WDM: четыре источника…

Задача передачи информации на большие расстояния возникла еще на заре человечества. В каждый период времени она решалась по-разному. Однако общей тенденцией стало увеличение объемов передаваемых данных. Совершенно понятно, что и передавать их хотелось как можно быстрее. Соответственно потребностям, менялись и способы передачи.

Настоящим прорывом в средствах связи стало открытие радио. Однако ненадолго - очень скоро доступный частотный диапазон был исчерпан, и пришлось увеличивать частоту передаваемых сигналов… так, в конечном итоге, и появились оптические линии передачи данных, которые очень быстро стали в массе своей оптоволоконными. Казалось, уж здесь-то наступило истинное раздолье. Однако успокаиваться было рано: ограничивающим фактором для оптоволокна всегда была электроника, и за два десятка лет она достигла предела скорости передачи данных по одному волокну (или, более точно, каналу) - 2,5-10 Гбит/с. Больше современная электроника обеспечить просто не в силах.

Правда, пропускная способность оптоволоконного кабеля определяется еще и числом волокон, которое, в принципе, может быть достаточно большим, однако сигнал затухает даже в самом совершенном волокне, и время от времени его надо усиливать. А теперь представьте, что для каждого волокна нужно использовать собственный ретранслятор-регенератор, а на каждом из волокон таких ретрансляторов может быть несколько. В результате число ретрансляторов быстро растет, а надежность системы в целом - падает. С использованием спектрального уплотнения задача становится еще сложнее: из каждого волокна с помощью спектральных фильтров - демультиплексоров необходимо выделить задействованные каналы, каждый из них по отдельности усилить, и затем, с помощью демультиплексоров, вводить все это хозяйство обратно в волокно.

Ситуация стала бы просто безвыходной, если бы не изобретение в середине 80 годов оптических усилителей.

По принципу действия оптоволоконный усилитель мало отличается от лазера: рабочим телом является отрезок волокна, обогащенного редкоземельным элементом - эрбием, а для накачки служит лазер с длиной волны 980 или 1480 нанометров - в спектре поглощения атомов эрбия. В первом случае (980 нм) атомы эрбия после взаимодействия с фотоном накачки переходят в возбужденное состояние, из которого очень быстро переходит в другое - метастабильное, в котором могут находиться довольно долго в сравнении со временем пролета фотона через усилитель. Во втором случае атомы сразу переходят в метастабильное состояние - и усилитель, как говорится, готов к труду и обороне.

Теперь, при попадании в него излучения с длиной волны 1550 нм составляющие его фотоны будут взаимодействовать с атомами эрбия. Результатом каждого взаимодействия будет еще один фотон с такой же длиной волны и, главное, с той же самой фазой. Ясно, что процесс на этом не останавливается, наоборот, продолжается далее в геометрической прогрессии. В результате поток света многократно усиливается (усиление может достигать 40 дБ, а в коммерчески доступных устройствах - 20-30 дБ). Единственным отличием от лазера является отсутствие отражающих зеркал с торцов световода, но они бы в данном случае скорее мешали, чем помогали.

Оптический усилитель был открыт английскими учеными из Саутгемптонского университета во главе с профессором Дэйвидом Пэйном (David R. Payne) в 1987 году. Несмотря на кажущуюся его простоту, первая чисто оптическая передача данных на расстояние в 9000 километров со скоростью 5 Гбит/с ¹ была совершена лишь в 1992 году, при участии AT&T Bell Laboratories и корпорации Nippon Telephone and Telegraph.

Оптические усилители сегодняшнего дня обладают поистине уникальными характеристиками. Они почти не шумят, имеют очень малые интермодуляционные искажения и, вдобавок, очень высокую чувствительность. В результате они могут усилить практически любой оптический сигнал в полосе трехтерагерцового рабочего диапазона, а нелинейные искажения, даже если они и возникнут в одном из каналов, скорее всего, не скажутся на работе других частотных каналов.

Другим преимуществом оптических усилителей является их универсальность: в отличие от регенераторов, они не знают, что такое протоколы, способы модуляции и другие тонкости, присущие данной конкретной линии передачи данных, да им это и не нужно, они скромно делают свою работу по размножению квантов светового потока. Хотя им присущи и определенные недостатки. Так, например, оптические усилители на кварцевом стекле довольно разборчивы к усиливаемой частоте, следствием чего является неравномерность коэффициента усиления (см. рис.), которую удается уменьшить, используя фторидные стекла.

Наряду с оптическими усилителями технологии спектрального уплотнения требуются еще три ключевых элемента.

1) Источник излучения на нескольких длинах волн (в зависимости от числа каналов). Пока для каждой длины волны используются отдельные лазеры, а с развитием интегральных технологий, видимо, будут выпускаться целые массивы лазеров на одной структуре.

2) Полосовые оптические фильтры, которые необходимо устанавливать перед фотодетектором каждого спектрального канала для устранения ненужных помех и шумов оптического усилителя.

И, наконец, 3) интегральный спектральный маршрутизатор, который называют еще мультиплексором-демультиплексором. Пример и принципы работы этого устройства описаны в предыдущей статье.

Рис. 1

Впрочем, этот список явно не окончательный: на небольших расстояниях и в локальных сетях масштаба, скажем, здания или даже городка оптические усилители могут не потребоваться, и тогда главным элементом такой сети станет спектральный маршрутизатор - основа оптических локальных и глобальных сетей, может быть, недалекого будущего.

Рис. 2

Список литературы

1. Thomas Fuerst, Today's optical amplifier: The cornerstone of tomorrow's optical layer, Internet Telephony, www.internettelephony.com.
2. Alan Eli Wilner, Mining the optical bandwidth for a terabit per second, IEEE SPECTRUM, April 1997.
3. Dense Wavelength Division Multiplexing, www.techguide.com/comm/index.html.
4. David N. Payne, Optical Amplifiers - A Telecommunications Revolution, http://holly.orc.soton.ac.uk

При подготовке статьи использованы материалы из журнала "Internet Telephony".

¹ Эквивалентная передаче на трансокеанские расстояния.