CC BY
14DOI 10.24412/2308196-197
МАЛОМОДОВЫЙ РЕЖИМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ: ПРИЛОЖЕНИЯ НА СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ РАЗНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Бурдин А.В.
АО «Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова» (АО «НПО ГОИ им. С.И. Вавилова»), г. Санкт-Петербург Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
(СПбГУТ), г. Санкт-Петербург ООО «ОптоФайбер Лаб», г. Москва, ИЦ Сколково E-mail: bourdine@yandex.ru
В настоящее время оптические волокна (ОВ) находят повсеместное применение в различных областях волоконной оптики и фотоники. В этом смысле можно выделить два приоритетных направления волоконно-оптической техники, использующих «протяженные» ОВ - это, в частности, (1) линии передачи телекоммуникационных и инфокоммуникационных сетей - от трансконтинентальных магистралей сверхбольшой протяженности транспортных сетей связи нового поколения до экстремально коротких соединительных линий компактных внутриобъектовых и бортовых сетей и (2) распределенные и сосредоточенные (но интегрированные в одну ВОЛП) волоконно-оптические датчики сенсорных сетей. При этом совместное использование когерентных источников оптического излучения в сочетании с ОВ, отличающихся существенно увеличенным относительно «традиционных» телекоммуникационных одномодовых ОВ действующих рекомендаций ITU-T диаметром сердцевины, уже достаточно давно регламентировано: фактически с утверждением в 1998 г. стандарта IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet) [1] такая комбинация рассматривается как штатное коммерческое решение по реализации компактных мультигигабитных сетей передачи данных на базе многомодовых ОВ 50/125 ратифицированных категорий ISO/IEC ОМ1...ОМ5.
В отличие от традиционного многомодового режима, который достигается при равномерном распределении мощности оптического излучения с выхода источника, диаметр пятна профиля пучка которого превышает диметр сердцевины ОВ, передача оптического сигнала, возбуждаемого лазером, по ОВ с увеличенным, относительно размеров одномодовых ОВ, диаметром сердцевины осуществляется ограниченным [1] числом модовых составляющих, количество которых определяется совокупностью факторов: конструкцией / параметрами ОВ, исходным составом поперечных мод излучения лазера, условиями ввода излучения в торец ОВ, степенью и характером нерегулярности ОВ линии, включая наличие микро- и макро-изгибов ОВ, неизбежно возникающих в процессе инсталляции оптического кабеля. Таким образом, фактически можно говорить о маломодовом режиме функционирования ВОЛП.
Термин «маломодовый» достаточно широко применяется в различных областях волоконной оптики и фотоники. В работах, посвященных непосредственно волоконно-оптической технике связи, его появление можно условно датировать второй половиной 70-х гг. Так, понятие «маломодовый оптический волновод» в приложении к оптической связи впервые вводится в одноименном разделе монографии И.И. Теумина [2], опубликованной в 1978 г. В отличие от отечественных изданий, в работах зарубежных авторов указанного периода времени этот термин практически не встречается. Вышесказанное относится и к уже признанным на сегодняшний день классикам волоконно-оптической техники связи, в частности, авторам теории многомодовых оптических волноводов -Э. Маркатили, Д. Маркузе, Р. Ольшанского, К. Окамото и др. Исключением в данном случае является монография А. Снайдера и Дж. Лава [3], датированная 1983 г., в которой упоминается указанный термин - «few-mode optical waveguide».
Напротив, формулировка «маломодовый режим передачи оптического сигнала» активно использовалась в работах советских авторов в контексте телекоммуникационных «маломодовых ОВ» и «маломодовых оптических систем связи» вплоть до конца 80-х гг. Так, например, в публикации [4] Г.И. Гроднева отмечается, что режим маломодовой передачи, соответствующий маломодовым системам связи, достигается, когда рабочая длина волны источника излучения практически равна диаметру сердцевины ОВ. В опубликованной в 1986 году статье Е.М. Дианова и А.М. Прохорова [5],
196 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
посвященной 25-летию создания лазера, указывается, что «изменяя параметры световода, можно получать различные режимы распространения оптического излучения: одномодовый, маломодовый с заданным числом мод, многомодовый». В свою очередь, определение термина «маломодовые волоконные световоды» непосредственно приведено в справочном издании под редакцией Л.М.Андрушко [6]: «Иногда ВС (волоконные световоды - прим. авт.), число мод в которых не превышает ста, называют маломодовыми». Данная формулировка представляется наиболее удачной, с точки зрения применения ее для описания процессов распространения оптических сигналов, возбуждаемых лазерным источником излучения, по ОВ с увеличенным диаметром сердцевины.
В работе представлен обзор приложений маломодовых режимов функционирования ВОЛП сетей передачи данных разного назначения. Данное направление рассматривается как одно из актуальных и перспективных решений увеличения пропускной способности ВОЛП не только структурированных кабельных систем (СКС), но и, в том числе, магистральных линий транспортных сетей связи нового поколения, ориентированных на экстремально высокие скорости передачи - вплоть до Пбит/с и более, благодаря сочетанию технологий волнового и пространственного (модового) уплотнения и существенно уменьшенному влияния нелинейных эффектов, за счет большого диаметра сердцевины ОВ ВОЛП. Отдельный интерес представляют такие направления, как маломодовые многосердцевинные волоконные световоды, а также мультиплексирование на модах оптических угловых моментов (ОАМ), в том числе и в приложении к волоконно-оптическим квантовым коммуникациям и сетям 5G/6G. Отдельную группу составляю компактные многопортовые мультигигабитные сети передачи данных разного назначения - это и традиционные СКК, в том числе вычислительных центров и центров обработки данных, а также сети хранения данных, но и бортовые, промышленные / индустриальные СКС, где передача мультигигабитные скорости трафика ориентированы уже не столько на трафик, сколько на минимизацию задержки отклика манипулятора / сервопривода на команды оператора. Наконец, с точки зрения сенсорных сетей, переход к маломодовому режиму добавляет в пространство параметров новое измерение - направляемые моды определенного порядка, ограниченное число которых (от буквально двух, до нескольких десятков) непосредственно осуществляет перенос мощности сигнала по ОВ. Оптический световод в маломодовом режиме фактически является интерферометром, что позволяет рассматривать его как платформу для построения элементов с новыми уникальными свойствам и открывает дополнительные возможности разработки новых альтернативных подходов к регистрации и оцениванию внешнего воздействия и реализующих их устройств на основе маломодовых эффектов в ОВ заданной конструкции.
Представлены ранее разработанный в ПГУТИ (г. Самара) математический аппарат и на его основе - модель линейного тракта ВОЛП, функционирующей в маломодовом режиме передачи оптического сигнала, совместно учитывающей такие факторы искажения, как дифференциальная модовая задержка (ДМЗ), хроматическая дисперсия на основной и высших модах заданного порядка, нерегулярность ОВ и микро-/макро-изгибы, а также решение обратной задачи оптимизации профиля показателя преломления маломодовых ОВ с уменьшенной ДМЗ. Приведены результаты экспериментальных исследований параметров передачи пилотных образцов длин маломодовых ОВ с экстремально увеличенным диаметром сердцевины, изготовленных в лабораториях АО «НПО ГОИ им. С.И. Вавилова» (г. Санкт-Петербург) по результатам моделирования, проведенного с использованием указанных ранее разработанных методов, адаптированных и кастомизированных ООО «ОптоФайбер Лаб» (г. Москва, ИЦ Сколково) для решения частных задач дизайна маломодовых ОВ заданной конфигурации, а также нового класса маломодовых микроструктурированных ОВ различной геометрии с наведенной киральностью.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, DST, NSFC и NRF в рамках научного проекта № 19-57-80016 БРИКС_т.
Литература
1. Bottacchi S., Multi-Gigabit transmission over multimode optical fibre. Theory and design methods for 10GbE
systems. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd. (2006)
2. Теумин И.И., Волноводы оптической связи. М.: Связь (1978)
3. Snyder A., Love J. Optical waveguide theory. London: Chapman & Hall (1983)
4. Гроднев Г.И., Электросвязь 6, 20 - 22 (1981)
5. Дианов Е.М., Прохоров А.М., Успехи физических наук 148(2), 289 - 311 (1986)
6. Андрушко Л.М. и др., Справочник по волоконно-оптическим линиям связи. Киев: Тэхника (1988)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
197
