительно высокие показатели! Однако нельзя не учитывать, что потребность современного общества в информации постоянно растет (в развитых странах — на 30—40% в год). Скорее всего, такая и даже более высокая динамика сохранится в ближайшие годы. Об этом свидетельствует, например, прогноз американской фирмы ElectroniCast Consultants, опубликованный журналом «Optics and Photonics News» в ноябре 2013 г. Предполагается, что по крайней мере до 2017 г. мировой рынок оптического волокна, связанного с телекоммуникационными применениями, будет увеличиваться более чем на 50% в год.
С чем связан такой резкий рост потребности развитых стран в информации? Прежде всего с увеличением числа пользователей Интернета. Причем доминирующее значение в нем приобретает видеоинформация (особенно это касается социальных сетей), а это очень емкая часть передаваемых сигналов. Больших потоков самых разнообразных данных требуют экономика, образование и наука, в частности, попытки решения таких мировых проблем, как глобальное изменение климата, экология и ряд других. Но, может быть, самый большой поток информации необходим для создания современной государственной инфраструктуры. Терабитные волоконно-оптические сети превратились в своеобразную нервную систему развитого общества, которая по аналогии с нервной системой человека обеспечивает эффективную работу всех органов государства.
Если такой рост потребности в информации сохранится, то через 10 лет возникнет необходимость увеличить скорость ее передачи по волоконному световоду до уровня ~ 1 Пбит/с (1 Пбит=1015 бит), а через 20 лет — 100 Пбит/с. Однако используя стандартные стеклянные одномодовые световоды, с такой задачей не справиться, поскольку они являются идеальной передающей средой только до определенных, хотя и достаточно высоких скоростей — порядка 100 Тбит/с. При дальнейшем их увеличении начинают действовать ограничения: нелинейность, дисперсия и оптические потери стеклянных волоконных световодов. Еще одно ограничение, как уже отмечалось ранее, связано с довольно узкой полосой усиления существующих эрбиевых волоконных усилителей.
Каковы же новые подходы к созданию световодов с высокой информационной емкостью? В настоящее время в мире интенсивно прорабатываются пути преодоления достигнутого предела скорос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.