Рис. 4. Схема солитонной линии связи с ВКР-усилителям

Экспериментальные линии 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).

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 объединял усилитель EDFA и одномодовое волокно соответствующей длины. Линия функционировала следующим образом (рис. 5).

Читать далее »

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 5•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).

Некоторые нелинейные эффекты можно использовать, например, для усиления оптических волн, для создания новой сущности — оптического солитона, для увеличения дальности неискаженного распространения светового импульса. Ниже мы кратко опишем только первые два явления, поскольку именно они существенны для понимания обсуждаемых нами вопросов.

Читать далее »

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.

Читать далее »