Тридцать лет ВОСП. Эволюция систем передачи информации

Волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП) исполнилось 30 лет. В середине 70-х годов XX века фирма Corning освоила производство волоконных световодов с низким затуханием, появились надежные лазеры, и с этого времени началось практическое использование ВОСП, стремительное развитие волоконных систем. За 30 лет ВОСП заняли ведущую позицию в системах передачи информации, стали важнейшим звеном в информационной инфраструктуре современного общества.

История оптической связи в датах такова:

• 1790 г. — оптический телеграф во Франции;
• 1860 г. — демонстрация А.Беллом модуляции оптического сигнала зеркалом;
• 1881 г.— передача речи при помощи светового луча;
• 1970 г. — Ж. И. Алферов разработал полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре;
• 1970-1973 гг. — Corning Glass Company осваивает производство оптического волокна с затуханием меньше 20 дБ/км;
• 1973 г. — получены лазерные диоды со сроком службы 1000 часов;
• 1974 г. — разработано градиентное многомодовое волокно;
• 1975 г. — первый коммерческий полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре;
• 1976 г. — срок службы лазеров увеличен до 100000 часов (10 лет);
• 1976 г. — открыто третье окно в спектральном диапазоне работы ВОСП (l = 1,55 мкм);
• 1977 г. — срок службы лазеров увеличен до 1 млн. часов (100 лет);
• 1978 г. — тестирование ВОСП со скоростью передачи информации 32 Мбит/с, длина участка 53 км и рабочая длина волны l = 1,3 мкм;
• 1978 г. — получено затухание в оптическом волокне 0,2 дБ/км (l = 1,55 мкм);
• 1980 г. — первая коммерческая ВОСП (между Бостоном и Ричмондом — США), три рабочих длины волны, градиентное многомодовое волокно, скорость передачи информации 45 Мбит/с;
• 1980 г. — передача по волоконной линии видеосигнала с Зимней Олимпиады в Лейк Плэсиде (градиентное многомодовое волокно, l = 0,85 мкм);
• 1981 г. — получена скорость передачи сигнала 140 Мбит/с в одномодовом волокне длиной 49 км, l = 1,3 мкм. Начало работ с одномодовыми волокнами со смещенной дисперсией;
• 1982 г. — скорость передачи в одномодовом волокне достигла 400 Мбит/с (l = 1,3 мкм);
• 1987 г. — разработан эрбиевый оптический усилитель. Начало работ по ВОСП со спектральным уплотнением;
• 1988 г. — первая трансокеанская ВОСП — ТАТ-8 (одномодовые волокна, l = 1,3 мкм);
• 1993 г. — начало практического использования оптических усилителей;
• 1995 г. — начало практического использования ВОСП со спектральным уплотнением;
• 1997 г. — разработка оптических мультиплексеров адресного ввода-вывода;
• 1998-2000 гг. — создание систем плотного (DWDM) и сверхплотного (HDWDM) спектрального уплотнения;
• 1999-2000 гг. — создание оптических переключателей спектральных каналов;
• 2000 г. — использование систем „грубого“ спектрального уплотнения (CWDM);
• 2000-2002 гг. — DWDM-системы с пропускной способностью до 1,6 Тбит/с.

В начале пути на ВОСП в первую очередь возлагались надежды по решению проблемы острой нехватки полосы пропускания каналов передачи информации. В начале эры информатизации, информационные потоки бурно нарастали, а увеличение полосы пропускания систем связи в основном проходило за счет роста числа линий передачи и явным образом отставало от потребностей.

Оптический канал передачи должен был обеспечить полосу передачи более 10¹² Гц, что давало выигрыш по сравнению с существующими системами передачи не менее четырех порядков. За эти годы волоконные системы смогли реально приблизиться к предельным возможностям волокна как канала передачи информации, при этом впервые решив проблему дефицита пропускной способности каналов передачи информации: в настоящее время актуальной является задача эффективного наполнения трафиком магистральных ВОСП.

В своем развитии ВОСП прошли несколько этапов, решались фундаментальные проблемы, интенсивно развивалась наука и технология.

Большая часть проблем и одновременно основные достижения и возможности ВОСП связаны с двумя элементами систем: волоконными световодами и лазерами. В развитии оптических систем разработчики стремились реализовать два принципа: „быстрее“ и „дальше“.

В середине 70-х годов XX века появились полупроводниковые лазеры и волоконные световоды с небольшим затуханием. Первые лазеры для ВОСП имели длину волны излучения 0,85 мкм (первое окно прозрачности волокна) и невысокую эффективность; волоконные световоды были многомодовыми и имели затухание в несколько дБ/км. Поэтому ВОСП хотя и показали преимущества перед системами на медных проводах, но имели скорости и расстояния передачи далекими от ожидаемых. Увеличению скорости передачи в первых ВОСП мешала временная дисперсия прохождения оптического сигнала по волоконному тракту.

Первые волоконные световоды (многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления) из-за большой межмодовой дисперсии имели полосу пропускания не более 20 МГц х км. Эта проблема была достаточно быстро решена разработкой многомодовых волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления, которые обеспечили увеличение полосы пропускания до 160 МГц х км.

Следующим этапом развития ВОСП стало увеличение дальности передачи информации. Для этого было необходимо снизить величину затухания оптического сигнала в волоконном тракте. Разработка приемопередающей аппаратуры, работающей во втором (1,3 мкм) спектральном диапазоне (окне), позволила снизить затухание в многомодовых волокнах с 3 дБ/км (0,85 мкм) до 1 дБ/км (1,3 мкм). Одновременно у многомодовых волокон повысилась и полоса пропускания до 500 МГц х км.

Дальнейшее развитие ВОСП в направлении „быстрее и дальше“ связано с одномодовым этапом истории ВОСП. Одномодовые волокна позволили значительно повысить скорость передачи информации за счет отсутствия межмодовой дисперсии, а переход в третье спектральное окно (1,55 мкм) позволил снизить потери в одномодовых волокнах с 0,35 дБ/км (1,31 мкм) до 0,2 дБ/км (1,55 мкм).

Открывшиеся возможности по наращиванию скорости и дальности передачи информации привели к значительному прогрессу цифровых систем передачи информации (сети синхронной цифровой иерархии — SDH). Потребность в развитии таких систем была очень высокой, так как объем передаваемого трафика непрерывно увеличивался, и это стимулировало работы по дальнейшему совершенствованию ВОСП. Было показано, что увеличению скорости и дальности передачи информации в одномодовых системах препятствует хроматическая дисперсия в волокнах. Эта проблема была успешно решена при разработке оптических волокон с нулевой дисперсией в области длин волн 1,31 мкм (волокна типа G.652) и смещенной в области длин волн 1,55 мкм нулевой дисперсией (волокна типа G.653). Для увеличения дальности передачи информации стали использоваться регенераторы сигнала, которые преобразовывали оптический сигнал в электрический, восстанавливали его форму, а затем формировали оптический сигнал для дальнейшего прохождения по волоконному тракту.

Следующий этап — использование оптических усилителей (ОУ), которые позволили эффективно увеличить дальность передачи. ВОСП с оптическими усилителями и волокном G.653 обеспечивали передачу информации со скоростями до 40 Гбит/с на расстояние более ста километров.

Разработанные ОУ открыли важнейший этап в развитии волоконно-оптической связи — появились системы со спектральным уплотнением. В них используется такое свойство волоконных систем, как возможность независимой передачи информации на разных длинах волн, в разных l­каналах. Первые ВОСП со спектральным уплотнением работали в разных спектральных окнах (1,31 мкм и 1,55 мкм). Но системы со спектральным уплотнением наиболее эффективны в третьем спектральном окне (1,55 мкм), так как в этом случае один ОУ усиливает все информационные l­каналы, расположенные в окне.

Реализация уникальных возможностей таких систем (плотного спектрального уплотнения — DWDM и высокоплотного спектрального уплотнения — HDWDM), в свою очередь, потребовала решения еще одного ряда фундаментальных задач.

Во-первых, это проблема четырехволнового смешения. Наиболее эффективный путь построения ВОСП со спектральным уплотнением — увеличение числа l­каналов. При увеличении дальности передачи приходится усиливать оптические сигналы в каждом l­канале, и при большой суммарной мощности в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. Для DWDM-систем наиболее существенным является эффект четырехволнового смешения, когда в спектре сигнала появляются нежелательные составляющие, перекрестные помехи. При спектральном способе дешифрации оптических сигналов это может привести к значительным ошибкам в передаче информации. Четырехволновое смешение наиболее сильно сказывается в случае равенства скоростей распространения оптических сигналов в l­каналах. По этой причине оптические волокна со смещенной нулевой дисперсией (G.653) не используются в DWDM-системах, а для уменьшения влияния четырехволнового смешения были разработаны волокна со смещенной ненулевой дисперсией (G.655) и технология компенсации хроматической дисперсии.

Во-вторых, кроме специальных оптических волокон для DWDM-систем были разработаны высокостабильные лазеры с узкой спектральной линией, а также спектральные мультиплексоры/демультиплексоры. Этот цикл работ потребовал значительного продвижения в физике и технологии лазеров и интегрально-оптических схем.

Дальнейшее развитие ВОСП шло как по пути увеличения числа сравнительно „низкоскоростных“ (несколько Гбит/с) l­каналов в DWDM- и HDWDM-системах, так и по пути дальнейшего увеличения скорости передачи информации в информационном оптическом канале. В настоящее время серийно выпускаются системы со скоростью передачи 40 Гбит/с, ведутся эксперименты на 100 Гбит/с. Однако уже на скоростях более 10 Гбит/с появляются ограничения, связанные еще с одним видом временной дисперсии — поляризационно-модовой дисперсией (PMD). Решение этой проблемы потребовало проведения фундаментальных исследований и значительного продвижения в области технологии изготовления волоконных световодов и оптических кабелей, монтажа линии и контроля параметров тракта.

В последнее время повышенное внимание уделяется не только высокоскоростным магистральным ВОСП, но и локальным системам. Массовые локальные волоконно-оптические системы передачи должны обеспечить загруженность региональных и магистральных ВОСП, повысить эффективность волоконно-оптических сетей связи. При этом целесообразно использовать многомодовые волоконные световоды. Появление новых высокоэффективных лазеров для локальных сетей позволяет значительно повысить скорость и дальность передачи информации в ВОСП на основе многомодовых волокон. Однако при этом появляется проблема „центрального провала“ в многомодовых волокнах, связанная с несовершенством технологии изготовления заготовок для этих световодов. Значительные отклонения профиля показателя преломления от оптимального в центре волокна вызывали резкое увеличение дисперсии в случае использования современных лазеров. Эта проблема многомодового волокна была решена, что открыло новые возможности в развитии локальных ВОСП и волоконно-оптических систем в целом.

Решение фундаментальных проблем было подкреплено развитием сопутствующих технологий (см. рисунок), которые и обеспечили продвижение ВОСП к потребителям по пути „быстрее-дальше“. Наиболее существенные успехи наблюдались в технологии производства волоконных световодов и кабелей. Промышленность производит все необходимые виды оптических волокон и кабелей, обеспечивающие самые высокие параметры ВОСП. При этом рост производства оптических волокон беспрецедентен: с 6,9 млн. км в 1990 г. до 76,6 млн. км в 2000 г. — в 11 раз. Современные технологии монтажа и измерения параметров волоконного тракта полностью соответствуют высокому уровню современных ВОСП. Достаточно сказать, что сварочные аппараты, например, FSM-40S, обеспечивают эффективный монтаж волоконного тракта с потерями в месте сварки менее 0,02 дБ. Благодаря этому, а также развитию высоких технологий производства оптических передатчиков и приемников, сетевых технологий и технологий спектрального уплотнения и обеспечены высочайшие темпы развития ВОСП.

Итак, за 30 лет развития по пути повышения скорости и дальности передачи информации, благодаря решению целого ряда фундаментальных проблем, в первую очередь уменьшения дисперсии и увеличения энергетических возможностей канала передачи, разработчики ВОСП добились выдающихся успехов. Все это время непрерывно увеличивался суммарный трафик, передаваемый по волоконным сетям, снижалась стоимость передачи бита информации. Яркий пример тому — первая трансантлантическая ВОСП ТАТ-8, обеспечившая резкое увеличение передаваемой информации, стоимость телефонного канала при этом уменьшилась в сто раз: с 1 млн. долл. до 10 тыс. долл. В среднем трафик ВОСП удваивался каждые два года, при этом объемы продаж удваивались за пять лет, т.е. цена передаваемой информации постоянно и существенно снижалась.

Показано, что волоконные системы обладают практически неограниченными возможностями по наращиванию трафика и способны решить все задачи, которые ставит перед ними информационное общество.

Однако на современном этапе развития ВОСП, кроме указанных выше приоритетов, необходимо больше внимания уделять такому критерию, как эффективность. А эффективность в значительной мере зависит от загрузки каналов передачи. Если раньше спрос на полосу передачи значительно превосходил предлагаемые возможности, то в настоящее время волоконная оптика слишком сильно „ушла в отрыв“, возможности ВОСП стали опережать потребности клиентов. Да и трудно рассчитывать на такой рост трафика, который имел место в 90-х годах прошлого века. Например, с 1995 г. по 1999 г. трафик Интернета увеличился в 30 раз.

В настоящее время, хотя темпы роста снизились, ВОСП продолжают развиваться, роль волоконных систем в телекоммуникационных системах усиливается. Однако, настала пора менять приоритеты и прилагать более значительные усилия по повышению эффективности телекоммуникационных систем, поиску клиентов, формирования нового рынка услуг.