Интервью с академиком РАН Е.М.Диановым

Сообщение №16 от Alexander 14 февраля 2002 г. 19:32
Тема: Интервью с академиком РАН Е.М.Диановым

Интервью с академиком РАН Е. М. Диановым

Автор: ЕГОР КОБЫЛКИН
Дата публикации:02.02.1998
URL статьи: http://www.computerra.ru/offline/1998/232/1049/for_print.html

2 декабря 1997 года

В Институте спектроскопии Российской Академии наук, где я работаю, раз в две недели проходит общеинститутский семинар. На этом семинаре приглашенные ученые рассказывают о своих достижениях и о состоянии дел в их областях науки. На одном из таких семинаров делал доклад академик Евгений Михайлович Дианов, директор Научного центра волоконной оптики при Институте общей физики Российской Академии наук. Он рассказывал об оптоволоконных системах передачи данных и исследованиях, проводимых его Центром в этой области. Сообщение показалось мне весьма интересным даже для людей, далеких от фундаментальной науки. И я попросил Евгения Михайловича рассказать читателям "Компьютерры" поподробнее о волоконной связи и о ситуации, сложившейся здесь на сегодняшний день. Что он любезно согласился сделать. Такова краткая предыстория этого интервью.

Е.К. Большинство людей, более или менее следящих за состоянием дел в области вычислительной техники и связи, знают, что оптоволоконные системы связи уже широко используются в мире. Не могли бы вы рассказать об истории изобретения этих технологий?

Е.М. Известно, что как только появились лазеры, одними из первых экспериментов, которые были проведены, были опыты по передаче информации с помощью лазерного излучения. Уже к тому моменту было ясно, что если вы имеете несущее излучение и модулируете его сигналом, то полоса частот получаемого излучения должна составлять около 1% от несущей частоты. И чем несущая частота выше, тем больший объем информации можно на ней передать. Еще до появления лазеров радиосвязь шла по пути повышения несущей частоты: километровые волны - ДВ и СВ , потом метровые - КВ и УКВ, - и, в конце концов, дошла до СВЧ - миллиметровый диапазон. Частота световых волн на пять порядков превышает частоту миллиметровых волн, поэтому передача информации с использованием лазерного излучения обладает громадными преимуществами.

В начале 60-х годов между зданием московского Университета и высотным зданием на Зубовской площади была построена линия, на которой исследовались возможности связи по лазерному лучу через свободную атмосферу. Эти первые опыты показали, что атмосфера не является хорошей средой для надежной связи - мешают атмосферные осадки, птицы и т. д. Стало понятно, что необходимо изолировать лазерный луч от окружающей среды. Пытались использовать конструкции из металлических труб и зеркал, построенные по принципу перископа, но они были довольно сложны и оказались непрактичными. Тогда взгляд ученых обратился к диэлектрическим волноводам, иначе называемым волоконными световодами. Это волноводы, сделанные полностью из диэлектрического материала, в которых свет может распространяться на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения на границе. Однако самые прозрачные на то время среды - стекла - имели относительно большие потери, тысячи децибел на километр. Ясно, что с такими световодами, где свет поглощается вдвое на одном метре, никакой речи о длинных линиях связи быть не могло, и, казалось, все зашло в тупик. Но в 1966 году появилась статья ученых Као и Хокхема, показавших, что стекло на самом деле - не такой уж плохой материал, и что только примеси мешают уменьшить оптические потери. Если улучшить технологию, то можно получить потери порядка двадцати децибел на километр. При таких потерях свет ослабляется лишь вдвое на расстоянии сотни метров. Это уже представляло определенный интерес. Многие фирмы стали интенсивно заниматься технологией стекла, и в 1970 году американская фирма Corning glass получила световоды с потерями 20 дБ на километр, то есть достигла тех значений, которые связисты считали достаточными для коммерческих применений. Это было большим достижением и стимулировало дальнейшие поиски. Кроме Corning glass данной проблемой занимались многие другие крупные фирмы, например, AT&T Bell labs. Велись исследования и в России, в Государственном оптический институте (ГОИ), а с 1973 года - в Академии наук СССР. Лидерство здесь принадлежало западным компаниям, но с отставанием на один-три года те же результаты получали и у нас. К 1975-76 году потери были снижены до нескольких децибел на километр. А в 1977 году были получены предельные для используемой технологии потери в 0,15 дБ на километр. Это очень маленькая величина, она определяется фундаментальными механизмами оптических потерь в стеклах. Суммарное поглощение складывается из электронного ультрафиолетового поглощения, инфракрасного поглощения, связанного с колебаниями атомов, и, наконец, из рэлеевского рассеяния на неоднородностях меньше длины волны излучения. Все эти потери являются неотъемлемыми свойствами материала. Комбинация названных эффектов и дает, собственно, величину 0,15 дБ в районе длины волны 1,5 микрон. При движении в более длинноволновую область ультрафиолетовое поглощение спадает, а инфракрасное растет, и около 1,5 мк находится минимум их суммы для кварцевого стекла.


Е.К.
Делают ли волокно из других материалов, кроме стекла?

Е.М. Стекла - это не единственный прозрачный материал в видимой и инфракрасной области, прозрачны и многие полимеры. По ним также велись исследования. Полимеры даже имеют преимущества: из них легко формировать элементы, в том числе и волоконные, они дешевле, при их изготовлении используются меньшие температуры, чем для стекла. Вообще, с полимерами легче управляться. Однако до недавнего времени оптические потери были гораздо выше, чем в стекле. Получение полимерных световодов с малыми потерями являлось большой проблемой. Только недавно, три-четыре года назад, японским специалистам удалось экспериментально получить полимерные материалы и волокна из них с потерями ниже 10 дБ/км - это очень низкие потери. Удалось за счет того, что они сдвинули полосы поглощения, связанные с колебаниями C-H (полимер в основном состоит из связей углерод-водород).

Японские ученые заменили водород на фтор и из-за увеличения эффективной массы колебательной системы поглощение сдвинулось в инфракрасную область. Таким образом им удалось получить маленькое поглощение вплоть до длин волн 1,3 мк. Это очень большой успех. В описанной работе производились исследования многомодовых волокон с достаточно большой сердцевиной, они соединяются между собой безо всяких проблем, буквально их можно резать обычным острым ножом. Длительных исследований по долговечности еще не сделано, но создается впечатление, что они достаточно долговечны, и, кроме того, из-за дешевизны их замена не связана с большими затратами. В промышленности полимерные волокна широко пока не используются. Сейчас только отрабатываются системы, через них можно передавать большие объемы информации, но, поскольку волокна многомодовые, то получается большая дисперсия и с большой скоростью на большие расстояния передавать нельзя. Реальные расстояния - порядка 100 метров, это может быть связь внутри здания, между зданиями. В общем, работы здесь еще непочатый край.

Стекла и полимеры - аморфные материалы, а бывают волокна поликристаллические, их получают с помощью выдавливания из кристаллического стерженька на специальной машине - экструдере. Поликристаллические волокна делают обычно небольшой длины - метры-десятки метров и, как правило, используют для передачи мощного лазерного излучения. Такие волокна перспективны для инфракрасного диапазона 5-10 мк, так как существуют кристаллы с малым поглощением в этой области. Стекла и полимеры сюда уже не дотягивают, а в промышленности и медицине этот диапазон очень важен, именно в нем излучают очень мощные CO2 лазеры.

Кстати говоря, стекол, из которых делают стеклянные волокна, очень много, это кварцевые стекла (из оксида кремния), фторидные стекла - фториды тяжелых металлов и халькогенидные стекла. Но, в общем, все они работают в видимом диапазоне или в ближнем ИК и в далекий ИК они доходят, скажем так, максимум до 10 микрон. Кристаллические световоды добираются дальше, до 100 микрон. Полимерные световоды - это видимый и ближний ИК-диапазон.

Е.К. Насколько высока стабильность и надежность кварцевых стеклянных волокон?

Е.М. Кварцевое стекло является очень хорошим материалом. Одна из причин, почему сейчас фторидные стекла не разрабатывают, хотя там потенциально возможны более низкие потери, состоит в том, что эти стекла более низкого качества. Менее стабильны, гигроскопичны и так далее. Кварцевое стекло - это материал, близкий к идеалу. Оно очень механически прочно, очень стабильно, может лежать десятилетиями и столетиями, и с ним ничего не происходит.

Е.К. То есть, прогнозы на сто лет - в порядке вещей?

Е.М. Да, это очень хороший материал. Есть опытные данные, они берутся из ускоренных испытаний на более высоких температурах. Потом эти данные пересчитываются на нормальные условия. Эти эксперименты позволяют утверждать, что здесь все в порядке, нет проблем.

Е.К. Сколько сейчас стоит типичное волокно?

Е.М. Современные промышленные световоды, скажем, которые выпускаются фирмой Corning Glass, стоят 5-10 центов за метр, это стандартная цена.

Типы световодов

Световоды делят на одномодовые и многомодовые. Одномодовые световоды поддерживают лишь одно пространственное распределение интенсивности электромагнитной волны, один канал передачи колебаний - одну моду. Такие волноводы используются для передачи информации, так как в них отсутствует межмодовая дисперсия - зависимость задержки распространения импульса от того, через какой канал (моду) он проходит. Соответственно, в многомодовых световодах различные задержки приводят к тому, что к приемнику импульс приходит размазанным по времени, и это ограничивает скорость и дальность передачи информации. Поэтому многомодовые волокна применяются, в основном для передачи мощности, или для связи, но на короткие расстояния. Как всегда, у медали есть две стороны. Хотя многомодовые световоды и обладают сильной межмодовой дисперсией, производить их и работать с ними намного легче, чем с одномодовыми, так как диаметр сердцевины у них гораздо больше, порядка 10-100 микрон (у одномодовых - несколько микрон).

Е.К. Для частот, на которых работает связная аппаратура, естественным образом установились стандарты, по-видимому, это как-то связано с характеристиками волокна или используемых лазеров?

Е.М. Да, так сложилось, что существует три так называемых окна прозрачности. Первые волоконные световоды и системы на их основе разрабатывались для длины волны в диапазоне 0,8-0,9 мк. Потерями в более длинноволновом диапазоне даже не интересовались. Почему? Потому что в то время уже существовали хорошие полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия с длиной волны как раз от 0,8 до 0,9 мк. На этих длинах волн потери в световодах составляли 2-3 дБ, что вообще казалось прекрасным. Потом оказалось, что диапазоны (окна) около 1,3 и 1,5 мк в стеклянных волноводах обладают большими преимуществами. На длине волны 1,3 мк хроматическая дисперсия кварцевых стекол равна нулю. А дисперсия, как известно, определяет максимальную скорость передачи информации.

Что такое дисперсия?

Дисперсия - это эффект зависимости фазовой скорости колебаний, в частности, световых, от длины волны. При этом меняется и групповая скорость. Поскольку импульс всегда имеет спектр конечной ширины (не бесконечно узкий), при прохождении через световод с дисперсией длительность импульса будет увеличиваться. Спектральные компоненты с одного края спектра отстают, а с другого опережают центральные, приходя на приемник с разной задержкой распространения. Таким образом, импульс расплывается. При передаче информация кодируется последовательностью импульсов. Чем они короче, тем большее их число (и, следовательно, больше информации) можно передать в единицу времени. Если же импульсы расплываются настолько, что приемник не может их различить, то приходится понижать плотность их следования, при этом уменьшается и пропускная способность канала.

В силу этих соображений следующим перспективным диапазоном был 1,3 мк. И многие первые системы работали именно на этой длине волны. Дальше - больше, исследования продолжались, и оказалось, что абсолютный минимум оптических потерь лежит на длине волны 1,5 мк. И постепенно, особенно для очень длинных линий, межконтинентальных, системы стали конструироваться именно на эту длину волны, поскольку позволяли передавать информацию на большие расстояния без ретрансляторов.

Е.К. Есть ли более длинноволновые окна?

Е.М. Принципиально возможно получить волокна с окнами прозрачности и в более длинноволновом диапазоне. Существуют стекла на основе фторидов тяжелых металлов - циркония, бария и так далее, которые теоретически могут иметь потери меньше чем 0,15 дБ на километр. Совершенно ясно, из-за чего здесь снижаются потери. Инфракрасное поглощение сдвинуто в более далекую инфракрасную область, так как атомы более тяжелые и соответствующие частоты более низкие. Ультрафиолетовое поглощение совпадает с длиной волны. Рэлеевское рассеяние тоже становится меньше в длинноволновом диапазоне. Поэтому самые низкие потери достигаются уже в другой области и имеют меньшую величину. Расчеты показали, что во фторидных стеклах можно получать потери порядка одной сотой дБ/км, но технология изготовления этих стекол крайне сложна. Пока еще не нашли способа их изготовления из летучих соединений. А только летучие соединения могут быть очищены до более высокой степени. Сейчас эти стекла варятся из твердых реактивов, которые засыпаются в тигель, там еще и из тигля примеси лезут… То есть получаются недостаточно чистые исходные соединения. Поэтому пока не получены - и вряд ли будут получены - очень низкие потери. Впрочем, может быть нет и необходимости их получать, поскольку потери, достигнутые в кварцевых волокнах, находятся уже на таком уровне, что становятся актуальными потери, возникающие в области стыковки, разных микроизгибов, и другие.

Е.К. А где какие длины волн используются?

Е.М. 1,5 мк - для очень длинных линий. 1,3 мк - там аппаратура чуть попроще, используются обычные волокна, - тоже применяются для систем связи большой пропускной способности. Но все-таки подводные, межконтинентальные, в основном используют 1,5 мк. Именно на этой частоте работают эрбиевые волоконные оптические усилители.

Е.К. Насколько сейчас распространены оптические линии передачи данных?

Е.М. Очень распространены. В настоящее время производится десять миллионов километров волокна в год. А уже проложено 100 млн. км, из них 40% в северной Америке. Все континенты соединены волоконно-оптическими линиями связи. Этих линий около двадцати, общая их длина примерно 300 тыс. км. Это уже показывает степень распространения.

Е.К. Защищены ли инвестиции в прокладку оптоволокна, то есть, возможна ли модернизация (увеличение пропускной способности) уже проложенных линий без замены старых или прокладки новых световодов?

Е.М. Одним из ограничивающих факторов сейчас является количество световодов в кабеле. Из финансовых соображений стараются повысить скорость передачи информации через уже проложенные световоды, а не прокладывать новые. Заменяют электронные ретрансляторы на оптические усилители, применяют метод спектрального уплотнения каналов. Такой подход широко используется, и, вообще говоря, это и есть правильный путь.

Е.К. Какая усилительная аппаратура используется обычно в световодных линиях? Используется ли электроника (гибридные линии) и насколько часто?

Е.М. До 1995 года практически все линии использовали электронные ретрансляторы. Электроника здесь очень дорога. При скоростях передачи информации в гигабиты в секунду, частоты, на которых должна работать электроника, тоже порядка гигагерц, а это уже на пределе ее возможностей.

Е.К. По существу можно сказать, что именно электроника ограничивает пропускную способность длинных оптических линий?

Е.М. Да, если вы хотите передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с, то электроника уже не работает. Но в простых линиях с небольшими скоростями использование электроники вполне оправданно, и даже удобнее.

Е.К. А чисто оптические линии существуют?

Е.М. Да, существуют чисто оптические системы связи, в основном, высокоскоростные. В них информация - свет, при распространении от исходной точки А до точки назначения Б фактически обрабатывается оптическим путем. Все ответвители, переключатели и усилители-формирователи - это оптические устройства. Тем не менее, усилители получают питание накачки в виде электроэнергии по подведенным проводам. В этом смысле эти линии - не вполне оптические. Однако в последнее время на длинных морских линиях начали использовать усилители, накачиваемые излучением лазера с берега, например, эрбиевые волоконные лазеры. Такие конструкции получаются надежнее и проще. Поглощение излучения накачки в подводящих световодах достаточно мало, поэтому с доставкой энергии проблем нет.

Е.К. Какие методы используются для увеличения пропускной способности каждого из волокон? В радиосвязи, например, применяют метод временного уплотнения. Используется ли он в оптических линиях связи?

Е.М. Временное уплотнение - это давно известный метод, в радиосвязи он себя оправдывает, им можно пользоваться вне зависимости от типа несущего сигнала, будь это радиоволна или свет. Но своего предела этот метод уже достиг. Другое дело - спектральное уплотнение каналов. При использовании в оптических системах этот метод дает громадный прирост пропускной способности канала связи.

Е.К. На чем основан метод спектрального уплотнения каналов?

Е.М. По одному волокну можно передавать гигантское количество информации. Порядок величин здесь - 1 терабит в секунду. Но на одной длине волны передавать потоки более 10 Гбит/с практически нецелесообразно. Возникают проблемы с модуляцией сигнала (опять же электроника). Значительно проще передавать 2,5 Гбит/с на одной длине волны, но использовать большое число несущих частот (длин волн). Вот такой путь. Оказывается, реально использовать порядка ста длин волн. В одном из экспериментов вводили 132 длины волны в световод и передавали по 20 Гбит/с на каждой, то есть получалось как раз 2 с лишним терабита в секунду.

В условиях эксперимента несущие частоты выбирались в рабочей области эрбиевого волоконного усилителя около длины волны 1,5 микрона. В принципе, можно использовать весь диапазон прозрачности стеклянного волокна - от 0,8 до 1,7 микрона. Будет ли это экономичеки выгодно, это вопрос второй, но принципиально пропускная способность волокна практически неограниченна.

Спектральное уплотнение каналов требует новой элементной базы. Поскольку каналы могут отличаться по длине волны всего лишь на доли нанометра, крайне важна спектральная стабильность источников. Поэтому используются либо полупроводниковые, либо волоконные лазеры, которые стабилизируются внешней волоконной дифракционной решеткой или каким-то элементом, позволяющим поддерживать стабильность.

Е.К. Каковы другие элементы технологии спектрального уплотнения?

Е.М. Проблема регенерации сигнала уже решена с помощью оптических усилителей. Оптические усилители - это очень важный компонент для спектрального уплотнения каналов, поскольку они пропускают и усиливают сразу все используемые длины волн без преобразования в электронную форму. Спектральное уплотнение каналов и оптические усилители идеально сочетаются.

Е.К. Велика ли сейчас потребность в таких скоростях передачи информации? По-видимому, телефонные каналы - далеко не главный потребитель полосы пропускания оптоволоконных линий?

Е.М. Первым применением волоконных световодов были телефонные линии, но по одному волокну можно передать более 40 тыс. телефонных разговоров, а потребности в телефонных линиях не так уж велики. Поэтому основная потребность сейчас складывается из двух факторов. Огромное количество организаций и отдельных граждан передают или получают информацию через Интернет, в 1996 году каждый месяц число абонентов Интернета увеличивалось на 20%, а трафик вырос за тот год в 8 раз. Потребность систем связи и, в частности, Интернета в повышении пропускной способности линий колоссальная. Сейчас большинство сетевых транзакций происходит в сетях, входящих в Интернет. Однако можно выделить второй важный фактор, нагружающий линии, - это экономические транзакции. В условиях рыночной экономики крайне важно очень быстро отслеживать изменения на рынках, котировки ценных бумаг, экономическую и политическую ситуацию в мире, и тому подобное.

graph

Е.К. Во всех этих потоках передаются данные, цифры. А войдут ли в наш обиход другие виды общения, например, типа виртуальной реальности?

Е.М. Раньше для обсуждения вопросов представители фирмы ехали, например, из Америки в Европу, это требует много времени и дорого. Намного проще устроить видеоконференцию. Вы сидите в Лондоне, он сидит в Нью-Йорке, а я сижу в Москве. И мы по волоконным световодам можем передавать видеоинформацию, речевую информацию и так далее. Это очень удобный и эффективный способ общения и принятия решений, но он требует гораздо большей полосы пропускания, которую может легко обеспечить оптоволоконная связь. (Одна конференция, конечно, проблемы не создаст, но если это станет распространенным средством общения, то произойдет сильное увеличение трафика. Примерный трафик одной конференции составляет 300 кбит/с.)

Е.К. Но ведь уже существуют реально работающие системы, которые позволяют устраивать видеоконференции.

Е.М. Конечно, например, в здании Президиума Академии наук сняла помещение и установила там свое оборудование канадская фирма "Нортель Технолоджи", и я совсем недавно участвовал в конференции Москва-Канада-Англия, где мы обсуждали наши проблемы. Но прежде всего, главные потребители полосы пропускания - экономика и мировая компьютерная сеть.

Е.К. А как обстоит дело сейчас?

Е.М. Волоконная связь заняла сейчас первое место среди всех остальных видов связи. Она обладает широкой полосой пропускания и очень надежна. Поэтому волокно будет все шире и шире внедряться не только в технику, не только в связь, не только в военное дело, но и в быт людей.

Е.К. То есть сейчас дело стоит за снижением цены?

Е.М. За снижением цены и увеличением промышленных мощностей. Того количества волоконных световодов, которое сейчас производят в мире, - недостаточно. Крупные фирмы стараются строить новые заводы и фабрики. Важной проблемой является нехватка германия. Волоконный световод нужно пролегировать германием, чтобы создать необходимый профиль показателя преломления. При сегодняшних объемах производства доступного германия недостаточно. Возникает задача изменения состава стекла. Мы предложили для легирования стекла использовать азот.

В Брюсселе в 1995 году специально собиралась большая семерка, чтобы снять ограничения на развитие оптоволоконной связи. Раньше иностранные фирмы не могли инвестировать в американские компании больше 20% процентов от полного объема инвестиций компании. Такой закон был принят в Америке, чтобы не потерять контроль за производством стратегически важного продукта - оптоволокна. Сейчас это ограничение снято. Вообще, многие вещи ограничивают развитие. Есть и экономические, и политические причины, но все препятствия стараются удалять или обходить, так как экономика требует все большей полосы пропускания систем связи.

Оптическая связь и радиосвязь
Радиосвязь Волоконно-оптическая связь
Спектральные характеристики
Длина волны 1 см 1 мкм
Частота несущей 3·1010Гц 3·1014Гц
Полоса частот передаваемого сигнала 30 МГц 3 ТГц
Спектральное уплотнение каналов
Полоса частот 30 ГГц 30 ТГц
Радиосвязь доступна в любом уголке Земли
Волоконно-оптическая связь защищена от несанкционированного доступа
Волоконно-оптическая связь и радиосвязь (в том числе спутниковая) дополняют друг друга

Меры государственного регулирования

Меры, предпринятые для ускорения развития передовых телекоммуникационных технологий

  1. Встреча руководителей "большой семерки" в Брюсселе в феврале 1995 года.

    Решение о создании Глобальной информационной инфраструктуры прежде всего на основе волоконно-оптических систем связи.

    Снятие ограничений, мешающих более быстрому развитию средств связи (Photonics Spectra, April 1995, p. 72).

  2. В 1996 году президент США подписал Акт о телекоммуникациях (Telecommunication Act), снимающий многие ограничения на пути развития связи (Photonics Spectra, May 1996, p. 74).
  3. Японское министерство почт и связи организовало консорциум из двенадцати компаний (NTT, NEC, IBM и др.) для ускорения разработки волоконно-оптических сетей со скоростью передачи информации около 1 Тбит/с (Photonics Spectra, April 1995, p. 41).
  4. В США в феврале 1995 года организован консорциум "Monet" (Multiwavelength optical networking) для разработки высокоскоростных систем со спектральным уплотнением каналов, куда вошли AT&T Bell Labs, Bellcore, Bell Atlantic, Bell South (Photonics Spectra, April l995, p. 32).
  5. Западноевропейские страны создали программы "RACE" и "ACT" для развития в Европе таких передовых телекоммуникационных технологий, как солитонная связь, спектральное уплотнение каналов, оптические усилители.

Е.К. Каково будущее оптоволоконных технологий передачи данных?

Е.М. Будущее прекрасное, эта область еще далека от насыщения. Возникают новые идеи, новые принципы передачи информации, новые материалы, новые конструкции.

Е.К. Еще до начала интервью вы сказали, что очень важно, чтобы о возможностях и проблемах оптоволоконной связи знали в России.

Е.М. На мой взгляд, в нашей стране нет полного понимания того, насколько важна широкополосная связь, возможность обмена информацией для экономики и так далее. Вот, говорят наши большие начальники: "У нас рыночная экономика, мы объявляем тендер, участвуйте…" Но нужна государственная поддержка, сейчас наши предприятия не способны конкурировать на равных, поэтому, конечно, в тендере побеждают иностранные компании.

Е.К. Вы считаете, что необходимо развивать отечественную промышленность?

Е.М. Да, необходимо. Нам с нашими необъятными просторами крайне важно иметь собственное производство и волоконных световодов, и систем связи на других принципах, иначе мы все время будем зависеть от Запада.



Tera age 

Автор: СЕРГЕЙ БАРИЧЕВ
Дата публикации:29.02.2000
URL статьи: http://www.computerra.ru/offline/2000/336/2952/for_print.html

Читатели "Компьютерры" уже встречались с академиком Евгением Диановым, директором Научного центра волоконной оптики при Институте общей физики РАН. На пороге нового тысячелетия мы решили продолжить наш разговор о сегодняшнем и завтрашнем дне оптоволоконных технологий.

 Евгений Михайлович, давайте начнем с самого общего вопроса. На каком этапе находятся оптоволоконные технологии и какова их роль в информационном обществе будущего?

- Если посмотреть на историю цивилизации, то во все времена в любом государстве связь была на первом месте. Человечество всегда билось над тем, как передать информацию: быстрее и больше. И в прошлом веке, и сейчас самые последние достижения науки и техники направлялись властями в две области: военное дело и связь. Поэтому системы связи всегда развивались быстрыми темпами. Но только сейчас мы подходим к такому уровню, на котором возможна передача практически неограниченных информационных потоков, и произошло это благодаря технологиям волоконно-оптической связи.

В свою очередь, сама область волоконно-оптической связи тоже вышла на качественно новый уровень. И связано это с внедрением технологий спектрального уплотнения каналов (Wavelength Division Multiplexing - WDM). Суть ее в том, что в световоде создается не один, а несколько оптических каналов, отличающихся длиной волны, по каждому из которых передается относительно небольшой поток. Раньше он составлял 2,5 Гбит/с, сейчас в одном канале передаются потоки 10 Гбит/с и более (до 100 Гбит/с). И таких каналов в оптоволоконном световоде можно "нарезать" более сотни. Таким образом, благодаря технологии спектрального уплотнения каналов мы можем говорить о переходе к терабитным системам цифровой связи (и так называемому Tera Age).

Этот качественный переход хорошо заметен тем, кто следит за развитием оптоволоконных технологий. Если еще пару лет назад о терабитных системах передачи информации говорили только как об экспериментальных, то на последних конференциях пять-семь крупнейших в этой области фирм (то есть практически все) объявили о создании своих терабитных систем.

Мало, конечно, научиться передавать такие объемы, надо уметь их хранить и обрабатывать. Таким образом, волоконно-оптические линии связи - только одна составляющая современных информационных систем.

Легко ли использовать спектральное уплотнение каналов?

- Системы спектрального уплотнения потребовали новых подходов, так как ученым и инженерам пришлось решать очень трудные задачи.

Без преувеличения сейчас главная проблема - это проблема широкополосного усиления. Протяженность участков волоконно-оптических линий составляет тысячи километров. Без использования усилителей доставить сигнал до приемника на таком расстоянии невозможно. И здесь используются оптические усилители (даже самые современные электронные усилители на таких скоростях не работают), в которых мощность сигнала повышается за счет его прохождения через специальный световод, накачиваемый лазером.

Теперь вернемся к спектральному уплотнению. Пусть у нас есть сто каналов в одном световоде. Чтобы избежать перекрестных помех, длины волн сигналов надо разнести примерно на 0,5 нм. В итоге весь сигнал займет спектр 50 нм. И во всем этом спектральном диапазоне кривая характеристики коэффициента усиления должна быть плоской. Так что сейчас нужны усилители с рабочей полосой 50 нм и более.

В используемых сегодня усилителях на основе эрбия (только этот редкоземельный металл обладает подходящей длиной волны флюоресценции) инженеры добились практически плоской кривой усиления в спектральной области. Но полоса "нормального" усиления составляет всего 30 нм, и расширить ее непосредственным образом нельзя.

Частично эту проблему решают так. Потоки информации в хорошо усиливаемых диапазонах пускают по одному каналу, а в слабо усиливаемых диапазонах - по другому, с большим коэффициентом усиления. Для усиления в последних используют специальные методы - например, большую накачиваемую мощность лазера. Таким образом удается расширить полосу усиления до 80 нм.

Вроде бы неплохо...

- Да, полоса действительно больше, но в перспективе - недостаточная. Поэтому для создания широкополосных усилителей разрабатываются принципиально иные методы. В частности, подходит хорошо известный эффект Рамана (у нас обычно используют термин комбинационное рассеивание света). Он наблюдается, если облучить светом (лазером) волоконный световод: фотон отдает часть энергии решетке и "худеет", переходя на большую длину волны. В приложении к оптическим усилителям это означает, что при накачке на одной длине волны можно усиливать сигнал практически на любой другой длине. Появляется возможность расширения спектра усиления и выхода за принципиальные ограничения эрбиевого усилителя. Опыт показывает, что с помощью эффекта Рамана можно строить оптические усилители с полосой более 100 нм.

Что касается коэффициента усиления, то у рамановских усилителей он примерно такой же, как и у эрбиевых. Правда, для этого требуется накачка лазером мощностью в десятки раз больше. Например, чтобы получить 30 дБ усиления, эрбиевому усилителю достаточно 10-20 мВт, рамановский - "требует" 1 Вт. Это очень мощные лазеры, раньше их попросту не могли создать, теперь проблема снята. И высокие требования к мощности источника - одна из причин, по которой эффект Рамана всерьез не рассматривался в оптоволоконной технологии. Хотя сам эффект хорошо изучен. Его в 1928 году независимо открыли индийский ученый Раман и советские ученые Мандельштам и Ландсберг. Наш Центр начал разрабатывать рамановские усилители много лет назад, тогда в них мало кто верил. Сейчас мир признал, что за ними будущее. Так что принципиально проблема широкополосного оптического усиления решена.

Еще раз подчеркну, что оптическое усиление - это проблема номер один. Спектральная область современных световодов, в которой возможна передача оптических сигналов с относительно низкими потерями, очень широка: 1,2-1,6 мкм. Сейчас же в основном используются только два участка спектра: в районе 1,3 и 1,55 мкм. Возможность использования всей этой области (и, соответственно, существенного увеличения пропускной способности) связана с решением проблемы широкополосного усиления.

А проблема номер два?

- Проблема номер два - это источники света, то есть лазеры. Сейчас нужны широкополосные лазеры, которые генерируют излучение на длинах волн с шагом 0,5 нм. Можно, грубо говоря, взять сто лазеров, но они должны иметь очень стабильную длину волны. Увы, у современных полупроводниковых лазеров она сильно зависит от температуры. Приходится создавать термостабилизирующие приборы, удорожающие всю систему.

Поэтому инженеры идут другим путем: используют волоконные лазеры на основе редкоземельных металлов. Например, тот же эрбий позволяет создать лазер с широкой полосой генерации. Есть и третий подход - задействование нелинейных явлений. Оказывается, если ввести в световод оптический сигнал достаточно большой мощности, то он породит очень широкую полосу вторичной генерации (за счет различных эффектов: четырехфотонное смещение, фазовая самомодуляция и другие). Образуется так называемый суперконтинуум, из которого можно с помощью фильтров "нарезать" с некоторым шагом 50-100 оптических каналов различной длины волны.

Есть, наверное, и проблемы, связанные с самими световодами?

- Безусловно. Главная из них - ограничение на мощность оптического излучения, вводимого в световод. И актуальна она стала опять же с распространением методов спектрального уплотнения каналов. Вернемся к примеру со 100-канальной системой. Если каждый из каналов требует для устойчивого приема использования сигнала мощностью 1 мВт, то всего в световод придется ввести 100 мВт. Так как световод (особенно одномодовый, с диаметром сердцевины 5-10 мкм) имеет небольшие размеры световедущей области, то интенсивность излучения (отношение мощности к площади сечения) оказывается слишком большой. Как следствие, возникают нелинейные эффекты, "портящие картину" и приводящие к перекрестным помехам.

Один из выходов - поиск таких световодов, которые при сохранении одномодовости имели бы достаточно большую площадь сечения. Для этого можно придумать более сложную структуру. Например, сердцевину сделать не в виде круга, а в виде кольца (в сечении). Одномодовость сохраняется (толщина кольца находится в пределах 5-10 мкм), но площадь световедущей области увеличивается до 80-100 кв. мкм. И сегодня разработан целый ряд других сложных структур одномодовых световодов большого диаметра; я привел только самый простой пример.

Есть еще эффект, связанный со световодами, интерес к которому возник совсем недавно. И в его исследовании наш Центр сыграл без преувеличения главную роль. Это так называемый эффект электрострикции, известный и хорошо изученный в физике. Он заключается в деформации диэлектрика, помещенного в неравномерное электрическое поле. Последнее как раз порождает силы механического напряжения.

В частности, при прохождении света волокно сжимается, как следствие - увеличивается показатель преломления. Что же получается? Мощный импульс идет по сердцевине и вызывает сжатие, акустическую волну. Следующий импульс "чувствует" это изменение, у него смещается частота, возникает эффект джиттера - смещение импульса во временной области.

Почему же раньше этот эффект не принимали в расчет?

- Эффект очень незначительный, и долгое время на него просто не обращали внимание. Изменение показателя преломления составляет всего 10-14! Но протяженность оптоволоконных линий постоянно растет. И в конце концов оказалось, что эффект электрострикции приводит к ограничению скорости передачи информации. Особенно он проявляет себя в одномодовых волокнах со сложной структурой, о которых мы только что говорили.

Заметьте, что я назвал только самые важные из тех проблем, которые постоянно приходиться решать при развитии систем связи.

Итак, сегодня в одном оптоволокне "уплотняют" порядка ста каналов. Но не так давно фирма Lucent Technologies объявила о создании систем с уплотнением более тысячи каналов. Что это: прорыв или маркетинговый ход?

- Я знаком с этой работой. Вообще говоря, уплотнить тысячу и более каналов - не проблема. Вопрос только, какие каналы уплотнять. Можно в одном канале передавать 5-10 (и даже 40) Гбит/с при расстоянии между каналами приблизительно 0,3-0,75 нм. В этом случае максимальное число каналов как раз и будет в пределах сотни.

Однако на практике возникает задача создания каналов с небольшой скоростью, но для тысячи потребителей. Как мы знаем, сегодня оптоволокно приходит в дома и офисы, буквально к каждому персональному компьютеру. Для этих целей можно создать в том же диапазоне тысячу каналов, но в каждом канале скорость передачи будет небольшая.

И хотя эксперимент Lucent на первый взгляд поражает воображение, на практике суммарная скорость передачи там не высокая. Так что никакой мистики нет.

Вернемся к оптическим волокнам. Какому типу световодов сегодня отдается предпочтение: одномодовым или градиентным (многомодовым)?

- Вопрос очень интересный. На заре оптоволоконной техники внимание обращали в основном на градиентные световоды: они имели достаточно большое сечение, что упрощало их производство, монтаж и эксплуатацию. Но потом оказалось, что одномодовые волокна значительно превосходят по характеристикам градиентные. Со временем научились выпускать относительно дешевые одномодовые световоды (сейчас они практически приблизились по цене к медным кабелям). Поэтому сильный крен был в сторону одномодовых технологий.

Сегодня же развитие оптоволоконных технологий во многом нацелено на реализацию идеи "световод в каждый дом". Здесь главная задача - обеспечить оптоволоконную линию на небольшом участке от дома до распределительной станции - это всего сотни метров. Но речь идет о массовой технологии, и здесь надо решить проблему межсоединений. Одномодовые световоды требуют совмещения с точностью до долей микрона (кстати, одномодовые волокна со сложной структурой не решают проблему). Градиентные - "прощают" погрешности на порядок больше. То есть, грубо говоря, потребителям нужны толстые волокна: их легче монтировать, они более надежны в эксплуатации.

Так что сейчас и одномодовые, и градиентные оптические волокна мирно сосуществуют. Одномодовые волокна используются в основном для магистральных коммуникаций, а градиентные - для коротких линий (в домах и офисах).

Отсюда же интерес не только к обычным кварцевым градиентным волокнам, но и к полимерным?

- Да, сейчас полимерные световоды в буквальном смысле можно обрабатывать лезвием обычной бритвы и соединять при помощи нехитрых приспособлений. Ведь их диаметр доходит до 1000 мкм. Правда, у них есть недостаток - большие оптические потери. Но сейчас научились делать градиентные полимерные световоды с очень низкими потерями, и передача потока в 1 Гбит/с на расстояние 300-500 м не составляет проблемы.

К слову, в области полимерных световодов приоритет безусловно принадлежит японцам. За счет фторирования световодов они сдвинули область поглощения в длинноволновую часть спектра. В результате теоретический минимум потерь для полимерного волокна составляет около 10 дБ/км, в реальных световодах потери, конечно, больше: до 100 дБ/км, но есть образцы с потерями всего 20-30 дБ/км.

Если вернуться к стеклянным (кварцевым) световодам, продолжают ли совершенствоваться материалы для оптического волокна?

- Разумеется. Вот, к примеру, есть такая интересная проблема. Как известно, показатели преломления в кварцевых световодах регулируются в основном путем добавления оксида германия (GeО2). Но сейчас в мире производится 60 млн. км оптического волокна в год - это колоссальный объем! Германия в ближайшем будущем может и не хватить. Ведь это рассеянный элемент, и в чистом виде он не встречается.

В то же время кварцевое стекло - это песок, его запасы огромны. И мы предложили легировать световоды азотом. В результате наш Центр разработал световод с низкими потерями, который состоит из трех самых распространенных на Земле элементов: кремния, азота, кислорода. Причем из них можно изготавливать как одномодовые, так и градиентные волокна.

Помимо этого мы возродили интерес к фосфору. Это более "капризный" элемент, его сложнее вводить в световод. Зато у него есть преимущества. Если взять спектральную характеристику пропускания световода, то в ней присутствует так называемый пик воды (1,4 мкм). До сих пор он делил полосу пропускания на области - окна прозрачности. Вспомним, что первое окно, обнаруженное в районе 0,8 мкм, обеспечивает потери в 3-5 дБ/км. По мере изучения характеристик световодов во всей спектральной области, открыли и второе окно прозрачности, в районе 1,3 мкм. Наконец, нашли и своеобразный "абсолютный минимум" - окно в районе 1,5 мкм теоретически обладает потерями в 0,16 дБ/км (в промышленном производстве - достигли уровня 0,2 дБ/км).

Итак, пик воды разделяет второе и третье окно. Избавиться от него очень сложно, ведь он обусловлен потерями на молекулах воды (точнее, ионах гидроксида). Чтобы полностью устранить попадание воды в световоды, нужно на порядок повысить чистоту производства. Ведь в нем используются кислород, хлориды, опорные кварцевые трубки; все они содержат воду, от нее никуда не деться. (В 1998 году Lucent одной из первых запустила такие световоды в промышленное производство - под маркой AllWave. - С.Б.)

Наши исследования показали следующее: если ввести в кварцевое стекло фосфор (на самом деле лучше использовать оксид фосфора: P2O5), то пик воды сам собой исчезает, точнее, сдвигается в длинноволновую область. Окна прозрачности сливаются, и полоса пропускания с низкими потерями существенно расширяется.

Так что, я думаю, не за горами то время, когда будет использоваться вся полоса пропускания от 1 до 1,7 мкм.

Какова сейчас ситуация в России с точки зрения освоения и разработки оптоволоконных технологий?

- В России существует большая потребность в системах связи. Сегодня без Интернета, без коммуникаций мы жить не можем. Поэтому если не будут развиваться системы связи, то наша страна окажется в информационной изоляции.

Оптическая связь, к счастью, находит у нас применение. Но все приходится закупать за рубежом: оборудование, волоконные световоды. Во-первых, это не дешево. Во-вторых, мы обрекаем себя на отставание от Запада: самые передовые технологии нам никто никогда не отдаст. Кроме того, использование зарубежного коммуникационного оборудования облегчает промышленный шпионаж, и прецеденты, увы, уже есть. Так что связь, в том числе волоконно-оптическая, - это исключительно стратегическая область.

При всем этом нам надо охватить волоконно-оптической связью огромные российские просторы, где даже не везде есть телефонные каналы. Закупать оборудование за рубежом, на мой взгляд, нерационально. Так что надо развивать и собственное производство.

Есть ли здесь какие-то сдвиги?

- Пока нет. Только некоторые государственные органы поддерживают лабораторные исследования в области волоконной оптики, в частности, деятельность нашего Центра. Но поддержка идет, что называется, на уровне выживания. Да, появляются совместные предприятия по производству волоконно-оптической техники (в частности, кабель для компании Lucent изготавливают в Воронеже), но, как мне кажется, сотрудничество идет в невыгодном для России направлении. А для того чтобы организовать собственное промышленное производство, требуют огромные средства. Их пока не находится, но я уверен, что жизнь заставит изменить приоритеты.


Отклики на это сообщение:

а хотелось бы знать как
сейчас идут дела
в волоконной оптике
у нас и не у нас


> а хотелось бы знать как
> сейчас идут дела
> в волоконной оптике
> у нас и не у нас

А какой конкретно аспект волоконной оптики интересует (датчики, ВОЛС, источники и приёмники, изготовление волокна и т.д.)?


Извините вопрос не в тему.
Александр а вы в ИСАНЕ случайно не работаете?
Вопрос вот с чем связан можно ли в ИСАН попасть на общеинститутский семинар просто послушать? (и действет ли он до сих пор вообще?)


> Извините вопрос не в тему.
> Александр а вы в ИСАНЕ случайно не работаете?
> Вопрос вот с чем связан можно ли в ИСАН попасть на общеинститутский семинар просто послушать? (и действет ли он до сих пор вообще?)

Нет, я там не работаю...


за исключением ,быть может,процесса
изготовления и цены за метр.
физика интересна
кристаллическое оптоволокно
волокно на основе халькогенидов
оптоволоконные лазеры


Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама:
Rambler's Top100