VIVOS VOCO: Е.М. Дианов, "От тера-эры к пета-эре"

ОТ ТЕРА-ЭРЫ К ПЕТА-ЭРЕ

Е. М. Дианов

Дианов Евгений Михайлович - академик,
директор Научного центра волоконной оптики при Институте общей физики РАН.

Мир вступает в третье тысячелетие и одновременно в информационную эпоху, или тера-эру. Последнее название отражает достигнутый недавно уровень скоростей передачи и обработки информации - 10¹² (тера) бит/с и 10¹² операций в секунду соответственно. Информационная эра характеризуется, с одной стороны, непрерывно растущими потребностями мирового сообщества в обмене информацией, а с другой - технической возможностью практически полностью удовлетворить их.

История цивилизации - это и история развития средств связи и передачи информации, потребности в обмене которой всегда превышали технические возможности. Поэтому любое государство особо заботилось о развитии техники связи, вкладывая большие средства и используя новейшие достижения науки и техники. В качестве примера можно привести полную драматизма историю прокладки телеграфного кабеля по дну Атлантического океана между Европой и Америкой в 1857-1858 гг., через 20 с небольшим лет после изобретения телеграфа Самюэлем Морзе. Это событие мирового значения прекрасно описано Стефаном Цвейгом в новелле "Первое слово из-за океана".

В этом же ряду - развитие радио- и волоконно-оптической связи. В данной статье я остановлюсь лишь на последних достижениях в области передачи информации - важнейшего элемента информационной техники. Последние конференции по волоконно-оптической связи - в 1999 г. в Сан-Диего (США) и в Ницце (Франция), а в марте этого года в Балтиморе (США) - продемонстрировали небывало бурное ее развитие и выдающиеся результаты в увеличении скорости передачи информации по волоконному световоду.

Рис. 1. Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет

Из рис. 1 видно, что за 90 лет информационная емкость линий связи возросла на пять порядков, начиная с первых телефонных линий, скорость передачи информации которых составляла 1 бит/с. Примерно такой же рост отмечен и за последние 20 лет - достигнута скорость порядка 1 Тбит/с. Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. Мировое производство волоконных световодов в настоящее время составляет 60 млн. км/год, то есть каждую минуту в системах связи прокладываются более 100 км волоконных световодов. Все материки связаны между собой подводными волоконно-оптическими кабелями связи, общая длина которых достаточна, чтобы обмотать земной шар шесть раз. Разработка широкополосных оптических усилителей привела к созданию в конце 90-х годов экспериментальных волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением 100 и более каналов, что позволило достичь суммарной скорости передачи информации более 1 Тбит/с. Это было отмечено на европейской конференции по данной теме в сентябре 1999 г. в Ницце.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ КАНАЛОВ

Принцип работы таких систем виден на рис. 2. Излучение различных длин волн (в настоящее время, как правило, от независимых источников света), несущее для каждой из них свою информацию, вводится в один волоконный световод с помощью специального устройства - мультиплексора, усиливается оптическим усилителем и распространяется по волоконной линии связи. На выходе линии связи после оптического усилителя излучение разделяется по длинам волн с помощью демультиплексора.

Остановимся коротко на некоторых параметрах этих систем. Полная скорость передачи информации В = Nb, где N - число спектральных каналов; b - скорость передачи информации по одному каналу. В настоящее время величины b = 2.5; 5; 10; 20; 40 Гбит/с. Ведутся успешные работы по увеличению скорости передачи информации одного спектрального канала до 160 Гбит/с, при этом используется оптическое временное уплотнение информации. Число спектральных каналов достигает 100 и более. Полоса усиления современных оптических усилителей - 30-80 нм, она является одним из главных ограничений числа передаваемых каналов и полной скорости передачи информации. Что касается разности длин волн (частот) соседних каналов (нм), то в настоящее время эта величина находится, как правило, в диапазоне 0.2 (25 Ггц) - 0.75 (100 Ггц).

Рис. 2. Принципиальная схема волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов

Терабитные скорости в системах со спектральным уплотнением каналов предъявляют вполне определенные требования к элементам таких систем, в первую очередь к источникам света, оптическим усилителям и волоконным световодам, используемым в настоящее время.

Источники света. Широкое распространение получили полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, однако у них есть существенный недостаток - чувствительность длины волны излучения к изменению температуры. Разность длин волн соседних спектральных каналов составляет долю нанометра, поэтому в случае использования полупроводниковых лазеров необходимо осуществлять их термостабилизацию, что удорожает стоимость всей системы. Точность фиксации длины волны источников света должна быть не хуже 0.05 нм.

От подобного недостатка свободны волоконные лазеры, в частности эрбиевые, генерирующие излучение в спектральной области 1.53-1.62 мкм. Они накачиваются лазерными диодами и представляют собой эффективный и стабильный источник света для систем со спектральным уплотнением каналов [1, 2]. Еще одним перспективным источником является суперконтинуум, генерируемый в волоконных световодах посредством ряда нелинейных эффектов при возбуждении достаточно мощными фемтосекундными импульсами. В работе [3] продемонстрирован стабильный источник излучения с шириной спектра 200 нм и длинами волн в диапазоне 1.45-1.65 мкм. Использование оптических фильтров позволяет получить необходимое количество источников света, отличающихся длинами волн на заданную величину.

Оптические усилители. В настоящее время применяются три их типа: полупроводниковые, эрбиевые волоконные и рамановские волоконные (ВКР) усилители. Первые из упомянутых пока не используются в системах со спектральным уплотнением каналов в силу их быстрой динамики усиления, приводящей к перекрестным помехам между различными спектральными каналами. Широко распространены эрбиевые волоконные усилители, полная спектральная полоса усиления которых составляет около 80 нм (С и L полосы усиления) [4].

Кроме ширины полосы усиления важна плоскостность его спектральной характеристики. Это связано с тем, что во всех спектральных каналах должно быть одинаковое усиление. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики усиления, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов.

Рамановские усилители перспективны в силу следующих принципиальных преимуществ [5]:

• они могут усиливать на любой длине волны;
• в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный световод;
• спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;
• низкий уровень шумов.

Основной же их недостаток - не очень высокая эффективность, приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина для систем оптической связи). Только в последнее время разработаны высокоэффективные рамановские волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в диапазоне 1.2-1.5 мкм [6, 7], а также усилитель этого типа, использующий специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и низкими оптическими потерями [8]. Появилась возможность использовать гибридный усилитель, состоящий из распределенного рама-новского и эрбиевого волоконного. С его помощью X. Масуда с соавторами получил полосу усиления свыше 80 нм. Их результаты были представлены на конференции в Сан-Хосе в 1998 г. [9]. Кроме того, этот гибридный усилитель обеспечивает лучшие шумовые характеристики.

Волоконные световоды. Использование спектрального уплотнения каналов делает неизбежными жесткие требования к свойствам волоконных световодов, прежде всего к дисперсии и эффективной площади моды. Это связано с тем, что в данном случае значительно увеличивается суммарная мощность всех сигналов и в световоде происходят нелинейные явления, прежде всего 4-волновое смешение, вызывающее перекрестные помехи. Если в волоконный световод вводятся N длин волн, то за счет 4-волнового смешения появляются 1/2N²(N-1) новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн дисперсия световода близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно.

Рис. 3. Спектр излучения на выходе волоконных световодов с различной величиной дисперсии при возбуждении световодов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны 1546 нм

На рис. 3 [9] показана роль дисперсии в этом процессе. В волоконные световоды с дисперсией D = 0 и D = 2.5 пс/нм • км вводится излучение четырех спектральных каналов мощностью 2 мВт в каждом. На выходе световода длиной 50 км (чем длиннее световод, тем выше эффективность нелинейных процессов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются (вследствие 4-волнового смешения). В световоде же с нулевой дисперсией длиной 25 км эффективно идет 4-волновое смешение и ясно видны более 20 дополнительных длин волн.

Отсюда вытекает требование к волоконным световодам для систем со спектральным уплотнением каналов - отличная от нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимально. Напомню, что для систем связи с одним спектральным каналом требовались световоды с нулевой дисперсией для увеличения скорости передачи информации, и такие световоды были разработаны: за счет структуры световода нуль дисперсии смещался от длины волны -1.3 мкм к длине волны 1.55 мкм. В результате для систем со спектральным уплотнением каналов разработаны специальные световоды - с ненулевой смещенной дисперсией. Другой путь снижения роли нелинейности - это увеличение диаметра сердцевины одномодового световода, точнее говоря, увеличение эффективной площади моды А_эф. В этом случае плотность мощности излучения сигналов уменьшается, приводя к существенному ослаблению нелинейных явлений. Такие одномодовые волоконные световоды с А_эф. > 80 мкм² разработаны и используются в экспериментальных системах со спектральным уплотнением каналов.

Однако в силу специфической структуры таких световодов распределение поля моды в них отличается от гауссова (большие градиенты в распределении интенсивности света), что приводит к более сильному акустическому отклику, вызванному электрострикцией [11]. Известно, что большие радиальные градиенты интенсивности света оптических импульсов в одномодовых волоконных световодах приводят к электрострикционному возбуждению поперечных акустических волн в волоконном световоде. Это, в свою очередь, становится причиной временного возмущения эффективного показателя преломления, взаимодействия оптических импульсов и в конце концов ведет к ограничению скорости передаваемой информации [12].

Достижения в области источников света, оптических усилителей, волоконных световодов и других элементов систем со спектральным уплотнением каналов позволили всем крупным телекоммуникационным фирмам разработать системы связи со скоростью передачи информации >1 Тбит/с. Упомяну лишь несколько результатов, которые дают представление об уровне работ в этой области.

Японские исследователи С. Каваниши с соавторами (NTT Network Innovation labs.) создали систему со скоростью передачи информации 3 Тбит/с. Они ввели в волоконный световод всего 19 оптических каналов, но скорость передачи информации каждого канала составляла рекордную величину - 160 Гбит/с. В качестве источника излучения использовался суперконтинуум в сочетании с оптическими фильтрами, в качестве оптического усилителя - эрбиевый волоконный усилитель.

Для фирмы Lucent Technology Т.Н. Нильсен с соавторами разработал систему из 40 каналов с общей скоростью передачи информации 1.6 Тбит/с. Источниками излучения служили 40 полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью, а оптическим усилителем - гибридный (рамановский + эрбиевый).

Французские исследователи С. Биго и другие (Alcatel Corporate Research Center) объединили в одном волоконном световоде 150 каналов, скорость передачи информации каждого из них -10 Гбит/с, а суммарная - 1.5 Тбит/с. Источники излучения - 150 полупроводниковых лазеров, оптическим усилителем служит специальный эрбиевый с полосой усиления 80 нм.

Подводя итоги, можно сказать, что при создании систем связи со скоростью передачи информации >1 Тбит/с применяются всевозможные подходы, характеризующиеся использованием различного числа спектральных каналов и выбором информационной емкости индивидуальных каналов типа оптического усилителя и источника света. Это свидетельствует о надежности элементной базы и огромных потенциальных возможностях волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением каналов.

ПОДВОДНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные волоконно-оптические кабели, а не через спутниковую связь. Интернет - главная движущая сила развития подводных волоконно-оптических линий связи, при этом его потребности в подобных системах со все большими скоростями передачи информации пока не удовлетворены [13].

Подводные кабели связи существуют уже без малого 150 лет. В 1851 г. инженер по фамилии Брет проложил первый подводный кабель через Ла-Манш, соединив таким образом телеграфной связью Англию с континентальной Европой. Это стало возможным благодаря изобретению гуттаперчи - вещества, способного изолировать в воде провода, несущие ток. В 1857-1858 гг. американский бизнесмен Сайрус Филд разработал фантастический проект сообщения Европы с Северной Америкой с помощью телеграфного кабеля и осуществил его прокладку по дну Атлантического океана. Несмотря на огромные технические и финансовые трудности, после ряда неудач телеграфная линия с 1866 г. начала устойчиво работать. Интересно отметить, что скорость передачи информации составляла всего 17 слов в минуту. Но значение этого достижения заключалось в другом: была продемонстрирована техническая возможность прокладки кабеля по дну океана, что было совсем не очевидным в то время. И это в большой степени предопределило последующие успешные работы в данном направлении. В 1956 г. был проложен первый телефонный коаксиальный кабель, а в последующие годы - еще несколько, с большей пропускной емкостью, чтобы удовлетворить потребности в передаче информации между Старым и Новым светом.

Наконец, в 1988 и 1989 гг. были установлены первые трансатлантическая и транстихоокеанская волоконно-оптические системы со скоростью передачи информации по паре световодов 280 Мбит/с, при этом в качестве ретрансляторов использовались электронные усилители. Постепенно скорость увеличилась до 2.5 Гбит/с, а вместо электронных ретрансляторов стали применяться эрбиевые волоконные усилители. В 90-е годы проложено более 350 тыс. км волоконно-оптического кабеля, он связывает более 70 стран мира.

В 2001 г. планируется введение в эксплуатацию трансатлантической системы связи со спектральным уплотнением 48 каналов со скоростью передачи информации каждого из них 10 Гбит/с [13]. Поскольку волоконный кабель будет состоять из четырех пар волоконных световодов, он обеспечит передачу информации между Северной Америкой и Европой со скоростью около 2 Тбит/с.

* * *

Нет никаких сомнений, что в ближайшие годы волоконно-оитические системы со скоростями передачи информации >1 Тбит/с найдут широкое коммерческое применение. Однако уже сейчас ясно, что и эти скорости не смогут удовлетворить наши растущие потребности. Ведь известно, что число пользователей Интернета постоянно растет: в 1998 г. их было около 25 млн. человек, в 1999 г. - 144 млн.; видимо, уже скоро эта цифра возрастет на порядок. В России число зарегистрированных пользователей Интернета в 1999 г. составило 2.5 млн. человек. Портативный персональный компьютер с выходом в сеть Интернет станет таким же необходимым и доступным инструментом для получения информации, развлечений и общения, как телевизор и телефон.

Рис. 4. Спектр оптических потерь волоконного световода

Есть ли пути для дальнейшего резкого увеличения информационной емкости волоконно-оптических систем связи? Есть. Существуют два подхода к решению этой проблемы: расширение спектральной области и увеличение скорости передачи информации индивидуального канала. На рис. 4 показан спектр оптических потерь волоконного световода на основе кварцевого стекла. Цифрами 1-5 обозначены так называемые "окна прозрачности", в которых осуществлялась оптическая связь по мере ее развития (1-3), а также спектральные области, которые будут использоваться для передачи информации в недалеком будущем (4,5). Практически все современные системы связи работают на волнах около 1.3 и 1.55 мкм, во 2-м и 3-м окнах прозрачности. Экспериментальные системы со спектральным уплотнением каналов используют в настоящее время спектральную область 1530-1610 нм (шириной около 80 нм). Пунктиром показано поглощение, обусловленное гидроксильными группами в стекле. Успехи в технологии волоконных световодов позволили убрать полосу такого поглощения, в результате спектральная область с оптическими потерями < 0.3 дБ/км составляет примерно 500 нм (1200-1700 нм). Использование всей этой области для передачи информации позволит резко увеличить информационную емкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. Имея уже достигнутые величины 0.2 нм и 160 Гбит/с для разности длин волн соседних каналов и скорости передачи информации индивидуального канала, получаем число уплотненных каналов 2500 и суммарную скорость передачи информации 400 Тбит/с, или 0.4 петабит/с.

Учитывая исключительно быстрый прогресс в развитии волоконно-оптической связи, когда новые результаты превосходят все ожидания, можно с большой долей уверенности предположить, что использование спектральной области 1.2-1.7 мкм (или более широкой: 1.0-1.7 мкм) позволит в будущем получать скорости передачи информации ~1 петабит/с (10¹⁵ бит/с). Ясно, что для этого потребуются обширные фундаментальные исследования и разработка новой элементной базы, в частности, необходимы оптический усилитель с полосой усиления порядка нескольких сотен нано-метров и новые типы волоконных световодов.

Мир вступил в информационную эру. Это означает, что уровень развития любой страны будет определяться прежде всего уровнем информатизации. В связи с этим представляют интерес результаты ежегодного рейтинга-исследования швейцарского Международного института развития менеджмента, который признал экономику США наиболее конкурентоспособной, так как она базируется на безграничных возможностях Интернета [14]. По мнению швейцарских исследователей, информационные и телекоммуникационные технологии будут определять развитие мировой экономики в новом тысячелетии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Poulsen H.N. e a. 1607 nm DFB fiber laser for optical communication in the L-band // 25 European conference on optical communication. Nice, September 25-30, 1999. V. 1. P. 70.

2. Ibsen M. et al. All-fiber DFB laser WDM transmitters with integrated pump redundansy // 25 European conference on optical communication. Nice, September 25-30, 1999. V. 1. P. 74.

3. Novak G.A. et al. Stable 200 nm TDM/WDM source based on continuum generation in 2m of fiber // OFC conference, TuB3, San Diego, February 21-26, 1999.

4. Mori A. et al. Ultra-broadband amplification for DWDM systems // 25 European conference on optical communication. Nice, September 25-30, 1999. V. 1. P. 260.

5. DIAnov E.M. Raman fiber amplifiers // Topical meeting on optical amplifiers and applications, ThAI, Nara, June 9-11,1999.

6. Karpov V.I. et al.Laser-diode pumped phosphosilicate-fober Raman laser with an output power of I Wat 1.48 ^m // Opt. Lett., 1999. V. 24. P. 887.

7. DIAnov ЕМ. et al. Three-cascaded 1407-nm Raman laser based on phosphorous-doped silica fober // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 402.

8. DIAnov E.M. et al. Highly efficient 1.3 цт Raman fiber amplifier//Electron Lett. 1998. V. 34. P. 669.

9. Masuda H. et al. Wide-band and low-noice optical amplification using distributed Raman amplification and Er-doped fiber amplifier // OFC conference, PD7, San Jose, February 22-27,1998.

10. Gardner W.B. Fiber for high capacity systems // 25 European conference on optical communication. Nice, September 25-30, 1999. V. 2. P. 270.

11. DIAnov E.M. et al. Electrostructive response in single-mode ring-index profile fibers // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 390.

12. DIAnov E.M. et al. Electrostriction mechanism of soliton interaction in optical fibers // Opt. Lett. 1990. V. 15. P. 314.

13. Bergano N.S. Undersea fiberoptic Cable Systems // Optics and Photonics News. 2000. V. 1 1. №3. P. 20.

14. Сагдиев P. // Известия. 2000. 20 апреля.