Петабайтные линии оптической связи.

    Первоисточник: Журнал "НАУКА В РОССИИ" № 3 (201)

    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.

    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 достиг нет 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 GaAlAs 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**.

*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, No 3 (прим. Ред.).

    Выяснилось, что близкая к нулю дисперсия кварцевого стекла, следовательно, и одномодовых волоконных световодов, расположена вблизи длины волны (λ) равной 1,3 мкм, а минимальные оптические потери, составляющие ~ 0,2 дБ/км, — вблизи λ= 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 — оптоэлектро-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 связи, 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 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 раз витых стран в информации? Прежде всего с увеличением числа пользователей Интернета. Причем доминирующее значение в нем приобретает ви деоинформация (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 скорости передачи информации по волоконному световоду, равного 100 Тбит/с. Наибольшее внимание уделяется трем путям решения этой проблемы. Во-первых, это создание световода с воздушной сердцевиной — в нем малы оптические потери. Во-вторых, расширение спектральной области для передачи информации, что сводится к созданию эффективных волоконных усилителей. И, наконец, пространственное уплотнение каналов. Обсудим коротко полученные результаты исследований в этих направлениях.

    В экспериментах 1960-х годов по передаче информации через свободную атмосферу с помощью лазерного излучения было обнаружено, что она не является подходящей передающей средой из-за метеорологических условий, пространственной и временной нестабильности оп тических потерь и своей плотности. В то же время такие параметры, как нелинейность, дисперсия и оптические потери воздушной атмосферы как таковой по крайней мере на порядок меньше, чем в стеклянных волоконных световодах. Вот только для того, чтобы поддерживать свои параметры стабильными, атмосфера не должна быть свободной. Поэтому возникла идея сделать волоконные световоды с воздушной сердцевиной, которая окажется изолированной от внешних воздействий.

    Стеклянная оболочка в виде фотонного кристалла обеспечивает в этом случае механизм распространения света по сердцевине. Такие световоды были созданы и их характеристики подробно исследованы (статья П. Робертса с соавторами (Великобритания), опубликованная в 2005 г. в американском журнале «Optics Express», т. 13, No 1).

    Правда, минимальные оптические потери в них в настоящее время составляют 1,2 дБ/км, что значительно выше, чем в обычных стеклянных волоконных световодах (< 0,2 дБ/км на длине волны 1,5 мкм). Решение этой проблемы требует проведения дальнейших фундаментальных исследований, а пока специалисты и ученые ищут другие пути увеличения скорости передачи информации.

    Один из возможных подходов — расширение спектральной области, где оптические потери минимальны. Параметры ее известны: в интервале от 1300 до 1700 нм такие потери составляют менее 0,35 дБ/км. К сожалению, для этой спектральной области пока отсутствуют волоконные оптические усилители. Их создание — приоритетная задача.

    В 2005 г. в Научном центре волоконной оптики РАН совместно с Институтом химии высокочистых Спектр усиления висмутового волоконного усилителя. веществ им. Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) впервые в мире разработали технологию изготовления волоконных световодов, легированных висмутом, спектр люминесценции которых перекрывает указанную спектральную область. В том же году этими научными коллективами был впервые продемонстрирован висмутовый волоконный лазер с непрерывной генерацией в области 1150–1300 нм, а позже создано семейство висмутовых волоконных лазеров, генерирующих в спектральной области 1150–1550 нм. Использование новой перспективной активной среды позволило сделать первый шаг в создании эффективных волоконных усилителей для спектральной области 1300–1500 нм.

    Впервые для спектральной области 1425–1465 нм разработан висмутовый волоконный усилитель с максимальным коэффициентом усиления 25 дБ при накачке излучением лазерного диода мощностью 65 мВт на волне 1310 нм.

    Еще один способ увеличения скорости передачи информации, привлекший в последние годы большое внимание специалистов, — пространственное уплотнение каналов путем создания многосердцевинных, а также маломодовых волоконных световодов, в которых каждая мода является носителем независимых каналов. В настоящее время разработан и исследован ряд многосердцевинных волоконных световодов, включая семи-, двенадцати-, девятнадцатисердцевинных. Технические требования к ним включают низкие оптические потери всех сердцевин, низкие перекрестные помехи между соседними сердцевинами и не слишком большой диаметр таких световодов (диаметр оболочки <200 мкм).

    Величина перекрестных помех зависит от расстояния между соседними сердцевинами. Кроме того, выбором специального профиля показателя преломления можно существенно уменьшить перекрытие оптических полей в соседних сердцевинах, что, естественно, уменьшает перекрестные помехи.

    В 2012 г. на 38-й Европейской конференции по оптической связи были доложены результаты разработки многосердцевинных волоконных световодов, соответствующих оптических волоконных усилителей и попыток передачи информации с пространственным уплотнением каналов. Так, японским исследователем Кацунори Имамурой с соавторами предложен семисердцевинный волоконный световод с диаметром оболочки 186 мкм и расстоянием между соседними сердцевинами 55 мкм.

    Перекрестные помехи при длине световода в 100 км составляют —40 дБ. Разработка передающей среды в виде многосердцевинного волоконного световода для передачи информации на большие расстояния (> 100 км) требует создания соответствующих оптических усилителей.

    Ёкихиро Цучида с соавторами (Япония) на той же конференции представил параметры семисердцевинного эрбиевого волоконного усилителя. Длина световода — 16 м, диаметр — 180 мкм, расстояние между сердцевинами, легированными эрбием, — 45 мкм. Были получены: усиление > 15 дБ при накачке 40 мВт, шум-фактор < 7 дБ, перекрестные помехи < — 40 дБ. А Хиденори Такахаши с соавторами (Япония) были доложены результаты первой демонстрации передачи сигналов с пространственным уплотнением каналов (семисердцевинный волоконный световод) и с семисердцевинным эрбиевым усилителем на расстояние 6160 км со скоростью 35,8 Тбит/с. При этом в каждую сердцевину световода вводились 40 спектральных каналов со скоростью передачи информации 128 Гбит/с.

    Наиболее же замечательным результатом, прозвучавшим на этой конференции, является передача информации по двенадцатисердцевинному световоду со скоростью 1,01 Пбит/с на расстояние 52 км (Хидехико Такара с соавторами). В этом эксперименте в каждую из 12 сердцевин вводились 222 спектральных канала, каждый со скоростью передачи информации 456 Гбит/с. Несущее излучение каналов занимало спектральные области 1526,44—1565,09 нм и 1567,95–1620,06 нм, при этом частоты несущего излучения соседних каналов отстояли на 50 ГГц.

    Представленные результаты показывают перспективность использования пространственного уплотнения каналов для увеличения информационной емкости волоконных световодов до петабитного уровня. Разработка петабитных систем передачи информации и создание петафлопных суперкомпьютеров означает, что в сфере обработки, передачи и использования информации человечество находится на пути к Пета-эре.