Волоконные световоды для связи (стр. 2 из 5)

На рис. 2 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.

Рис. 2. Спектр излучения на выходе волоконных световодов с различной величиной дисперсии при возбуждении световодов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны 1546 нм.

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 (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 Аэф. В этом случае плотность мощности излучения сигналов уменьшается, приводя к существенному ослаблению нелинейных явлений. Такие одномодовые волоконные световоды с Аэф > 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. 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.

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.

3. Подводныеволоконно-оптическиесистемысвязи

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.

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.

Рис. 3. 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. 3 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.

4. Нове типыодномодовыхволоконних световодовдля перспективних линийсвязи

Данная глава посвящена вопросу создания новых типов одномодовых волоконных световодов (ОВС) для перспективных линий связи. Рассмотрены две новые структуры профиля показателя преломления (ППП) ОВС. Разработанные структуры ППП могут быть использованы в новейших волоконно-оптических системах.

Рост спроса в увеличении пропускной способности информационных линий связи приводит к неизбежному поиску новых решений для построения новейших волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). К настоящему времени многие ведущие лаборатории мира занимаются вопросом создания ВОЛС со скоростью передачи на канал 40 Гбит/с (STM-256) и выше. В данной главе рассмотрены две принципиально новые структуры ППП, которые могут быть использованы в построении перспективных ВОЛС.

Хроматическая дисперсия является одной из важнейших параметров ОВС и ее необходимо учитывать при создании ВОЛС. Хроматическая дисперсия в волоконных световодах может быть представлена в виде двух основных компонент: материальной и волноводной. Материальная компонента хроматической дисперсии зависит, главным образом, от выбора матрицы стекла, из которого изготовлен данный волоконный световод. Волноводная компонента в свою очередь определяется радиальной зависимостью ППП данного световода. Следовательно, можно подобрать ППП таким образом, что в результате получим необходимую зависимость хроматической дисперсии в интересующем интервале длин волн. В данной работе выбор новых структур проводился на основе расчетов по решению скалярного волнового уравнения по заданному модельному профилю показателя преломления.

Компьютерное моделирование показало, что существует возможность создания ОВС с высоким процентным содержанием Ge в сердцевине (более 20 мол.%), имеющем нулевое значение хроматической дисперсии в области 1550 нм. Увеличение содержания Ge в сердцевине, уменьшение эффективной площади пятна моды и смещение нулевой длины волны хроматической дисперсии в область 1550 нм позволило увеличить чувствительность нового типа ОВС к нелинейным эффектам по сравнению с существующими сегодня германосиликатными ОВС.