Академик Дианов: «Мир находится на пороге пета-эры»

Волоконно-оптическая связь находится в одном шаге от перехода к петабитному диапазону

Выступая на XIV Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» Евгений Дианов, академик РАН, директор Научного центра волоконной оптики РАН, заявил, что в настоящее время волоконно-оптическая связь находится всего в одном шаге от перехода к петабитному диапазону, сообщается на сайте Физического института им. П.Н. Лебедева.

Во время своего выступления Дианов рассказал о главном достижении волоконно-оптической связи в прошлом году – разработке экспериментальной системы со скоростью передачи информации 1 Петабит/с.

Насыщенная история связи была представлена с 1974 года – с изобретения оптического телеграфа. Дианов вспомнил великих изобретателей и ученых, работы которых заложили основы современной связи, – Попова, Герца, Белла, Маркони и других. Также Евгений Михайлович отметил основные тенденции и этапы эволюции связи и отдельно выделил бурное развитие в XX веке радиосвязи, которому сопутствовало укорочение длин волн радиоизлучения, а также переход к оптическому диапазону.

В настоящее время общая длина волоконных световодов в волоконно-оптических системах связи составляет 1 миллиард километров, а к 2015 году, считает академик, это значение должно вырасти в два раза.

Как известно, волоконные световоды – это тонкие нити из стекла, которые имеют сложную структуру. В самом простом случае они состоят из сердцевины, оболочки, а также защитного покрытия, имеющих разные показатели преломления.

В основе их действия – использование процессов преломления и отражения оптической волны на границе сердцевины и оболочки. Легирование стекла различными элементами позволяет менять показатели преломления.

По словам Дианова, в 1950-х годах появились первые волоконные световоды, однако из-за больших оптических потерь (от 1 до 10 дБ/м) использовать их в протяженных системах связи было невозможно. В 1970-х годах пришла потребность в этих проводниках, и в то время был сделан настоящий прорыв в решении этой важной задачи. Чарльз Као установил, что эти потери возникают из-за высокого поглощения, источником которого являются примеси в кварцевом стекле. Као также предсказал получение волоконных световодов с оптическими потерями ниже 20 дБ/км.

Впоследствии Као получил за это открытие Нобелевскую премию, а его работа дала огромный импульс разработке «чистых» стекол. В 1970 году в США были получены первые волоконные световоды с оптическими потерями менее 20 дБ/км.

В том же 1970 году в Ленинграде команде Ж.И. Алферова (в то время – будущий нобелевский лауреат) впервые удалось получить непрерывную генерацию при комнатной температуре в полупроводниковых лазерах на основе гетероструктур. Она велась на длине волны 0,85 мкм. Отметим, что именно в этом диапазоне работали созданные спустя 10 лет первые коммерческие волоконно-оптические системы связи. В настоящее время на данной длине работают исключительно небольшие оптоволоконные сети, а в магистральных световодах используется длина волны 1,55 мкм.

Еще одним крупным достижением стала разработка очень важного элемента оптоволоконных систем – эффективных усилителей сигнала, которые были изобретены на основе световодов, легированных ионами эрбия. Данный металл оказался единственным из редкоземельной группы, позволившим создать усилитель, который работал в спектральной области вблизи 1,55 мкм, точно совпавшей с областью минимальных потерь современных световодов. В конце 1990-х годов замена использовавшихся электронных ретрансляторов на эрбиевые усилители позволила довести скорость передачи информации до 40 Гбит/с, а также упростить схему линий связи. Таким образом последние препятствия на пути создания высокоскоростных систем дальней связи были почти устранены.

В дальнейшем прогресс в увеличении скорости передачи информации обязан явлению спектрального уплотнения каналов. По словам Дианова, информацию можно передавать на одной частоте по одному световоду, но при этом также можно ввести в него сотню каналов, чуть-чуть на разных длинах волн, чтобы они не взаимодействовали друг с другом. В итоге скорость передачи информации увеличится соответственно числу каналов (разумеется, в пределах полосы усиления этого волоконного усилителя).

Именно благодаря данной разработке скорость передачи информации по одному световоду в коммерческих системах к 2010 году уже составила 10 Тбит/с и в настоящее время продолжает расти.

Явление спектрального уплотнения каналов. Фото с сайта fian-inform.ru

По оценкам, мировой поток передаваемых данных в развитых странах растет примерно на 30-40% в год. Таким образом, если такой прирост сохранится, то через 20 лет необходимо будет научиться передавать данные со скоростью около 100 Петабит/с, однако современная волоконная техника делать этого не позволяет из-за нескольких ограничений.

Во-первых, это допустимая мощность излучения, так как превышение некоторого порога приводит к сильным нелинейным эффектам, преобразованию частоты за счет нелинейности, а также к перекрестным помехам, иногда – к эффекту катастрофического разрушения волоконных световодов. Во-вторых, это узость спектрального диапазона для передачи данных, определяемого полосой усиления, в которой работает эрбиевый усилитель.

В настоящее время ученые рассматривают несколько путей для перехода к более высоким скоростям. Для этого в первую очередь рассматривают расширение спектрального диапазона от 1,53-1,61 мкм в настоящее время до 1,4-1,7 мкм к 2015 году и 1,25-1,7 мкм к 2025 году, что позволит увеличить число каналов. Основной трудностью здесь является создание подходящего усилителя.

Напомним, что в 2001 году японские исследователи нашли висмут – активный элемент, пригодный для легирования кварцевого стекла, а через несколько лет ученые из НЦВО РАН разработали волоконные световоды, усилители и лазеры на его основе и показали перспективность своих разработок для расширения спектральной области передачи данных.

Кроме того, ученые рассматривают многоуровневую модуляцию, а также разные методы мультиплексирования сигналов: множества входных каналов связи объединяются в один канал большей емкости для передачи по единому физическому каналу. Также можно использовать и поляризационное уплотнение каналов.

Повысить скорость передачи данных, по мнению специалистов, также можно и использовав пространственное уплотнение каналов. Речь идет о переходе от одномодового световода к маломодовому (они различаются числом мод – возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне), позволяющем использовать каждую моду как носитель информации. Сейчас европейские ученые уже добились некоторых первых экспериментальных результатов в данном направлении и передали информацию по маломодовому световоду на расстояние в 119 километров. Помимо этого, данное уплотнение может осуществляться с помощью введения в световоды нескольких сердцевин. В прошлом году многосердцевинные световоды вместе с соответствующими усилителями также уже были испробованы экспериментально: информация была передана на 6000 километров со скоростью 35 Тбит/с.

В том же 2012 году произошел настоящий прорыв: была создана первая система со скоростью передачи 1 Петабит/с. Для создания экспериментальной линии использовались сразу несколько методов: световод состоял из 12 сердцевин, в каждую из которых вводились 222 канала со скоростью передачи 456 Гбит/с. Отметим, что хотя в настоящее время ученым удалось передать информацию только на небольшое расстояние в 52 километра и без многосердцевинного усилителя, данный результат имеет огромное значение, так как доказывает саму возможность преодоления рубежа в 1 Петабит/с.

По прогнозам Евгения Михайловича, в течение 10 лет будут разработаны волоконно-оптические системы связи, скорость передачи данных в которых составит от 10 до 100 Петабит/с. «Мир находится на пороге пета-эры», – говорит Е.М. Дианов.