Tera age

Архив

Евгений Михайлович, давайте начнем с самого общего вопроса. На каком этапе находятся оптоволоконные технологии и какова их роль в информационном обществе будущего?

- Если посмотреть на историю цивилизации, то во все времена в любом государстве связь была на первом месте. Человечество всегда билось над тем, как передать информацию: быстрее и больше. И в прошлом веке, и сейчас самые последние достижения науки и техники направлялись властями в две области: военное дело и связь. Поэтому системы связи всегда развивались быстрыми темпами. Но только сейчас мы подходим к такому уровню, на котором возможна передача практически неограниченных информационных потоков, и произошло это благодаря технологиям волоконно-оптической связи.

В свою очередь, сама область волоконно-оптической связи тоже вышла на качественно новый уровень. И связано это с внедрением технологий спектрального уплотнения каналов (Wavelength Division Multiplexing - WDM) [2]. Суть ее в том, что в световоде создается не один, а несколько оптических каналов, отличающихся длиной волны, по каждому из которых передается относительно небольшой поток. Раньше он составлял 2,5 Гбит/с, сейчас в одном канале передаются потоки 10 Гбит/с и более (до 100 Гбит/с). И таких каналов в оптоволоконном световоде можно "нарезать" более сотни. Таким образом, благодаря технологии спектрального уплотнения каналов мы можем говорить о переходе к терабитным системам цифровой связи (и так называемому Tera Age).

Этот качественный переход хорошо заметен тем, кто следит за развитием оптоволоконных технологий. Если еще пару лет назад о терабитных системах передачи информации говорили только как об экспериментальных, то на последних конференциях пять-семь крупнейших в этой области фирм (то есть практически все) объявили о создании своих терабитных систем.

Мало, конечно, научиться передавать такие объемы, надо уметь их хранить и обрабатывать. Таким образом, волоконно-оптические линии связи - только одна составляющая современных информационных систем.

Легко ли использовать спектральное уплотнение каналов?

- Системы спектрального уплотнения потребовали новых подходов, так как ученым и инженерам пришлось решать очень трудные задачи.

Без преувеличения сейчас главная проблема - это проблема широкополосного усиления. Протяженность участков волоконно-оптических линий составляет тысячи километров. Без использования усилителей доставить сигнал до приемника на таком расстоянии невозможно. И здесь используются оптические усилители (даже самые современные электронные усилители на таких скоростях не работают), в которых мощность сигнала повышается за счет его прохождения через специальный световод, накачиваемый лазером.

Теперь вернемся к спектральному уплотнению. Пусть у нас есть сто каналов в одном световоде. Чтобы избежать перекрестных помех, длины волн сигналов надо разнести примерно на 0,5 нм. В итоге весь сигнал займет спектр 50 нм. И во всем этом спектральном диапазоне кривая характеристики коэффициента усиления должна быть плоской. Так что сейчас нужны усилители с рабочей полосой 50 нм и более.

В используемых сегодня усилителях на основе эрбия (только этот редкоземельный металл обладает подходящей длиной волны флюоресценции) инженеры добились практически плоской кривой усиления в спектральной области. Но полоса "нормального" усиления составляет всего 30 нм, и расширить ее непосредственным образом нельзя.

Частично эту проблему решают так. Потоки информации в хорошо усиливаемых диапазонах пускают по одному каналу, а в слабо усиливаемых диапазонах - по другому, с большим коэффициентом усиления. Для усиления в последних используют специальные методы - например, большую накачиваемую мощность лазера. Таким образом удается расширить полосу усиления до 80 нм.

Вроде бы неплохо...

- Да, полоса действительно больше, но в перспективе - недостаточная. Поэтому для создания широкополосных усилителей разрабатываются принципиально иные методы. В частности, подходит хорошо известный эффект Рамана (у нас обычно используют термин комбинационное рассеивание света). Он наблюдается, если облучить светом (лазером) волоконный световод: фотон отдает часть энергии решетке и "худеет", переходя на большую длину волны. В приложении к оптическим усилителям это означает, что при накачке на одной длине волны можно усиливать сигнал практически на любой другой длине. Появляется возможность расширения спектра усиления и выхода за принципиальные ограничения эрбиевого усилителя. Опыт показывает, что с помощью эффекта Рамана можно строить оптические усилители с полосой более 100 нм.

Что касается коэффициента усиления, то у рамановских усилителей он примерно такой же, как и у эрбиевых. Правда, для этого требуется накачка лазером мощностью в десятки раз больше. Например, чтобы получить 30 дБ усиления, эрбиевому усилителю достаточно 10-20 мВт, рамановский - "требует" 1 Вт. Это очень мощные лазеры, раньше их попросту не могли создать, теперь проблема снята. И высокие требования к мощности источника - одна из причин, по которой эффект Рамана всерьез не рассматривался в оптоволоконной технологии. Хотя сам эффект хорошо изучен. Его в 1928 году независимо открыли индийский ученый Раман и советские ученые Мандельштам и Ландсберг. Наш Центр начал разрабатывать рамановские усилители много лет назад, тогда в них мало кто верил. Сейчас мир признал, что за ними будущее. Так что принципиально проблема широкополосного оптического усиления решена.

Еще раз подчеркну, что оптическое усиление - это проблема номер один. Спектральная область современных световодов, в которой возможна передача оптических сигналов с относительно низкими потерями, очень широка: 1,2-1,6 мкм. Сейчас же в основном используются только два участка спектра: в районе 1,3 и 1,55 мкм. Возможность использования всей этой области (и, соответственно, существенного увеличения пропускной способности) связана с решением проблемы широкополосного усиления.

А проблема номер два?

- Проблема номер два - это источники света, то есть лазеры. Сейчас нужны широкополосные лазеры, которые генерируют излучение на длинах волн с шагом 0,5 нм. Можно, грубо говоря, взять сто лазеров, но они должны иметь очень стабильную длину волны. Увы, у современных полупроводниковых лазеров она сильно зависит от температуры. Приходится создавать термостабилизирующие приборы, удорожающие всю систему.

Поэтому инженеры идут другим путем: используют волоконные лазеры на основе редкоземельных металлов. Например, тот же эрбий позволяет создать лазер с широкой полосой генерации. Есть и третий подход - задействование нелинейных явлений. Оказывается, если ввести в световод оптический сигнал достаточно большой мощности, то он породит очень широкую полосу вторичной генерации (за счет различных эффектов: четырехфотонное смещение, фазовая самомодуляция и другие). Образуется так называемый суперконтинуум, из которого можно с помощью фильтров "нарезать" с некоторым шагом 50-100 оптических каналов различной длины волны.

Есть, наверное, и проблемы, связанные с самими световодами?

- Безусловно. Главная из них - ограничение на мощность оптического излучения, вводимого в световод. И актуальна она стала опять же с распространением методов спектрального уплотнения каналов. Вернемся к примеру со 100-канальной системой. Если каждый из каналов требует для устойчивого приема использования сигнала мощностью 1 мВт, то всего в световод придется ввести 100 мВт. Так как световод (особенно одномодовый, с диаметром сердцевины 5-10 мкм) имеет небольшие размеры световедущей области, то интенсивность излучения (отношение мощности к площади сечения) оказывается слишком большой. Как следствие, возникают нелинейные эффекты, "портящие картину" и приводящие к перекрестным помехам.

Один из выходов - поиск таких световодов, которые при сохранении одномодовости имели бы достаточно большую площадь сечения. Для этого можно придумать более сложную структуру. Например, сердцевину сделать не в виде круга, а в виде кольца (в сечении). Одномодовость сохраняется (толщина кольца находится в пределах 5-10 мкм), но площадь световедущей области увеличивается до 80-100 кв. мкм. И сегодня разработан целый ряд других сложных структур одномодовых световодов большого диаметра; я привел только самый простой пример.

Есть еще эффект, связанный со световодами, интерес к которому возник совсем недавно. И в его исследовании наш Центр сыграл без преувеличения главную роль. Это так называемый эффект электрострикции, известный и хорошо изученный в физике. Он заключается в деформации диэлектрика, помещенного в неравномерное электрическое поле. Последнее как раз порождает силы механического напряжения.

В частности, при прохождении света волокно сжимается, как следствие - увеличивается показатель преломления. Что же получается? Мощный импульс идет по сердцевине и вызывает сжатие, акустическую волну. Следующий импульс "чувствует" это изменение, у него смещается частота, возникает эффект джиттера - смещение импульса во временной области.

Почему же раньше этот эффект не принимали в расчет?

- Эффект очень незначительный, и долгое время на него просто не обращали внимание. Изменение показателя преломления составляет всего 10-14! Но протяженность оптоволоконных линий постоянно растет. И в конце концов оказалось, что эффект электрострикции приводит к ограничению скорости передачи информации. Особенно он проявляет себя в одномодовых волокнах со сложной структурой, о которых мы только что говорили.

Заметьте, что я назвал только самые важные из тех проблем, которые постоянно приходиться решать при развитии систем связи.

Итак, сегодня в одном оптоволокне "уплотняют" порядка ста каналов. Но не так давно фирма Lucent Technologies объявила о создании систем с уплотнением более тысячи каналов. Что это: прорыв или маркетинговый ход?

- Я знаком с этой работой. Вообще говоря, уплотнить тысячу и более каналов - не проблема. Вопрос только, какие каналы уплотнять. Можно в одном канале передавать 5-10 (и даже 40) Гбит/с при расстоянии между каналами приблизительно 0,3-0,75 нм. В этом случае максимальное число каналов как раз и будет в пределах сотни.

Однако на практике возникает задача создания каналов с небольшой скоростью, но для тысячи потребителей. Как мы знаем, сегодня оптоволокно приходит в дома и офисы, буквально к каждому персональному компьютеру. Для этих целей можно создать в том же диапазоне тысячу каналов, но в каждом канале скорость передачи будет небольшая.

И хотя эксперимент Lucent на первый взгляд поражает воображение, на практике суммарная скорость передачи там не высокая. Так что никакой мистики нет.

Вернемся к оптическим волокнам. Какому типу световодов сегодня отдается предпочтение: одномодовым или градиентным (многомодовым)?

- Вопрос очень интересный. На заре оптоволоконной техники внимание обращали в основном на градиентные световоды: они имели достаточно большое сечение, что упрощало их производство, монтаж и эксплуатацию. Но потом оказалось, что одномодовые волокна значительно превосходят по характеристикам градиентные. Со временем научились выпускать относительно дешевые одномодовые световоды (сейчас они практически приблизились по цене к медным кабелям). Поэтому сильный крен был в сторону одномодовых технологий.

Сегодня же развитие оптоволоконных технологий во многом нацелено на реализацию идеи "световод в каждый дом". Здесь главная задача - обеспечить оптоволоконную линию на небольшом участке от дома до распределительной станции - это всего сотни метров. Но речь идет о массовой технологии, и здесь надо решить проблему межсоединений. Одномодовые световоды требуют совмещения с точностью до долей микрона (кстати, одномодовые волокна со сложной структурой не решают проблему). Градиентные - "прощают" погрешности на порядок больше. То есть, грубо говоря, потребителям нужны толстые волокна: их легче монтировать, они более надежны в эксплуатации.

Так что сейчас и одномодовые, и градиентные оптические волокна мирно сосуществуют. Одномодовые волокна используются в основном для магистральных коммуникаций, а градиентные - для коротких линий (в домах и офисах).

Отсюда же интерес не только к обычным кварцевым градиентным волокнам, но и к полимерным?

- Да, сейчас полимерные световоды в буквальном смысле можно обрабатывать лезвием обычной бритвы и соединять при помощи нехитрых приспособлений. Ведь их диаметр доходит до 1000 мкм. Правда, у них есть недостаток - большие оптические потери. Но сейчас научились делать градиентные полимерные световоды с очень низкими потерями, и передача потока в 1 Гбит/с на расстояние 300-500 м не составляет проблемы.

К слову, в области полимерных световодов приоритет безусловно принадлежит японцам. За счет фторирования световодов они сдвинули область поглощения в длинноволновую часть спектра. В результате теоретический минимум потерь для полимерного волокна составляет около 10 дБ/км, в реальных световодах потери, конечно, больше: до 100 дБ/км, но есть образцы с потерями всего 20-30 дБ/км.

Если вернуться к стеклянным (кварцевым) световодам, продолжают ли совершенствоваться материалы для оптического волокна?

- Разумеется. Вот, к примеру, есть такая интересная проблема. Как известно, показатели преломления в кварцевых световодах регулируются в основном путем добавления оксида германия (GeО₂). Но сейчас в мире производится 60 млн. км оптического волокна в год - это колоссальный объем! Германия в ближайшем будущем может и не хватить. Ведь это рассеянный элемент, и в чистом виде он не встречается.

В то же время кварцевое стекло - это песок, его запасы огромны. И мы предложили легировать световоды азотом. В результате наш Центр разработал световод с низкими потерями, который состоит из трех самых распространенных на Земле элементов: кремния, азота, кислорода. Причем из них можно изготавливать как одномодовые, так и градиентные волокна.

Помимо этого мы возродили интерес к фосфору. Это более "капризный" элемент, его сложнее вводить в световод. Зато у него есть преимущества. Если взять спектральную характеристику пропускания световода, то в ней присутствует так называемый пик воды (1,4 мкм). До сих пор он делил полосу пропускания на области - окна прозрачности. Вспомним, что первое окно, обнаруженное в районе 0,8 мкм, обеспечивает потери в 3-5 дБ/км. По мере изучения характеристик световодов во всей спектральной области, открыли и второе окно прозрачности, в районе 1,3 мкм. Наконец, нашли и своеобразный "абсолютный минимум" - окно в районе 1,5 мкм теоретически обладает потерями в 0,16 дБ/км (в промышленном производстве - достигли уровня 0,2 дБ/км).

Итак, пик воды разделяет второе и третье окно. Избавиться от него очень сложно, ведь он обусловлен потерями на молекулах воды (точнее, ионах гидроксида). Чтобы полностью устранить попадание воды в световоды, нужно на порядок повысить чистоту производства. Ведь в нем используются кислород, хлориды, опорные кварцевые трубки; все они содержат воду, от нее никуда не деться. (В 1998 году Lucent одной из первых запустила такие световоды в промышленное производство - под маркой AllWave. - С.Б.)

Наши исследования показали следующее: если ввести в кварцевое стекло фосфор (на самом деле лучше использовать оксид фосфора: P₂O₅), то пик воды сам собой исчезает, точнее, сдвигается в длинноволновую область. Окна прозрачности сливаются, и полоса пропускания с низкими потерями существенно расширяется.

Так что, я думаю, не за горами то время, когда будет использоваться вся полоса пропускания от 1 до 1,7 мкм.

Какова сейчас ситуация в России с точки зрения освоения и разработки оптоволоконных технологий?

- В России существует большая потребность в системах связи. Сегодня без Интернета, без коммуникаций мы жить не можем. Поэтому если не будут развиваться системы связи, то наша страна окажется в информационной изоляции.

Оптическая связь, к счастью, находит у нас применение. Но все приходится закупать за рубежом: оборудование, волоконные световоды. Во-первых, это не дешево. Во-вторых, мы обрекаем себя на отставание от Запада: самые передовые технологии нам никто никогда не отдаст. Кроме того, использование зарубежного коммуникационного оборудования облегчает промышленный шпионаж, и прецеденты, увы, уже есть. Так что связь, в том числе волоконно-оптическая, - это исключительно стратегическая область.

При всем этом нам надо охватить волоконно-оптической связью огромные российские просторы, где даже не везде есть телефонные каналы. Закупать оборудование за рубежом, на мой взгляд, нерационально. Так что надо развивать и собственное производство.

Есть ли здесь какие-то сдвиги?

- Пока нет. Только некоторые государственные органы поддерживают лабораторные исследования в области волоконной оптики, в частности, деятельность нашего Центра. Но поддержка идет, что называется, на уровне выживания. Да, появляются совместные предприятия по производству волоконно-оптической техники (в частности, кабель для компании Lucent изготавливают в Воронеже), но, как мне кажется, сотрудничество идет в невыгодном для России направлении. А для того чтобы организовать собственное промышленное производство, требуют огромные средства. Их пока не находится, но я уверен, что жизнь заставит изменить приоритеты.

---

1 (обратно к тексту) - Cм. "КТ" #232.

2 (обратно к тексту) - В отечественных источниках чаще говорят не об уплотнении, а о разделении каналов. Но это суть синонимы.