В ближайшее десятилетие скорость передачи данных достигнет петабитных значений

Через висмут – к петабитному диапазону

Чип волоконного усилителя на основе эрбия (изображение: Optics & Photonics News (OPN), osa-opn.org)

По прогнозам, уже в ближайшее десятилетие скорость передачи информации достигнет петабитных значений. Как оптоволоконная техника приближается к ним сегодня и какие задачи будет решать завтра?

Об этом рассказал в ФИАНе директор Научного центра волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), академик РАН Евгений Михайлович Дианов.

Скорость передачи данных в коммерческих оптоволоконных системах связи уже превышает 10 Тбит/с, а в экспериментальных образцах доходит до 100 Тбит/с. Столь значительные достижения, впрочем, теряют свой блеск при темпе, с которым растёт информационный обмен. В развитых странах поток передаваемых данных сейчас увеличивается на 30-40% в год. Если такой прирост сохранится, то через десять лет от «оптоволокна» потребуются скорости на уровне 10–100 Пбит/с.

Улучшить передачу данных в волоконных световодах можно несколькими способами. Один из них – пространственное уплотнение каналов. Для его выполнения либо вводят несколько сердцевин в световод, либо для передачи информации используют несколько мод (возможных траекторий, по которым свет может распространяться в волокне). Надежды на эти методы омрачают некоторые трудности, уже обнаруженные в экспериментах. Так, с увеличением числа сердцевин, между близко расположенными «жилами» могут появляться перекрёстные помехи, которые иногда приводят и к разрушению всей структуры. В многомодовых световодах нарушения в передаче информации могут возникать из-за непредвиденного взаимодействия мод.

Увеличить число каналов можно ещё одним способом – расширив спектральный диапазон передачи информации. Рассказывает Евгений Михайлович:

«Если увеличить активную область с одной стороны от 1300 до 1500 нанометров и от 1600 до 1700 – с другой, мы "захватим" полосы, где у волоконных световодов очень низкие потери. Однако тут есть серьёзная трудность. Сегодня в оптоволоконных системах используются усилители на основе эрбия, и они работают только в узкой области (1530-1610). Если мы хотим расширить спектральную область, нужны, в первую очередь, усилители нового типа».

Подходящим кандидатом на эту роль учёные видят устройства на основе висмута. В 2005 году специалисты НЦВО РАН создали первый висмутовый волоконный световод, лазер и усилитель с использованием этого металла. Выяснилось, что с добавлением висмута в световодах возникает очень интенсивная люминесценция в ближнем инфракрасном диапазоне, который включает в себя и диапазон, применимый для передачи информации.

Показано, что висмутовые лазеры работают в диапазоне 1150-1775 нм. Кроме того, они опробованы для четырёх типов волоконных световодов. Особенно действенны лазеры оказались для световодов, легированных висмутом, с сердцевиной на основе кварцевого стекла с небольшим количеством германия: в этом случае их эффективность составила 60%.

Однако по своим показателям висмутовые лазеры и усилители пока значительно отстают от аналогов, в которых используются редкоземельные элементы (как правило, эрбий). Для того чтобы вывести «новичков» на уровень, сравнимый с показателями эрбиевой волоконной техники, учёным предстоит, в первую очередь, более глубоко понять саму природу излучения висмутовых центров.

Е.М. Дианов: «Висмут очень своеобразен. Во-первых, это многовалентный элемент. В некоторых кристаллах он может быть висмутом 5+, есть более распространенный и стабильный висмут 3+, висмут 2+, висмут 1+ и, конечно, атом. Висмут 3+, вводимый при изготовлении стёкол и световодов, не люминесцирует в ближней ИК-области спектра – только в видимом диапазоне. И многие ранние эксперименты показали, что люминесценция происходит от ионов висмута с более низким валентным состоянием: вводится висмут 3+, и при изготовлении, при высоких температурах, он превращается в висмут 2+, висмут 1+, атом и так далее».

Процесс идёт с образованием кластеров и коллоидов висмута, имеющих дополнительные потери, и уменьшением реальных люминесценций, а из-за большой скорости такого превращения контролировать его крайне сложно. К тому же, люминесценция и генерация происходят при очень низких концентрациях вещества и многие методы распознавания при таких количествах не чувствительны. Предполагается, что дальнейшее изучение механизма люминесценции раскроет природу висмутовых активных центров в различных стёклах и поможет вывести новое поколение оптоволоконной техники на следующий виток развития.

Автор: О. Овчинникова