Фотон-Экспресс 24, январь 2002 г.

Эволюция волоконно-оптических систем и технологий

Обзор по материалам международной конференции по волоконно-оптической связи OFC'2001, Анахайм (Калифорния, США), 17­22 марта 2001 г.

По мнению организаторов OFC'2001 и докладчиков, выступавших на пленарном заседании, конференция и сопутствовавшая ей выставка представляли собой смотр последних достижений в области разработок волоконно-оптических технологий и их применений в различных телекоммуникационных системах. Подтверждением этого явился огромный интерес к ней со стороны широких кругов специалистов и бизнесменов, работающих в области высоких технологий. Число непосредственных участников конференции по сравнению с предыдущей OFC'2000 возросло более чем в 2 раза, общее число участников конференции и посетителей выставки за время их работы превысило 38000 человек. Был существенно расширен круг обсуждаемых на конференции проблем, которые включали все вопросы от элементной базы до новых принципов построения различных волоконно-оптических систем и сетей связи. Общее число докладов, представленных на конференции, превысило 900. Доклады были сгруппированы по следующим основным направлениям:

• волоконно-оптические сети и системы связи и передачи информации,
• вопросы распространения света в оптических волокнах, новые типы оптических волокон, волоконно-оптические усилители,
• оптоэлектронные устройства: фотоприемники и источники излучения, приемные и передающие модули,
• волоконные и волноводные компоненты для DWDM-систем: мультиплексоры, демультиплексоры, устройства микрооптики,
• цифровые волоконно-оптические системы и методы обработки и передачи информации,
• состояние элементной базы волоконно-оптических сетей, аналоговые волоконно-оптические системы,
• вопросы разработки и создания следующего поколения магистральных сетей и сетей доступа, проблемы полностью оптических сетей,
• проблемы коммутации, маршрутизации, синхронизации и доступа в волоконно-оптических сетях и системах,
• бизнес и коммерция в области телекоммуникаций и высоких технологий.

В свою очередь, каждое из этих направлений включало в себя большое число оригинальных докладов по вопросам волоконно-оптических технологий и их применений в области коммуникаций. В данном обзоре мы остановимся на основных, наиболее интересных, на наш взгляд, сообщениях и результатах.

Одной из основных проблем исследований и разработок, обсуждавшихся на конференции, являлась проблема дальнейшего развития локальных сетей и систем на основе волоконно-оптических технологий и создания в конечном счете полностью оптических сетей и систем. Так или иначе эта проблема обсуждалась с разных сторон примерно в 30% докладов, представленных на конференции. Большинство докладчиков связывают дальнейшее развитие широкополосных оптических систем и сетей с применением DWDM­технологий и переключателей волоконно-оптических каналов.

В докладе К. Давидсона (TYCOMLAB) “Высокоскоростные подводные WDM-системы” отмечается, что применение новых оптических технологий позволяет быстро реализовывать широкополосные коммерческие телекоммуникационные системы. Проведен анализ временного интервала от начала испытания лабораторного макета до запуска в коммерческую эксплуатацию сети за последние 12 лет. Отмечается, что этот интервал постоянно сокращается и в последние годы составил примерно 2,5 года. В 1999 году в лаборатории TYCOM показана возможность создания многоканальных трансокеанских линий, обеспечивающих терабитные скорости передачи информации. В настоящее время TYCOM планирует создание глобальной волоконно-оптической сети длиной 250000 км, соединяющей 72 основных телекоммуникационных центра мира. На начальном этапе будет создана трансатлантическая линия, обеспечивающая передачу 64 спектрально мультиплексируемых WDM­каналов с пропускной способностью 10 Гбит/с каждого из четырех задействованных оптических волокон прокладываемого кабеля. Таким образом, общая информационная емкость этой линии составит 2,56 Тбит/с. Транстихоокеанская линия на начальном этапе будет обеспечивать передачу информации со скоростью 5,12 Тбит/с, а Европейская общерегиональная сеть — со скоростью 3,84 Тбит/с. Ввод всей глобальной сети в коммерческую эксплуатацию предполагается осуществлять поэтапно в период с 2001 по 2005 год.

В докладах, посвященных развитию локальных сетей связи, большинство докладчиков отмечало взрывной, часто непредсказуемый характер роста спроса на расширение полосы частот передаваемой информации в городских сетях. В докладе П. Гумблета (Astral Point Comm. Inc.) “Особенности применения оптических технологий в городских сетях” отмечается, что в настоящее время особенно сильное влияние на городские сети оказывает становление и развитие сети Internet. Несколько лет назад развитие Internet привело к строительству широкополосных магистральных волоконно-оптических линий и региональных сетей с применением DWDM-технологий. По мнению автора доклада и большинства других докладчиков, в ближайшие годы будет происходить модернизация старых и строительство новых городских сетей с применением самых современных волоконно-оптических технологий: DWDM-технологии оптического мультиплексирования, оптической коммутации каналов, применение новых типов оптических волокон, мультиплексоров с устройствами ввода-вывода, так как система соединения объектов связи типа “точка-точка” (Fiber Chanel) в городских сетях себя исчерпала.

Ряд докладов посвящен непосредственно разработке наиболее оптимальных и дешевых путей применения DWDM-технологий в городских локальных сетях. Здесь авторы связывают серьезные надежды с разработкой новых типов источников излучения (например, лазеров с “поверхностным” выводом излучения), а также дешевых полимерных оптических волокон, применение которых может обеспечить создание систем с параллельным обменом информацией.

В докладе представителя AT&T К. Тсе “Терабитные DWDM-системы с точки зрения поставщиков услуг связи” отмечается, что реализация терабитных систем дает возможность существенно повысить скорость обмена информацией между пользователями, что ускоряет процессы бизнеса (например, сокращает время заключения сделок и поставок), а также позволяет полностью автоматизировать процессы управления, производства и т. п. Это сразу же делает заманчивым и перспективным их применение для пользователей (крупных торговых компаний, производителей различных товаров и т. д.). При этом, однако, нужно внимательно подходить к оценке экономической стороны и степени риска, дабы не дискредитировать саму идею.

Из достижений в области повышения скорости передачи информации на большие расстояния следует отметить доклад группы японских представителей фирмы FUJITSU “Передача информации со скоростью 1,22 Тбит/с на расстояние 7221 км”. В докладе сообщается, что авторам впервые удалось технически реализовать передачу 122 оптических каналов по 10 Гбит/с каждый на расстояние 7221 км, используя спектральное мультиплексирование — DWDM. Передача осуществлялась в L-полосе спектра пропускания волокна (1569–1607 нм). Рабочая полоса частот, в которой передавался сигнал, соответствовала спектральному интервалу Dn=38,2 нм. Такая рабочая полоса была достигнута за счет применения комбинированных волоконно-оптических усилителей — распределенного рамановского и эрбиевого (DRA и EDFA), а также эквалайзеров. Передача сигнала осуществлялась по замкнутому волоконному контуру, который состоял из 6 отрезков волоконного тракта, каждый из которых имел длину 80 км и включал в себя 57 км волокна с положительной дисперсией (D+) и 23 км волокна с отрицательной дисперсией (D-), компенсатор дисперсии, 8 комбинированных оптических усилителей и эквалайзер. В качестве источников излучения в эксперименте использовали 122 лазерных диода с распределенной обратной связью, управление излучением которых осуществлялось с помощью модуляторов, выполненных на интерферометрах Маха — Цандера по интегральной технологии на основе LiNbO3.

Достаточно большое внимание на конференции было уделено новым типам оптических волокон, в частности волокнам на основе фотонных кристаллов (photonic crystal fiber) и так называемым “дырчатым” волокнам (holey fiber — HF), которые в поперечном разрезе имеют структуру, показанную на рис. 1.

Рис. 1. Стуктура “дырчатого волокна” (holey fiber)

HF представляет собой сердцевину из сплошного кварцевого стекла и оболочку из кварцевого стекла с воздушными полостями фотонного кристалла, который в среднем имеет более низкий коэффициент преломления. Волноведущие свойства HF обеспечиваются одновременно эффектом полного внутреннего отражения (как в обычном волокне) и наличием так называемых фотонных щелей, которые “разрешают” или “запрещают” распространение излучения в спектральных диапазонах, определяемых размерами полостей в структуре волокна и их количеством. В настоящее время уже разработана технология и созданы образцы таких оптических волокон. На этих образцах показано, что в HF-волокнах количество направляемых мод определяется только отношением суммарных площадей воздушных полостей и кварца в поперечном сечении волокна. Наличие полостей в волокне позволяет более чем на порядок увеличить отношение показателей преломления жила-оболочка по сравнению со стандартными волокнами. Этим в основном и определяются принципиально новые свойства, отличающие HF от обычных световодов, что дает возможность создания одномодовых HF с необычными дисперсионными свойствами на широкий диапазон спектра. HF могут иметь аномальную дисперсию в значительно более коротковолновой части спектра, причем абсолютные значения дисперсии могут превышать 103 пс/Нм • км, а зависимость дисперсии от длины волны может быть значительно более слабой.

Возможные области применения таких волокон достаточно широки: это телекоммуникационные системы, компенсаторы дисперсии в ВОЛС, волноведущие системы для передачи световых потоков высокой интенсивности, возможность реализации многожильных волокон (одна оболочка и несколько световедущих жил). В HF снижаются энергетические пороги всех нелинейных эффектов (рамановского и бриллюэновского рассеяния, четырехволнового смешения), что представляет большой интерес для создания эффективных рамановских лазеров и усилителей, оптических переключателей, генерации суперконтинуума излучения в очень широком спектральном диапазоне волн от ультрафиолетового до l=1,8 мкм (“лазер белого света”).

О свойствах и результатах исследований HF сообщалось в докладах следующих авторов и компаний: Ф. Рассел, Университет г. Бат, Англия (Ph. Russel, University of Bath, UK); А. Баркли, Технический университет Дании (A. Bjarkley, Technical University of Denmark); КОРНИНГ (CORNING, USA), КАЛТЕК (CALTECH, USA).

Серия докладов на конференции была посвящена новому направлению оптоэлектроники, которое условно можно назвать “оптическая микромеханика”. Сущность этого направления заключается в создании и применении микро-электро-механических систем (MEMS) для управления световыми потоками и каналами. MEMS представляют собой различные структуры микронных размеров (микромембраны, микроплоскости, микробалки и т. д.), которые могут приводиться в движение электрическим полем. Эти структуры уже широко используются в различных областях науки и техники, в частности в химии, в биологии, в точной механике, в авиакосмической промышленности и т. д. Производятся они из кремния методами стандартной полупроводниковой технологии.

Все выступавшие докладчики говорили о перспективности применения MEMS в волоконно-оптических системах и сетях: на их основе могут быть созданы новые типы оптических переключателей, модуляторов, аттенюаторов, эквалайзеров, мультиплексоров, устройств ввода­вывода, перестраиваемых лазерных источников излучения и других оптических элементов. По мнению одного из основоположников этого направления профессора Д. Бишопа (D. Bishop), MEMS найдут применение и будут широко использоваться в оптических сетях будущего.

В докладе А. Хуссейна (A. Hussain) “MEMS — основа для фотонных переключателей в сетях связи”, представленного фирмой OMM Inc. (США), отмечается, что MEMS обладают такими преимуществами, как: миниатюрные размеры, малая потребляемая мощность, высокая надежность. MEMS легко интегрируются с другими оптическими компонентами, технология их изготовления хорошо отработана.

Применение MEMS позволило решить проблему создания первых коммерчески доступных оптических переключателей. В настоящее время на рынке имеются переключатели 8x8, 16x16 и 32x32 канала. Ожидается появление переключателей 64x64 и 256x256 каналов, а рядом фирм уже проводятся разработки переключателей 1024x1024 канала.

В докладе представителя фирмы NORTEL NETWORKS Р. Рамасвами (R. Ramasvami) “Использование оптических переключателей в оптических сетях” отмечалось, что без создания оптических переключателей невозможно создание оптических сетей на основе WDM-технологий. В то же время практически единственным путем решения этой проблемы являются разработки и создание оптических переключателей на основе MEMS.

На конференции было сделано большое число докладов по другим фотонным компонентам для ВОЛС и системам передачи информации. Из результатов, представленных в этих докладах, на наш взгляд, нужно отметить следующие: а) разработка и создание интегральных источников излучения и приемников на скорости передачи информации до 40 Гбит/с; б) демонстрация возможности получения импульсной последовательности лазерного излучения с частотой повторения 1 ТГц; в) разработка новых полупроводниковых и волоконно-оптических лазеров, а также широкополосных рамановских и комбинированных усилителей света. Значительное внимание на конференции также было уделено методу измерения и компенсации хроматической и поляризационно-модовой дисперсии в оптических волокнах.

В целом конференция показала, что волоконно-оптические технологии успешно развиваются в мире. Это подтверждается появлением таких новых научных направлений в этой области, как фотонные кристаллы, оптическая микромеханика, а также дальнейшим совершенствованием и доработкой уже известных технологий в части источников излучения и фотоприемников, усилителей света и других фотонных компонентов.

Потапов Владимир Тимофеевич, доктор технических наук, профессор. Область научных интересов: оптоэлектроника и волоконная оптика. Имеет более 100 научных трудов. info@tkc.ru