Рис. 1. Формирование солитона (а) и его спектра (б) из гауссовского импульса в среде с отрицательной ДГС

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 объяснили 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 объяснить 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 ν или длины волны λ.

Фазовая скорость обратно пропорциональна показателю преломления среды n, который, собственно, и зависит от частоты. ДГС может быть нормальной (положительной), если n увеличивается с увеличением ν или уменьшением λ, либо аномальной (отрицательной), если n уменьшается с увеличением ν или уменьшением λ. Зависимость фазовой скорости от ν или λ для нормальной и аномальной дисперсий — обратная. Для одномодового (ОМ) кварцевого волокна ДГС положительна для λ<1312 нм, отрицательна для λ>1312 нм, и является нулевой в окрестности λ=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 λ,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.

Статья была впервые опубликована на сайте xaoc.ru 5 мая 2006 г.

Источник: marsu.ru

Получайте уведомления о новых комментариях через специальный RSS фид

You can leave a response, or trackback from your own site.