Начав свое развитие с появления в 1962 г. 24-канальных систем ИКМ, цифровые сети долгое время эволюционировали исключительно как электрические. Скорости передачи в них росли так: с 1,5–2 Мбит/с (первичный канал) до 6–8 Мбит/с (вторичный канал), затем до 34–45 Мбит/с (третичный канал) и до 140 Мбит/с (четвертичный канал). Таким образом формировалась стандартная плезиохронная иерархия PDH, позволившая в середине 80-х гг. организовывать до 1920 стандартных телефонных каналов в одном цифровом канале связи. Дальнейшее увеличение скорости, связанное с повышением частоты передаваемого сигнала, тормозилось из-за того, что резко возрастали потери в электрическом кабеле, поскольку требовалась установка регенераторов через каждые 2–3 км.
Однако уже в начале 80-х гг. появилась новая среда передачи – оптическое волокно (ОВ). Благодаря ему удалось на порядок увеличить длину участка регенерации, и ныне ОВ стало доминирующей средой передачи. Его появление привело к бурному развитию синхронных цифровых сетей, основывающихся на технологиях SONET/SDH.
Эти технологии позволили повысить скорости передачи сначала до 622 Мбит/с, затем (с 1993 г.) до 2,5 Гбит/с, а сейчас и до 10 Гбит/с. Число телефонных каналов в одном цифровом канале связи (при использовании оптоволоконной пары) увеличилось в 16 раз, т. е. доведено до 30 720, а длина регенерационного участка достигла 40–60 км.
Попытки увеличения скорости передачи до 40 Гбит/с и выше привели к технологическим сложностям. Дело в том, что нужно было удовлетворить ряд противоречивых требований к ширине (должна быть порядка 12 пс) и стабильности генерируемого одиночного импульса, а также к мощности лазерного источника, необходимой для распространения такого импульса на десятки километров. Это приводило к нелинейным эффектам в ОВ и к недопустимому уширению импульса - в связи с дисперсией в ОВ естественным (за счет рассеяния) затуханием света. Таким образом, для увеличения скорости передачи требовалось резко повысить качество ОВ.
Все это вместе взятое стало мощным стимулом для развития исследований по оптическим солитонам – световым импульсам (волнам), способным распространяться в дисперсных оптических средах на большие расстояния практически без изменения формы (уширения). Их использование позволило бы раз и навсегда решить проблему длины регенерационного участка. В начале 90-х гг. были получены феноменальные результаты, которые дали надежду на то, что скорости цифровых солитонных линий связи могут быть увеличены до 320 Гбит/с на канал, а длина регенерационного участка – до 1 тыс. км.
Краткая история солитонов
Открытие солитона как физического явления относится к 1834 г., когда английский инженер-судостроитель Джон Рассел случайно проследил за поведением одиночной носовой волны, возникшей в канале при внезапной остановке баржи. Оторвавшись от носа баржи, волна распространялась, не меняя скорости, высоты и формы, на несколько километров. Рассел назвал ее волной трансляции (wave of translation) и доложил о ее свойствах, изученных на основе натурного моделирования отрезка канала, на заседании Королевского Общества, которое состоялось в 1844 г. Однако результаты его исследований оказались невостребованными по крайней мере еще 50 лет. В 1895 г. датчане Кортевег и де Фриз обюяснили данный феномен, получив решение нелинейного уравнения, названного их именем. Прошло еще почти 70 лет, и в 1964 г. волновое решение уравнения Кортевега–де Фриза было названо солитонной, или одиночной, волной. Однако все эти исследования не были связаны с оптическими волнами в дисперсных средах, т.е. в средах, где фазовая скорость волны зависит от ее частоты.
В 1971 г. русские ученые Захаров и Шабат теоретически доказали существование солитонов в нелинейных дисперсных средах, решив уравнение Шредингера, описывающее распространение электромагнитной волны в такой среде. В 1973 г. американские исследователи Хасегава и Тапперт заявили о возможности использования солитонных волн в оптоволокне, а в 1980 г. коллектив исследователей Bell Laboratories во главе с Молленауэром подтвердил это экспериментальным путем.
Физические явления в оптических световодах
Сначала попытаемся формально определить, что же такое «оптические солитоны». Это волны (или волновые пакеты) специальной формы, возбуждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной (отрицательной) дисперсии. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения формы и сохраняться при столкновениях друг с другом (т. е. восстанавливать направление движения, скорость и амплитуду, демонстрируя свойства, характерные для частиц).
Для того чтобы дать представление об оптическом солитоне и обюяснить присущие ему свойства, кратко рассмотрим ряд физических явлений, сопутствующих его возникновению и распространению. В обычных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) основным фактором, ограничивающим скорость передачи оптического импульса, является его уширение за счет дисперсии групповых скоростей и других нелинейных эффектов. Дисперсия групповых скоростей (ДГС) – это зависимость фазовой скорости световых волн от частоты н? или длины волны н».
Фазовая скорость обратно пропорциональна показателю преломления среды n, который, собственно, и зависит от частоты. ДГС может быть нормальной (положительной), если n увеличивается с увеличением н? или уменьшением н», либо аномальной (отрицательной), если n уменьшается с увеличением н? или уменьшением н». Зависимость фазовой скорости от н? или н» для нормальной и аномальной дисперсий – обратная. Для одномодового (ОМ) кварцевого волокна ДГС положительна для н»<1312 нм, отрицательна для н»>1312 нм, и является нулевой в окрестности н»=1312 нм.
Если оптический импульс состоит из нескольких спектральных составляющих (а это почти всегда так), то при распространении в оптической дисперсной среде они, имея разные скорости из-за дисперсии, приходят в определенную точку в разное время, что приводит к искажению формы импульса и его размыванию (несимметричному уширению). Дополнительное, без искажения формы уширение импульса (симметричное уширение) происходит за счет его естественного затухания, вызванного рассеиванием мощности волны при ее прохождении по волокну.
Во избежание нередко возникающей путаницы нужно помнить, что в качестве характеристики дисперсии оптических волокон в справочниках приводят дисперсионный параметр D, противоположный по знаку ДГС и имеющий другую размерность (пс/км/нм, тогда как размерность ДГС – nс2/км). Поэтому и наклон зависимости D от н»,часто называемый наклоном ненулевой дисперсии, будет положительным, а не отрицательным. Используемая в публикациях формулировка «в области положительных (или отрицательных) дисперсий» может на самом деле иметь обратный смысл, так как дисперсия положительна при положительном значении ДГС (т. е. при отрицательном D).
Влияние дисперсии обычно снижается за счет выбора значения несущей длины волны вблизи точки нулевой дисперсии. Однако до бесконечности увеличивать длину участка регенерации все равно не удается, поскольку использование больших длин волн и более мощных лазерных источников сигнала или же оптических усилителей (ОУ) с мощными источниками накачки приводит к резкому возрастанию влияния нелинейных эффектов.
Нелинейные эффекты
Оптический световод, как и любой диэлектрик, демонстрирует нелинейное поведение в сильном электромагнитном поле. Такие поля образуются даже при использовании относительно маломощных (милливаттных) источников излучения за счет высокой плотности мощности, реализуемой в силу малого поперечного сечения одномодового волокна (порядка 5б?10-11 м2). Ситуация усугубляется в системах с усилителями (в которых применяются мощные источники накачки), в солитонных системах связи, а также в системах с разделением по длинам волн (WDM, DWDM), где используются источники интенсивного лазерного излучения.
Наиболее явно проявляются следующие нелинейные эффекты:
- вынужденное неупругое рассеяние – оптическая волна передает часть своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами среды;
- нелинейное преломление – показатель преломления зависит от интенсивности электрического поля Е;
- модуляционная неустойчивость – модуляция стационарного волнового состояния под воздействием нелинейных и дисперсионных эффектов;
- параметрические процессы – явления, вызванные взаимодействием оптических волн с электронами внешних оболочек (четырехволновое смешение, или ЧВС, генерация гармоник и параметрическое усиление).
Вынужденное неупругое рассеяние
Этот эффект обусловлен неупругим взаимодействием электромагнитной волны с составляющими среду атомами, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. С вынужденным неупругим рассеянием связаны два явления:
- вынужденное комбинационное (или рaмановское) рассеяние (ВКР);
- вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна (ВРМБ).
При ВКР стоксова волна способна распространяться в обоих направлениях (но преимущественно распространяется в направлении падающего пучка), а при ВРМБ – навстречу падающему пучку. Оба явления носят пороговый характер, но имеют и существенные различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другое – порядка 10 мВт (ВРМБ).
Важная особенность этих явлений: их интенсивность в волоконных световодах может увеличиваться на много порядков (длина волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км), создавая условия для оптического усиления. Его можно получить, создавая инверсию населенности энергетических уровней при рассеянии типа ВКР или ВРМБ аналогично тому, как это происходит под действием излучения накачки. Вынужденный переход возбужденных электронов с верхних на нижележащие уровни происходит при прохождении оптических сигналов (например, солитонов), за счет чего и обеспечивается усиление. Указанные явления используются, соответственно, в ВКР-усилителях (иначе – рaмановских, или комбинационных) и ВРМБ-усилителях.
Нелинейное преломление и фазовые модуляции
Показатель преломления оптической среды зависит не только от частоты (как рассматривается в рамках линейной теории), но и от квадрата амплитуды электрического поля E. Последнее приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуляция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ). ФСМ обуславливается нелинейным набегом фазы, приобретаемым оптической волной при распространении в нелинейном световоде, который увеличивается с ростом длины распространения z и приводит к симметричному расширению спектра коротких импульсов. ФКМ возникает в том случае, когда в ОВ одновременно присутствуют оптические поля разных частот (например, при использовании оптического мультиплексирования в WDM). Это явление обуславливается набегом фазы, наведенным электрическим полем источника, который излучает на другой длине волны; такая волна распространяется совместно с исходной и вызывает асимметричное расширение спектра совместно распространяющихся импульсов.
Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом длины распространения, что и обюясняет расширение спектра импульса. Этот спектр зависит от формы импульса и его начальной частотной модуляции, которая наблюдается у многих источников излучения.
Если на ФСМ накладывается дисперсия групповых скоростей, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние стандартное. Оно сводится к расширению спектра и расплыванию импульса со временем. Отрицательная же дисперсия среды оказывает нестандартное влияние – световой импульс (форма которого близка к гауссовскому) сначала несколько расширяется, затем стабилизируется, а сам спектр импульса сужается. Если импульс имеет форму гиперболического секанса (что соответствует решению уравнения Кортевега–де Фриза), то при отсутствии начальной ПЧМ импульс ведет себя как солитон – при его распространении ни форма, ни спектр импульса существенно не изменяются.
Таким образом, совместное действие ФСМ и дисперсии групповых скоростей в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая обюясняет возникновение оптических солитонов (рис. 1).
 |
| Рис. 1. Формирование солитона (а) и его спектра (б) из гауссовского импульса в среде с отрицательной ДГС ; ( н? о? н ) – нормированная расстройка частотного спектра; Tn=T/To – нормированное время, где To – начальная длительность солитона |
Методы формирования солитонов
Чтобы понятие «сбалансированности» из качественного перешло в количественное, необходимо иметь аналитическое или численное общее решение нелинейного уравнения Шредингера, которое при определенных начальных условиях отражало бы состояние «баланса». Общее решение, полученное Захаровым и Шабатом, доказало существование фундаментального солитона (или солитона 1-го порядка) и так называемых солитонов N-го порядка. Начальная форма импульса фундаментального солитона соответствует гиперболическому секансу: н?(0,о? = sech(о?). Для солитона N-го порядка имеем н?(0,о? = N(sech(о?), где N – целое число, соответствующее порядку солитона, о? – ширина солитонового импульса.
Солитон формируется, когда пиковая мощность, необходимая для его возбуждения, превышает некоторое пороговое значение, причем для солитонов N-го порядка эта мощность в N2 раз больше мощности возбуждения фундаментального солитона. Мощности, необходимые для генерации солитонов N-го порядка, растут в последовательности 1: 4: 9: 16: ... .
Квадрат модуля функции н?(0, о?, или потенциальной функции, описывающей солитоны N-го порядка, – периодическая функция с периодом Lon. Это значит, что форма солитонов может меняться на длине периода Lon, возвращаясь к исходной в конце периода (свойство автокоррекции). Их ширина на начальном отрезке распространения даже уменьшается (рис. 2), что может быть использовано для сжатия солитонов. Такой характер динамики импульса обусловлен совместным действием ФСМ (она вызывает положительную частотную модуляцию, приводящую к уширению импульса) и ДГС (вызывающей сжатие импульса и увеличение интенсивности его центральной части).
 |
| Рис. 2. Динамика спектра солитона 3-го порядка на длине, равной периоду солитона |
Если пиковой мощности недостаточно для генерации солитона, то формируются обычные импульсы гауссовской или супергауссовской формы. Они не обладают свойством автокоррекции, а форма таких импульсов при прохождении по световоду искажается значительно быстрее, чем у солитонов. Например, в экспериментах Молленауэра для генерации солитонов в одномодовом световоде использовался лазер, излучающий импульсы длительностью 7 пс на длине волны 1550 нм. Параметры световода, используемого для эксперимента, позволили генерировать импульсы фундаментального солитона длиной (о?0=4 пс при пиковой мощности Pо = 0,98 Вт. Следовательно, пиковые мощности для генерации солитонов 1–4 порядков должны были бы составить ряд: 1, 4, 9, 16 Вт, но фактически это был ряд 1,2; 5; 11,4; 22,5 Вт (часть мощности расходовалась на компенсацию дополнительных потерь в световоде). Период солитона при этом составил 1,26 км. Солитонам высших порядков была присуща многопиковая форма импульса с большой амплитудой центрального пика и характерным «пьедесталом» (рис. 3).
 |
| Рис. 3. Форма солитонов 1–4 порядков (снятая по автокорреляционным функциям) и мощности, требуемые для их формирования |
Основные ограничения
При создании солитонных линий связи нужно учитывать ряд ограничений, основными из которых являются:
- потери мощности солитона в световоде;
- наличие ПЧМ в начальном импульсе;
- взаимодействие соседних солитонных импульсов.
Потери мощности солитона
Для сохранения свойств солитона при распространении по световоду необходимо сохранять его пиковую мощность, которая экспоненциально убывает по длине световода. Практика показывает, что ширина солитонного импульса t растет линейно при прохождении по световоду со скоростью меньшей, чем для обычного импульса в линейной среде.
Солитонные линии связи могут использоваться либо для увеличения длины регенерационного участка (по меньшей мере в два раза по сравнению с обычной) при передаче данных на скоростях вплоть до 40 Гбит/с (уровень STM-256 в технологии SDH), либо для передачи информации на очень большие расстояния (несколько тысяч километров) без применения регенераторов. Возникающая при этом неизбежная потеря пиковой мощности солитона может быть компенсирована за счет оптических усилителей (ОУ). Усилитель восстанавливает солитон как физический обюект, а затем солитонный импульс самостоятельно (за счет автокоррекции) сжимается до первоначальной ширины.
В результате сжатия импульса часть энергии рассеивается и превращается в дисперсионную волну, которая серьезно мешает работе линии связи. Для ее ограничения приходится уменьшать расстояние между ОУ до 10–15 км. Выходом из создавшегося положения является совершенствование ОУ (например, использование усилителей на EDFA на ОВ, легированном эрбием) либо усиление солитонов благодаря ВКР, при котором существенно сокращается доля рассеянной энергии.
Поскольку усиление сигнала распределено по длине световода, то излучение накачки, имеющее более высокую частоту (т. е. меньшую длину волны, например порядка 1460–1480 нм), можно периодически инжектировать в световод в направлении, противоположном направлению распространения солитонов. Длина такой линии может достигать нескольких десятков тысяч километров.
ПЧМ в начальном импульсе
Другой ограничивающий момент – наличие ПЧМ в начальном импульсе. Импульс, генерируемый лазерным источником, имеет не только форму, отличную от гиперболического секанса, но и ПЧМ. Она накладывается на ФСМ и нарушает баланс между дисперсионными и нелинейными эффектами, который необходим для существования солитонов.
В этом случае поведение импульса бывает сложным: он может сужаться в начале пути, затем уширяться и окончательно устанавливаться после прохождения некоторого расстояния, зависящего от периода солитона. При некоторых критических значениях параметров солитон может даже разрушиться (коллапсировать), поэтому частотная модуляция начального импульса должна быть сведена к минимуму.
Взаимодействие соседних солитонных импульсов
В системе связи солитонный импульс играет роль информационного импульса. При увеличении скорости передачи информации расстояние между такими импульсами, а значит, и солитонами, становится настолько малым, что нельзя избежать их взаимодействия. При малом расстоянии между ними такое взаимодействие может периодически приводить к коллапсу солитонов, что приводит к ошибкам в передаваемой информации.
Если не принимать специальных мер, то при использовании импульсов шириной 2–3 пс солитонные системы способны обеспечить передачу на скоростях порядка 40 Гбит/с (т. е. на уровне STM-256) с минимальным взаимным влиянием. За счет специальных мер, например установки определенной ненулевой относительной фазы или неравной относительной амплитуды соседних солитонов, можно довести скорость передачи до 80 Гбит/с (т. е. до уровня ОС-1536, SONET) при длине участка регенерации до 500 км. Наконец, солитоны, поляризованные в ортогональных плоскостях, обеспечивают скорость до 160 Гбит/с (т.е. на уровне STM-1024) при длине участка регенерации 225 км.
Сжатие солитонных импульсов
Одним из методов уменьшения эффекта взаимодействия солитонов и увеличения скорости солитонных систем передачи является сжатие солитонных импульсов, основанное на использовании дисперсии групповых скоростей.
Идея сжатия достаточно проста: импульс сжимается (т.е. уменьшается расстояние между его фронтом и срезом) при задержке прихода фронта и/или ускорении прихода среза импульса. Для этого, например, импульс должен быть линейно частотно модулирован. Линейная частотная модуляция (ЛЧМ) положительна, если частота линейно нарастает от фронта к срезу импульса, и отрицательна, если она линейно нарастает от среза к фронту. Для сжатия импульса с положительной ЛЧМ нужна отрицательная ДГС, а для импульса с отрицательной ЛЧМ – положительная ДГС.
Роль ЛЧМ в световодах может играть ФСМ, а водоразделом положительной и отрицательной ДГС является, как известно, длина волны нулевой дисперсии l0. В этой связи компрессоры импульсов, основанные на нелинейных эффектах, делятся на две категории:
- волоконно-решетчатые компрессоры применяются для волокна с положительной ДГС (н» < н»0);
- компрессоры, основанные на эффекте многосолитонного сжатия, используются для волокна с отрицательной ДГС (н» > н»0).
В волоконно-решетчатых компрессорах импульс сначала распространяется в световоде с положительной ДГС, приобретая ЛЧМ за счет комбинации нелинейных и дисперсионных эффектов, а затем подвергается сжатию при помощи пары дифракционных решеток, создающих отрицательную ДГС. Эти методы применяются в диапазоне малых длин волн (так называемые первое и второе спектральные окна - соответственно, 850 и 1310 нм) и не используются для сжатия солитонов, работающих в третьем спектральном окне (1550 нм).
Компрессор, основанный на эффекте многосолитонного сжатия, применяет световод с отрицательной ДГС. Его можно использовать в третьем спектральном окне. За счет эффекта фазовой самомодуляции такой световод сам действует как компрессор. Дополнительная компрессия может быть реализована для солитонов высших порядков. Она обусловлена тем, что в начальной фазе распространения солитон высшего порядка сжимается. «Отсечь» эту фазу, т.е. оставить солитон сжатым, позволяет выбор соответствующей длины отрезка начальной фазы световода. При этом коэффициент сжатия такого солитонного компрессора зависит от выбранного порядка солитона N.
Расчеты показывают, что уже выбор солитонов второго-третьего порядков обеспечивает возможность сужения импульса в 8–12 раз. Использование солитонов высших порядков, в свою очередь, определяется возможностью достижения той или иной требуемой пиковой мощности солитона, а это достаточно сложно, если учесть, что она растет пропорционально квадрату N.
В пограничной области (второе спектральное окно) возможно применение обоих методов, что позволяет получить большие (до 5 тыс.) коэффициенты сжатия и импульсы длительностью в несколько фемтосекунд (1 фс = 10-15 c).
Экспериментальные линии связи
Солитоны нашли применение по крайней мере в трех областях:
- создания солитонных лазеров;
- сжатия оптических импульсов;
- создания солитонных линий связи.
В 1983 г. Хасегава предложил схему солитонной линии связи, приведенную на рис. 4. Эта линия связи основана на топологии «точка–точка»; в ней реализована архитектура линейной последовательной цепи, состоящей из линейных сегментов световодов длиной L с ВКР-усилителями. Усиление организовано так: на концах каждого сегмента установлены направленные ответвители, через которые в линию связи (световод) в обоих направлениях вводится излучение накачки от непрерывного лазера, работающего на длине волны 1460 нм. В схеме может быть использовано одномодовое волокно – как обычное, так и со сдвигом дисперсии с эффективной площадью сердцевины 25 мкм2, работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составили 40–50 км, а общая длина линии – 600 км. Она ограничивается, в основном, случайным шумом когерентного усиления, вызывающего флуктуацию времени прихода импульса на детектор (эффект Гордона–Хауса).
 |
| Рис. 4. Схема солитонной линии связи с ВКР-усилителями |
Серьезным стимулом к созданию новых экспериментальных солитонных линий связи стало появление в 1989 г. ОУ с диодной накачкой на основе легированного эрбием волокна (EDFA), работающего на длине волны 980 или 1480 нм. Эти ОУ относятся к классу усилителей с сосредоточенным (а не распределенным, как в усилителях на ВКР) усилением. ОУ такого типа были использованы в экспериментальной системе связи (1994 г.), рассчитанной на скорость передачи данных 80 Гбит/с по одномодовому волокну, которое работает на длине волны 1550 нм.
Реализованные значения L составили 25 км, а общая длина линии – 500 км с уровнем ошибок по битам BER=10-10 (рис. 5). Расстояние между усилителями выбиралось так, чтобы оно было больше периода солитона или сопоставимо с ним. Кроме того, использование волокна со сдвигом дисперсии позволило существенно уменьшить мощность источника, требуемую для формирования солитона. Указанная экспериментальная линия состояла из 20 линейных сегментов по 25 км каждый. Сегмент обюединял усилитель EDFA и одномодовое волокно соответствующей длины. Линия функционировала следующим образом (рис. 5).
 |
| Рис. 5. Схема солитонной линии связи на волокне, легированном эрбием: БВСС – блок выделения сигнала тактовой синхронизации, СС – сигнал тактовой синхронизации (10 ГГц) |
Генератор информационной последовательности (ГИП) на входе системы управлял импульсным источником излучения частотой 10 ГГц и – через электрический усилитель (ЭУ) – оптическим модулятором на ниобате лития. Таким образом имитировался один канал данных со скоростью 10 Гбит/с. Для получения информационной последовательности импульсов со скоростью 80 Гбит/с был использован оптический мультиплексор, реализованный в виде планарной оптической интегральной схемы, который обюединял 8 каналов на 10 Гбит/с.
Для выделения на приемном конце канала сигнала тактовой синхронизации 10 ГГц указанные блоки настраивались так, чтобы амплитуды генерируемых ими солитонов отличались друг от друга. Сформированный мультиплексором оптический сигнал, усиленный в ОУ на ОВ, легированном эрбием (EDFA), подавался с его выхода на первый линейный сегмент EDFA1-STF. Пройдя по цепочке из таких сегментов, сигнал демультиплексировался с выделением тактового сигнала синхронизации 10 ГГц, используемого в схеме детектора ошибок.
Источником излучения служил лазер, который работал на частоте 10 ГГц (период 100 пс) в режиме с активным захватом моды (M-L laser) и c кольцом ОВ, легированного эрбием (EDF), в цепи обратной связи. Лазер генерировал солитонные импульсы длительностью 2,7–3,0 пс на длине волны 1552 нм. Сигнал на выходе мультиплексора имел битовый интервал 12,5 пс, что соответствовало расстоянию между солитонами, равному примерно трем значениям ширины солитонного импульса; это позволяло избежать взаимодействия между солитонами.
Использовалось ОВ со сдвигом дисперсии, которое имело на длине волны 1552 нм дисперсию -0,19 пс/км/нм. Кодированные информационные импульсы усиливались ОУ EDFA до солитонной пиковой мощности порядка 8,2 дБм.
При демультиплексировании информационного сигнала 80 Гбит/с применялся отражатель в виде нелинейной оптической петли, нечувствительной к поляризации (PI-NOLM). Часть переданного сигнала принималась PIN-диодом для выделения сигнала таймера 10 ГГц, который затем использовался для управления лазерным диодом 1533 нм с распределенной обратной связью (DFB), генерирующим импульсы 9 пс вместо исходных. Эта импульсная последовательность применялась для управления вышеупомянутым отражателем, имевшим вид шестикилометрового отрезка ОВ, который сохранял поляризацию и вносил сдвиг дисперсии.
Указанная схема линии связи могла работать и на скорости 160 Гбит/с (эквивалент STM-1024). В таком случае битовый интервал уменьшался вдвое – до 6,25 пс, что соответствовало расстоянию между солитонами, равному примерно ширине солитонного импульса, и создавало условия для их взаимодействия. Для уменьшения битового интервала применялась ортогональная поляризация соседних солитонов, при этом была получена максимальная длина участка передачи 225 км с уровнем BER=10-10.
Перспективы внедрения солитонных линий связи
Как уже было сказано, перспективность солитонных систем и их преимущество перед обычными методами оптической передачи оценивается в соответствии с возможностями повышения скорости передачи и увеличения длины регенерационного участка. Основными препятствиями к внедрению солитонных линий являются шум когерентного усиления (эффект Гордона–Хауса), аккумуляция усиленного спонтанного излучения (ASE) и солитон–солитонные взаимодействия.
Повышение скорости передачи
Основным препятствием здесь является солитон–солитонное взаимодействие. До начала широкого внедрения систем передачи на основе мультиплексирования с разделением по длинам волн предполагалось, что на скоростях от 10 Гбит/с солитонные системы будут иметь преимущество перед обычными методами оптической передачи. Однако с 1995 г. началось бурное развитие систем волнового мультиплексирования, основанных на технологии компенсации дисперсии – специальных кабелей с ненулевой (но небольшой по величине) дисперсией (NZDSF) и достаточно плоской характеристикой дисперсионного параметра D в области 1530–1565 нм, что передвинуло этот рубеж сначала до 40 Гбит/с, затем до 80 Гбит/с, а сейчас и до 320–400 Гбит/с.
Из рассмотренного выше видно, что для длительностей импульсов источника порядка единиц пикосекунд скорость передачи данных 160 Гбит/с в одном канале является фактически предельной (скважность импульсов – примерно 2). Дальнейшее увеличение скорости возможно лишь за счет уменьшения длительности генерируемых лазерными источниками импульсов, т. е. перехода к фемтосекундному диапазону. Это увеличивает скважность импульсов (при сохранении периода генерации импульса, что важно в случаях применения прежних типов лазеров) и уменьшает взаимодействие солитонов.
Для уменьшения длительности импульса солитона можно использовать эффект многосолитонного сжатия. Например, уже выбор солитона второго порядка дает возможность сжать исходный импульс лазера продолжительностью в 3 пс до уровня порядка 0,4 пс (400 фс). Это позволит (даже без формирования солитонов с ортогональной поляризацией) получить удвоение скорости передачи данных (320 Гбит/с, битовый интервал 3,125 пс). Напомним, что оптические мультиплексоры (оптические интегральные схемы) способны нормально работать на таких скоростях.
Вместе с тем нужно отметить, что современный уровень развития обычных оптических систем мультиплексирования типа МРДВ позволяет даже при умеренных скоростях исходных мультиплексируемых потоков – например, 2,5 Гбит/с (STM-16) или 5 Гбит/с (ОС-96) – формировать следующие агрегатные потоки: 80 или 160 Гбит/с при коэффициенте мультиплексирования н?=32, 160 или 320 Гбит/с при н?=64 и, наконец, до 400 Гбит/с при н?=80. Таким образом, применение чисто солитонных линий связи не даст выигрыша в емкости линии уже при н?=32 (по сравнению с обычными оптическими системами на основе SDH/SONET – WDM/DWDM).
Конечно, солитонные линии связи могут использовать и технику мультиплексирования WDM. Однако если учесть, что для солитонных систем требуется высокий уровень мощности генерации солитонов и высокий уровень нелинейных эффектов, то создать волокно с плоской (в широком диапазоне длин волн) дисперсионной характеристикой (а значит, и гарантировать приемлемо большой коэффициент мультиплексирования) будет, видимо, достаточно сложно. При этом можно фантазировать о создании солитонных WDM-систем с н?=32 и скоростью солитонного сигнала в одном канале 80–160 Гбит/с.
Увеличение длины регенерационного участка
Что касается перспектив увеличения длины регенерационного участка, то они значительно лучше для солитонных систем, чем для обычных оптических, – даже если учесть, что в результате последних усовершенствований удалось довести длину регенерационного участка обычных систем до 250–500 км при использовании ОУ типа EDFA.
Для синхронных солитонных систем, которые могут работать на сверхдальних расстояниях без регенераторов, только с усилителями типа EDFA, в 1991–1992 гг. была предложена технология одновременного управления солитоном во временной и частотной областях. Эта технология задействует два механизма управления:
- периодическую синхронную модуляцию (ПСМ) – для управления позицией солитона во временной области;
- узкополосный перестраиваемый полосовой фильтр (УППФ) – для управления частотным спектром.
Применяя УППФ, удалось на кольце солитонной линии связи длиной 500 км с усилителями типа EDFA, которые были расставлены через каждые 50 км, добиться прохождения солитоном 180 млн км без ошибок. Этот поразительный результат позволяет заявить, что при использовании солитонов практически не существует предела длины регенерационного участка.
Использование существующих ОВ-кабелей
Выше было отмечено, что солитон может быть сформирован только в среде с отрицательной дисперсией на длине волны генерации солитона. Это, однако, не означает, что для солитонных линий связи обязательно должны использоваться волокна с небольшой отрицательной дисперсией (например, типа NZDSF-). Солитон может распространяться и на участках с положительной дисперсией, характерных для уже существующих ВОЛС, но при этом нужно, чтобы на всей длине линии или на анализируемом участке средняя дисперсия групповых скоростей (СДГС) была отрицательной.
Так, на линии, состоящей из двух участков длиной 60 и 30 км с дисперсией -1,75 и +2,0 пс/км/нм соответственно, имеем отрицательную СДГС, равную -0,5 пс/км/нм. Это позволяет использовать данную линию для организации солитонной линии связи, если период солитона больше суммарной длины участков (90 км). Устанавливая после каждой пары таких участков усилитель, можно существенно увеличить общую длину линии связи (например, до 1170 км, как в экспериментах японского исследователя Наказава).
ОБ АВТОРЕ
С Николаем Слеповым можно связаться по электронной почте: nslepov@rst.ru.Первая коммерческая солитонная линия
Ноябрьский выпуск журнала EuroPhotonics за 1998 г. сообщил об успешно закончившихся полевых испытаниях модернизированной серийной четырехканальной дуплексной системы WDM (T31-BDS компании Pirelli), использующей оборудование SONET OC-192 (скорость передачи по дуплексному каналу – 10 Гбит/с, по одному волокну – 40 Гбит/с). Испытания проводились в Англии компаниями Pirelli и MCI. Было задействовано обычное одномодовое волокно общей протяженностью 450 км.
Модернизация заключалась в применении блока генераторов солитонных импульсов (устанавливался после блока передатчиков OC-192), конвертеров линейного кода RZ/NRZ (устанавливались перед приемниками OC-192) и вставок волокна, компенсирующего дисперсию (DCF) на оконечных и пяти транзитных узловых станциях. Модернизированная система позволяет не использовать регенераторы или линейные усилители на участках с обычным волокном длиной до 92 км. При этом она демонстрирует устойчивость работы и высокое качество принимаемого сигнала. На той же линии при использовании одноканального незащищенного (с одним кольцом) режима удалось продемонстрировать устойчивую работу указанной системы в сети с обычным волокном длиной 900 км.
Кажется, мечты о солитонных сетях связи начинают сбываться!
Использование сокращений
Английские
ASE – Amplified Spontaneous Emission (усиленное спонтанное излучение)
BER – Bit Error Ratio (коэффициент ошибок по битам)
DCF – Dispersion Compensating Fiber (волокно, компенсирующее дисперсию)
DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing (плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн)
EDF – Erbium-Dopped Fiber (волокно, легированное эрбием)
EDFA – Erbium-Dopped Fiber Amplifier (оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием)
NRZ – Non Return to Zero (линейный код без возвращения к нулю)
OC-nn – Optical Carrier nn (оптическая несущая уровня nn)
PDH – Plesiochronous Digital Hierarchy (плезиохронная цифровая иерархия)
RZ – Return to Zero (линейный код с возвращением к нулю)
SDH – Synchronous Digital Hierarchy (синхронная цифровая иерархия)
SONET – Synchronous Optical Network (синхронная оптическая сеть (американский вариант синхронной цифровой иерархии))
STF – Soliton Transmission Fiber (ОВ для передачи солитона)
STM – Synchronous Transport Module (синхронный транспортный модуль (основной элемент структуры мультиплексирования SDH))
WDM – Wavelength Division Multiplexing (мультиплексирование с разделением по длинам волн)
Русские
БВСС – блок выделения сигнала синхронизации
ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние
ВРМБ – вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна
ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи
ГИП – генератор информационной последовательности
ДГС – дисперсия групповых скоростей
ИКМ – импульсно-кодовая модуляция
ЛЧМ – линейная частотная модуляция
ОВ – оптическое волокно
ОУ – оптический усилитель
ПСМ – периодическая синхронная модуляция
ПЧМ – паразитная частотная модуляция
СДГС – средняя дисперсия групповых скоростей
УППФ – узкополосный перестраиваемый полосовой фильтр
ФКМ – фазовая кросс-модуляция
ФСМ – фазовая самомодуляция
ЭУ – электрический усилитель (EA)