CC BY
21
Проблемы построения новой волоконно-оптической инфраструктуры в Японии
и I
Как было сказано в предыдущей статье по данной проблеме («Век качества». 2010, №2), пропускная способность одного пучка оптического волокна, рассматриваемая как основной , показатель оптической инфраструктуры, в настоящее время
* стремительно приближается к своему пределу. Однако при
\ существующих темпах увеличения трафика по волоконнооптическим сетям в течение последующих 10 лет этот запас иссякнет. Если принять во внимание, что на разработку новой технологии с нуля требуется не менее 10 лет, то становится очевидным, что к проведению исследований по усовершенствованию волоконно-оптической инфраструктуры в Японии необходимо приступать немедленно. Это одна из сложнейших задач Японии, у которой экономический рост . базируется на развитии информационных и
| коммуникационных технологий.
_________I_____________________________________!_____
В рамках деятельности объединенной исследовательской группы EXAT (EXtremely Advanced Transmission), созданной для решения указанной проблемы, проводятся совместные работы по технологическому развитию и стандартизации, а также дискуссии относительно физических ограничений существующих технологий. Продолжается поиск новых технологий для создания прототипов волокна к 2015 г. и коммерческих образцов - к 2020 г. Группа EXAT планирует продвижение инновационных технологий с участием правительственных организаций, представителей промышленности и академических институтов. В данной статье представлена достаточно полная картина деятельности группы, а также затрагиваются темы, которые будут рассмотрены в последующих номерах журнала.
Ограничения пропускной способности волоконнооптических систем связи при использовании современных технологий
Существует три основных ограничительных фактора для пропускной способности:
^ ограничения, связанные с мощностью передачи оптического волокна (плавление волокна);
^ ограничения из-за полосы пропускания усилителя;
^ ограничения по мощности электропитания (преимущественно в подводных системах).
Базовые параметры для оптического волокна, составляющие основу современной инфраструктуры волоконнооптической связи, были разработаны более двадцати лет назад. В то время никто не мог предположить, что потребуется существенное увеличение оптической мощности, которая соответствовала бы столь значительному росту пропускной способности. С увеличением оптической мощности качество передаваемого сигнала ухудшается из-за возникновения эффекта нелинейности в оптическом волокне. Когда мощность достигает определенного уровня, происходит повреждение волокна, вызванное нагреванием (явление, получившее название «плавление волокна»). Плавление распространяется в направлении к источнику излучения и возникает вероятность повреждения не только самого волокна, но и оптического источника.
В современных наземных и подводных оптических передающих системах используется технология WDM, с помощью которой пропускная способность может быть увеличена за счет передачи сигнала на большем количестве длин волн. С использованием указанной технологии суммарная пропускная способность в расчете на одно волокно наземной волоконно-оптической системы передачи может быть увеличена
на два порядка (до 1,6 Тбит/с), а в расчете на подводный кабель волоконнооптической подводной системы передачи - на три порядка.
С увеличением пропускной способности увеличивается и мощность оптического сигнала. Распределенное Рамановское усиление, при котором оптические сигналы усиливаются распределенным образом с использованием передающего оптического волокна в качестве промежуточной среды процесса усиления, недавно было применено в ряде систем, где также использовались оптические источники накачки высокой мощности. Оптическая мощность для \ШМ-сигналов и мощность накачки при Рамановском усилении в настоящее время достигает 1,2-1,5 Вт, что является пороговым значением мощности, после которого появляется эффект плавления волокна. Это указывает на то, что границы допустимой оптической мощности неумолимо приближаются.
Учитывая сказанное выше, и принимая во внимание будущие достижения в технике модуляции и в области шумовых характеристик оптических повторителей, было расчетным путем показано, что максимальная пропускная способность оптического волокна должна составить 100 Тбит/с. Это значение лишь в полтора раза выше пропускной способности, существующей в настоящее время.
34
век| КАЧЕСТВА № 4 • 2010
5
GG
ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ggg
GG
G
В существующих опорных сетях широко используются системы линейных повторителей с оптическими усилителями, полоса оптического усиления которых ограничивает суммарную пропускную способность волоконнооптических трактов сети. Сейчас эффективная полоса усиления в диапазоне 1,5 Мкм в опорных сетях доходит приблизительно до 80 нм (около 10 ТГц). Имеются ввиду: С-диапазон (1530-1565 нм) вместе с L-диапазоном (1565-1625 нм). Даже если к ним добавить неиспользуемый пока S-диапазон (1460-1530 нм), то увеличить полосу усиления можно лишь до 120 нм.
Что касается протяженных подводных систем, которые подробно рассматриваются в следующей статье журнала New Breeze, то максимальная пропускная способность в них составляет сегодня 1,28 Тбит/c (в расчете на одну оптоволоконную жилу кабеля) из-за ограничений по электрической мощности, поставляемой с земли на повторители подводных систем.
Технологии совершенствования инфраструктуры оптической связи
Группа EXAT сфокусировала свои исследования на трех технологиях, названных M-Technologies, разработкой которых занимаются три подгруппы: Новые технологии оптоволоконной передачи
В этой подгруппе занимаются изучением новых оптоволоконных линий передачи, обеспечивающих пропускную способность более 1 Рбит/с, а также технологий создания оптических соединителей, сращивания оптического волокна, монтажа кабельной проводки. Что касается новых типов оптического волокна, то в задачи группы EXAT входит изучение волокон со многими сердечниками многомодовых волокон, поддерживающих технологии SDM и MDM (мультиплексирование с пространственным разделение и мультиплексирование с модовым разделением, соответственно), а также исследование фотонного кристаллического волокна-PCF (Photonic Crystal Fiber) и волокна PBGE (Photonic Band Gap Fiber) с воздушным сердечником.
Кроме того, проводятся следующие исследования: а) механизма плавления волокна, способов приостановки распространения процесса плавления и его дистанционного обнаружения; б) технологий повышения характеристик оптического волокна, обеспечивающих возможность работы при высокой оптической мощности на входе; в) в области
надежности волоконно-оптических систем связи с оптическим сигналом высокой мощности.
Мультиплексирование и технологии соединения потоков
В этой подгруппе проводятся исследования новых технологий мультиплексирования и обработки сигналов, в частности, таких из них, как SDM (Space Division Multiplexing) и MDM (Mode Division Multiplexing), в которых используется пространственное мультиплексирование и пространственная когерентность в сочетании с обычными технологиями мультиплексирования с временным разделением каналов и волновым разделением каналов (TDM и WDM), а также архитектур оптических узлов. Что касается технологий мультиплексирования, то в дополнение к форматам многоуровневой модуляции, с помощью которых достигается наиболее высокая эффективность использования радиочастотного спектра по сравнению с сегодняшними технологиями, проводится исследование технологий передачи SDM/MDM по многомодовому волокну и волокну со многими сердечниками, а также технологии обработки MIMO. Технологии обработки оптического сигнала, такие как мультиплексирование/демультиплексирование и оптическое усиление по многим сердечникам и оптические 3Я-технологии (регенерация, переформатирование, перетаймирование), также являются предметом исследований. В стадии изучения находятся также технологии построения оптических узлов, новые многослойные архитектуры оптических узлов Exabit-ного уровня, а также технологии пространственных микросоединений, позволяющих осуществлять соединение между сердечниками оптического волокна.
Технологии создания оптических подводно-кабельных систем
Исследования в данной области проводятся с целью разработки подводных оптических систем передачи, обеспечивающих скорости передачи 100 Тбит/c по одному волокну на длине 10 тыс. км, то есть Рбит/c в расчете на весь кабель. Исследования ведутся по следующим направлениям:
^ технологии передачи/приема (технологии модуляции и демодуляции и технологии обработки сигналов); ^ технологии оптических линий передачи (оптоволокно, обеспечивающее сверхнизкие потери, низкие уровни нелинейности, а также технологии изготовления малошумя-щих оптических усилителей);
^ кабельные технологии (технологии изготовления высокопрочных мно-
гожильных кабелей с высоким уровнем защиты от воздействия давления воды);
^ технологии изготовления ретрансляторов, отличающихся компактностью, низким уровенем энергопотребления, высокой прочностью; ^ технологии прокладки подводного кабеля (кабели большого диаметра и технологии развертывания подводного кабеля при крупногабаритных ретрансляторах).
Инициатива EXAT
как национальный проект
Надвигающуюся нехватку емкости волоконно-оптической инфраструктуры уже осознают во всем мире. В Японии начато полномасштабное изучение предстоящей проблемы. Для ее решения были объединены усилия академических институтов, промышленности и правительственных организаций. Это хорошая возможность для повышения конкурентоспособности Японии на мировом телекоммуникационном рынке, а также значительный вклад страны в развитие информационных и коммуникационных технологий через использование результатов исследований, проводимых группой EXAT, и внедрение этих результатов в соответствующих отраслях.
Технические области, подпадающие под проводимые исследования, очень широки и включают в себя новые среды передачи информации и многомодовый контроль, мультиплексирование, узлы и подводные кабельные технологии. С помощью указанных ключевых технологий может быть создана надежная инфраструктура, но лишь после того, как для каждой из технологий будет завершено проведение поэтапных базовых разработок, исследований, стандартизации и коммерциализации. Учитывая, что эти ключевые технологии очень тесно связаны на различных этапах исследований и разработок, возникает необходимость в реализации общенационального проекта, который, как указывалось выше, может быть успешным только при тесной кооперации телекоммуникационных операторов, производителей оборудования, фирм-производителей оптического волокна, университетов, правительственных и других общественных организаций.
В Японии намерены ускорить проведение соответствующих исследований за счет создания группы EXAT, которая должна объединить усилия всех вышеперечисленных организаций. ■
По материалам журнала New Breeze
ПРАКТИКА
№ 4 • 2010 ВеКІ КАЧЕСТВА
35
