Интервью с академиком РАН Е. М. Диановым

2 декабря 1997 года

В Институте спектроскопии Российской Академии наук, где я работаю, раз в две недели проходит общеинститутский семинар. На этом семинаре приглашенные ученые рассказывают о своих достижениях и о состоянии дел в их областях науки. На одном из таких семинаров делал доклад академик Евгений Михайлович Дианов, директор Научного центра волоконной оптики при Институте общей физики Российской Академии наук. Он рассказывал об оптоволоконных системах передачи данных и исследованиях, проводимых его Центром в этой области. Сообщение показалось мне весьма интересным даже для людей, далеких от фундаментальной науки. И я попросил Евгения Михайловича рассказать читателям "Компьютерры" поподробнее о волоконной связи и о ситуации, сложившейся здесь на сегодняшний день. Что он любезно согласился сделать. Такова краткая предыстория этого интервью.

Е.К. Большинство людей, более или менее следящих за состоянием дел в области вычислительной техники и связи, знают, что оптоволоконные системы связи уже широко используются в мире. Не могли бы вы рассказать об истории изобретения этих технологий?

Е.М. Известно, что как только появились лазеры, одними из первых экспериментов, которые были проведены, были опыты по передаче информации с помощью лазерного излучения. Уже к тому моменту было ясно, что если вы имеете несущее излучение и модулируете его сигналом, то полоса частот получаемого излучения должна составлять около 1% от несущей частоты. И чем несущая частота выше, тем больший объем информации можно на ней передать. Еще до появления лазеров радиосвязь шла по пути повышения несущей частоты: километровые волны - ДВ и СВ , потом метровые - КВ и УКВ, - и, в конце концов, дошла до СВЧ - миллиметровый диапазон. Частота световых волн на пять порядков превышает частоту миллиметровых волн, поэтому передача информации с использованием лазерного излучения обладает громадными преимуществами.

Е.К. Делают ли волокно из других материалов, кроме стекла?

Е.М. Стекла - это не единственный прозрачный материал в видимой и инфракрасной области, прозрачны и многие полимеры. По ним также велись исследования. Полимеры даже имеют преимущества: из них легко формировать элементы, в том числе и волоконные, они дешевле, при их изготовлении используются меньшие температуры, чем для стекла. Вообще, с полимерами легче управляться. Однако до недавнего времени оптические потери были гораздо выше, чем в стекле. Получение полимерных световодов с малыми потерями являлось большой проблемой. Только недавно, три-четыре года назад, японским специалистам удалось экспериментально получить полимерные материалы и волокна из них с потерями ниже 10 дБ/км - это очень низкие потери. Удалось за счет того, что они сдвинули полосы поглощения, связанные с колебаниями C-H (полимер в основном состоит из связей углерод-водород).

Японские ученые заменили водород на фтор и из-за увеличения эффективной массы колебательной системы поглощение сдвинулось в инфракрасную область. Таким образом им удалось получить маленькое поглощение вплоть до длин волн 1,3 мк. Это очень большой успех. В описанной работе производились исследования многомодовых волокон с достаточно большой сердцевиной, они соединяются между собой безо всяких проблем, буквально их можно резать обычным острым ножом. Длительных исследований по долговечности еще не сделано, но создается впечатление, что они достаточно долговечны, и, кроме того, из-за дешевизны их замена не связана с большими затратами. В промышленности полимерные волокна широко пока не используются. Сейчас только отрабатываются системы, через них можно передавать большие объемы информации, но, поскольку волокна многомодовые, то получается большая дисперсия и с большой скоростью на большие расстояния передавать нельзя. Реальные расстояния - порядка 100 метров, это может быть связь внутри здания, между зданиями. В общем, работы здесь еще непочатый край.

Стекла и полимеры - аморфные материалы, а бывают волокна поликристаллические, их получают с помощью выдавливания из кристаллического стерженька на специальной машине - экструдере. Поликристаллические волокна делают обычно небольшой длины - метры-десятки метров и, как правило, используют для передачи мощного лазерного излучения. Такие волокна перспективны для инфракрасного диапазона 5-10 мк, так как существуют кристаллы с малым поглощением в этой области. Стекла и полимеры сюда уже не дотягивают, а в промышленности и медицине этот диапазон очень важен, именно в нем излучают очень мощные CO2 лазеры.

Кстати говоря, стекол, из которых делают стеклянные волокна, очень много, это кварцевые стекла (из оксида кремния), фторидные стекла - фториды тяжелых металлов и халькогенидные стекла. Но, в общем, все они работают в видимом диапазоне или в ближнем ИК ¹ и в далекий ИК они доходят, скажем так, максимум до 10 микрон. Кристаллические световоды добираются дальше, до 100 микрон. Полимерные световоды - это видимый и ближний ИК-диапазон.

Е.К. Насколько высока стабильность и надежность кварцевых стеклянных волокон?

Е.М. Кварцевое стекло является очень хорошим материалом. Одна из причин, почему сейчас фторидные стекла не разрабатывают, хотя там потенциально возможны более низкие потери, состоит в том, что эти стекла более низкого качества. Менее стабильны, гигроскопичны и так далее. Кварцевое стекло - это материал, близкий к идеалу. Оно очень механически прочно, очень стабильно, может лежать десятилетиями и столетиями, и с ним ничего не происходит.

Е.К. То есть, прогнозы на сто лет - в порядке вещей?

Е.М. Да, это очень хороший материал. Есть опытные данные, они берутся из ускоренных испытаний на более высоких температурах. Потом эти данные пересчитываются на нормальные условия. Эти эксперименты позволяют утверждать, что здесь все в порядке, нет проблем.

Е.К. Сколько сейчас стоит типичное волокно?

Е.М. Современные промышленные световоды, скажем, которые выпускаются фирмой Corning Glass, стоят 5-10 центов за метр, это стандартная цена.

Е.К. Для частот, на которых работает связная аппаратура, естественным образом установились стандарты, по-видимому, это как-то связано с характеристиками волокна или используемых лазеров?

Е.М. Да, так сложилось, что существует три так называемых окна прозрачности. Первые волоконные световоды и системы на их основе разрабатывались для длины волны в диапазоне 0,8-0,9 мк. Потерями в более длинноволновом диапазоне даже не интересовались. Почему? Потому что в то время уже существовали хорошие полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия с длиной волны как раз от 0,8 до 0,9 мк. На этих длинах волн потери в световодах составляли 2-3 дБ, что вообще казалось прекрасным. Потом оказалось, что диапазоны (окна) около 1,3 и 1,5 мк в стеклянных волноводах обладают большими преимуществами. На длине волны 1,3 мк хроматическая дисперсия кварцевых стекол равна нулю. А дисперсия, как известно, определяет максимальную скорость передачи информации.

В силу этих соображений следующим перспективным диапазоном был 1,3 мк. И многие первые системы работали именно на этой длине волны. Дальше - больше, исследования продолжались, и оказалось, что абсолютный минимум оптических потерь лежит на длине волны 1,5 мк. И постепенно, особенно для очень длинных линий, межконтинентальных, системы стали конструироваться именно на эту длину волны, поскольку позволяли передавать информацию на большие расстояния без ретрансляторов.

Е.К. Есть ли более длинноволновые окна?

Е.М. Принципиально возможно получить волокна с окнами прозрачности и в более длинноволновом диапазоне. Существуют стекла на основе фторидов тяжелых металлов - циркония, бария и так далее, которые теоретически могут иметь потери меньше чем 0,15 дБ на километр. Совершенно ясно, из-за чего здесь снижаются потери. Инфракрасное поглощение сдвинуто в более далекую инфракрасную область, так как атомы более тяжелые и соответствующие частоты более низкие. Ультрафиолетовое поглощение совпадает с длиной волны. Рэлеевское рассеяние тоже становится меньше в длинноволновом диапазоне. Поэтому самые низкие потери достигаются уже в другой области и имеют меньшую величину. Расчеты показали, что во фторидных стеклах можно получать потери порядка одной сотой дБ/км, но технология изготовления этих стекол крайне сложна. Пока еще не нашли способа их изготовления из летучих соединений. А только летучие соединения могут быть очищены до более высокой степени. Сейчас эти стекла варятся из твердых реактивов, которые засыпаются в тигель, там еще и из тигля примеси лезут… То есть получаются недостаточно чистые исходные соединения. Поэтому пока не получены - и вряд ли будут получены - очень низкие потери. Впрочем, может быть нет и необходимости их получать, поскольку потери, достигнутые в кварцевых волокнах, находятся уже на таком уровне, что становятся актуальными потери, возникающие в области стыковки, разных микроизгибов, и другие.

Е.К. А где какие длины волн используются?

Е.М. 1,5 мк - для очень длинных линий. 1,3 мк - там аппаратура чуть попроще, используются обычные волокна, - тоже применяются для систем связи большой пропускной способности. Но все-таки подводные, межконтинентальные, в основном используют 1,5 мк. Именно на этой частоте работают эрбиевые волоконные оптические усилители.

Е.К. Насколько сейчас распространены оптические линии передачи данных?

Е.М. Очень распространены. В настоящее время производится десять миллионов километров волокна в год. А уже проложено 100 млн. км, из них 40% в северной Америке. Все континенты соединены волоконно-оптическими линиями связи. Этих линий около двадцати, общая их длина примерно 300 тыс. км. Это уже показывает степень распространения.

Е.К. Защищены ли инвестиции в прокладку оптоволокна, то есть, возможна ли модернизация (увеличение пропускной способности) уже проложенных линий без замены старых или прокладки новых световодов?

Е.М. Одним из ограничивающих факторов сейчас является количество световодов в кабеле. Из финансовых соображений стараются повысить скорость передачи информации через уже проложенные световоды, а не прокладывать новые. Заменяют электронные ретрансляторы на оптические усилители, применяют метод спектрального уплотнения каналов. Такой подход широко используется, и, вообще говоря, это и есть правильный путь.

Е.К. Какая усилительная аппаратура используется обычно в световодных линиях? Используется ли электроника (гибридные линии) и насколько часто?

Е.М. До 1995 года практически все линии использовали электронные ретрансляторы. Электроника здесь очень дорога. При скоростях передачи информации в гигабиты в секунду, частоты, на которых должна работать электроника, тоже порядка гигагерц, а это уже на пределе ее возможностей.

Е.К. По существу можно сказать, что именно электроника ограничивает пропускную способность длинных оптических линий?

Е.М. Да, если вы хотите передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с, то электроника уже не работает. Но в простых линиях с небольшими скоростями использование электроники вполне оправданно, и даже удобнее.

Е.К. А чисто оптические линии существуют?

Е.М. Да, существуют чисто оптические системы связи, в основном, высокоскоростные. В них информация - свет, при распространении от исходной точки А до точки назначения Б фактически обрабатывается оптическим путем. Все ответвители, переключатели и усилители-формирователи - это оптические устройства. Тем не менее, усилители получают питание накачки в виде электроэнергии по подведенным проводам. В этом смысле эти линии - не вполне оптические. Однако в последнее время на длинных морских линиях начали использовать усилители, накачиваемые излучением лазера с берега, например, эрбиевые волоконные лазеры. Такие конструкции получаются надежнее и проще. Поглощение излучения накачки в подводящих световодах достаточно мало, поэтому с доставкой энергии проблем нет.

Е.К. Какие методы используются для увеличения пропускной способности каждого из волокон? В радиосвязи, например, применяют метод временного уплотнения. Используется ли он в оптических линиях связи?

Е.М. Временное уплотнение - это давно известный метод, в радиосвязи он себя оправдывает, им можно пользоваться вне зависимости от типа несущего сигнала, будь это радиоволна или свет. Но своего предела этот метод уже достиг. Другое дело - спектральное уплотнение каналов. При использовании в оптических системах этот метод дает громадный прирост пропускной способности канала связи.

Е.К. На чем основан метод спектрального уплотнения каналов?

Е.М. По одному волокну можно передавать гигантское количество информации. Порядок величин здесь - 1 терабит в секунду. Но на одной длине волны передавать потоки более 10 Гбит/с практически нецелесообразно. Возникают проблемы с модуляцией сигнала (опять же электроника). Значительно проще передавать 2,5 Гбит/с на одной длине волны, но использовать большое число несущих частот (длин волн). Вот такой путь. Оказывается, реально использовать порядка ста длин волн. В одном из экспериментов вводили 132 длины волны в световод и передавали по 20 Гбит/с на каждой, то есть получалось как раз 2 с лишним терабита в секунду.

В условиях эксперимента несущие частоты выбирались в рабочей области эрбиевого волоконного усилителя около длины волны 1,5 микрона. В принципе, можно использовать весь диапазон прозрачности стеклянного волокна - от 0,8 до 1,7 микрона. Будет ли это экономичеки выгодно, это вопрос второй, но принципиально пропускная способность волокна практически неограниченна.

Спектральное уплотнение каналов требует новой элементной базы. Поскольку каналы могут отличаться по длине волны всего лишь на доли нанометра, крайне важна спектральная стабильность источников. Поэтому используются либо полупроводниковые, либо волоконные лазеры, которые стабилизируются внешней волоконной дифракционной решеткой или каким-то элементом, позволяющим поддерживать стабильность.

Е.К. Каковы другие элементы технологии спектрального уплотнения?

Е.М. Проблема регенерации сигнала уже решена с помощью оптических усилителей. Оптические усилители - это очень важный компонент для спектрального уплотнения каналов, поскольку они пропускают и усиливают сразу все используемые длины волн без преобразования в электронную форму. Спектральное уплотнение каналов и оптические усилители идеально сочетаются.

Е.К. Велика ли сейчас потребность в таких скоростях передачи информации? По-видимому, телефонные каналы - далеко не главный потребитель полосы пропускания оптоволоконных линий?

Е.М. Первым применением волоконных световодов были телефонные линии, но по одному волокну можно передать более 40 тыс. телефонных разговоров, а потребности в телефонных линиях не так уж велики. Поэтому основная потребность сейчас складывается из двух факторов. Огромное количество организаций и отдельных граждан передают или получают информацию через Интернет, в 1996 году каждый месяц число абонентов Интернета увеличивалось на 20%, а трафик вырос за тот год в 8 раз. Потребность систем связи и, в частности, Интернета в повышении пропускной способности линий колоссальная. Сейчас большинство сетевых транзакций происходит в сетях, входящих в Интернет. Однако можно выделить второй важный фактор, нагружающий линии, - это экономические транзакции. В условиях рыночной экономики крайне важно очень быстро отслеживать изменения на рынках, котировки ценных бумаг, экономическую и политическую ситуацию в мире, и тому подобное.

Е.К. Во всех этих потоках передаются данные, цифры. А войдут ли в наш обиход другие виды общения, например, типа виртуальной реальности?

Е.М. Раньше для обсуждения вопросов представители фирмы ехали, например, из Америки в Европу, это требует много времени и дорого. Намного проще устроить видеоконференцию. Вы сидите в Лондоне, он сидит в Нью-Йорке, а я сижу в Москве. И мы по волоконным световодам можем передавать видеоинформацию, речевую информацию и так далее. Это очень удобный и эффективный способ общения и принятия решений, но он требует гораздо большей полосы пропускания, которую может легко обеспечить оптоволоконная связь. (Одна конференция, конечно, проблемы не создаст, но если это станет распространенным средством общения, то произойдет сильное увеличение трафика. Примерный трафик одной конференции составляет 300 кбит/с.)

Е.К. Но ведь уже существуют реально работающие системы, которые позволяют устраивать видеоконференции.

Е.М. Конечно, например, в здании Президиума Академии наук сняла помещение и установила там свое оборудование канадская фирма "Нортель Технолоджи", и я совсем недавно участвовал в конференции Москва-Канада-Англия, где мы обсуждали наши проблемы. Но прежде всего, главные потребители полосы пропускания - экономика и мировая компьютерная сеть.

Е.К. А как обстоит дело сейчас?

Е.М. Волоконная связь заняла сейчас первое место среди всех остальных видов связи. Она обладает широкой полосой пропускания и очень надежна. Поэтому волокно будет все шире и шире внедряться не только в технику, не только в связь, не только в военное дело, но и в быт людей.

Е.К. То есть сейчас дело стоит за снижением цены?

Е.М. За снижением цены и увеличением промышленных мощностей. Того количества волоконных световодов, которое сейчас производят в мире, - недостаточно. Крупные фирмы стараются строить новые заводы и фабрики. Важной проблемой является нехватка германия. Волоконный световод нужно пролегировать германием, чтобы создать необходимый профиль показателя преломления. При сегодняшних объемах производства доступного германия недостаточно. Возникает задача изменения состава стекла. Мы предложили для легирования стекла использовать азот.

В Брюсселе в 1995 году специально собиралась большая семерка, чтобы снять ограничения на развитие оптоволоконной связи. Раньше иностранные фирмы не могли инвестировать в американские компании больше 20% процентов от полного объема инвестиций компании. Такой закон был принят в Америке, чтобы не потерять контроль за производством стратегически важного продукта - оптоволокна. Сейчас это ограничение снято. Вообще, многие вещи ограничивают развитие. Есть и экономические, и политические причины, но все препятствия стараются удалять или обходить, так как экономика требует все большей полосы пропускания систем связи.

Е.К. Каково будущее оптоволоконных технологий передачи данных?

Е.М. Будущее прекрасное, эта область еще далека от насыщения. Возникают новые идеи, новые принципы передачи информации, новые материалы, новые конструкции.

Е.К. Еще до начала интервью вы сказали, что очень важно, чтобы о возможностях и проблемах оптоволоконной связи знали в России.

Е.М. На мой взгляд, в нашей стране нет полного понимания того, насколько важна широкополосная связь, возможность обмена информацией для экономики и так далее. Вот, говорят наши большие начальники: "У нас рыночная экономика, мы объявляем тендер, участвуйте…" Но нужна государственная поддержка, сейчас наши предприятия не способны конкурировать на равных, поэтому, конечно, в тендере побеждают иностранные компании.

Е.К. Вы считаете, что необходимо развивать отечественную промышленность?

Е.М. Да, необходимо. Нам с нашими необъятными просторами крайне важно иметь собственное производство и волоконных световодов, и систем связи на других принципах, иначе мы все время будем зависеть от Запада.

¹ ИК - диапазон инфракрасного света, длины волн примерно от 8 мк и выше.

² Слово "дисперсия" буквально переводится как разброс или отклонение. Описанные в тексте межмодовая и хроматическая дисперсии обусловлены разными факторами. Первая зависит от геометрии волокна, а вторая - от состава материала.