XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

ВВЕДЕНИЕ

Для начала следует проследить возникновение линий связи. Начав свое развитие с появления в 1962 г. 24-канальных систем ИКМ, цифровые сети долгое время эволюционировали исключительно как электрические. Скорости передачи в них росли постепенно и достигли 140 Мбит/с (четвертичный канал). Таким образом формировалась стандартная плезиохронная иерархия PDH, позволившая в середине 80-х гг. организовывать до 1920 стандартных телефонных каналов в одном цифровом канале связи. Дальнейшее увеличение скорости, связанное с повышением частоты передаваемого сигнала, тормозилось из-за того, что резко возрастали потери в электрическом кабеле, поскольку требовалась установка регенераторов через каждые 2–3 км.

Однако уже в начале 80-х гг. появилась новая среда передачи – оптическое волокно (ОВ). Благодаря ему удалось на порядок увеличить длину участка регенерации, и ныне ОВ стало доминирующей средой передачи. Его появление привело к бурному развитию синхронных цифровых сетей, основывающихся на технологиях SONET/SDH.

Эти технологии позволили повысить скорости передачи сначала до 622 Мбит/с, затем (с 1993 г.) до 2,5 Гбит/с, а сейчас и до 10 Гбит/с. Число телефонных каналов в одном цифровом канале доведено до 30 720, а длина регенерационного участка достигла 40–60 км.

Попытки увеличения скорости передачи до 40 Гбит/с и выше привели к технологическим сложностям. Дело в том, что нужно было удовлетворить ряд противоречивых требований к ширине (должна быть порядка 12 пс) и стабильности генерируемого одиночного импульса, а также к мощности лазерного источника, необходимой для распространения такого импульса на десятки километров. Это приводило к нелинейным эффектам в ОВ и к недопустимому уширению импульса - в связи с дисперсией в ОВ естественным (за счет рассеяния) затуханием света. Таким образом, для увеличения скорости передачи требовалось резко повысить качество ОВ.

Все это вместе взятое стало мощным стимулом для развития исследований по оптическим солитонам – световым импульсам (волнам), способным распространяться в дисперсных оптических средах на большие расстояния практически без изменения формы (уширения). Их использование позволило бы раз и навсегда решить проблему длины регенерационного участка. В начале 90-х гг. были получены феноменальные результаты, которые дали надежду на то, что скорости цифровых солитонных линий связи могут быть увеличены до 320 Гбит/с на канал, а длина регенерационного участка – до 1 тыс. км. [1]

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Открытие солитона как физического явления относится к 1834 г., когда английский инженер-судостроитель Джон Рассел случайно проследил за поведением одиночной носовой волны, возникшей в канале при внезапной остановке баржи. Оторвавшись от носа баржи, волна распространялась, не меняя скорости, высоты и формы, на несколько километров. Рассел назвал ее волной трансляции (wave of translation) и доложил о ее свойствах, изученных на основе натурного моделирования отрезка канала, на заседании Королевского Общества, которое состоялось в 1844 г. Однако результаты его исследований оказались невостребованными по крайней мере еще 50 лет. В 1895 г. датчане Кортевег и де Фриз обюяснили данный феномен, получив решение нелинейного уравнения, названного их именем. Прошло еще почти 70 лет, и в 1964 г. волновое решение уравнения Кортевега–де Фриза было названо солитонной, или одиночной, волной. Однако все эти исследования не были связаны с оптическими волнами в дисперсных средах, т.е. в средах, где фазовая скорость волны зависит от ее частоты.

В 1971 г. русские ученые Захаров и Шабат теоретически доказали существование солитонов в нелинейных дисперсных средах, решив уравнение Шредингера, описывающее распространение электромагнитной волны в такой среде. В 1973 г. американские исследователи Хасегава и Тапперт заявили о возможности использования солитонных волн в оптоволокне, а в 1980 г. коллектив исследователей Bell Laboratories во главе с Молленауэром подтвердил это экспериментальным путем. [1]

Уже в 1983 году Хасегава (Hasegawa), предложил схему солитонной линии связи, приведенную на рис.1[4]

Рис.1. Экспериментальная солитонная линия связи

Схема линии связи основана на топологии “точка-точка” и реализует архитектуру линейной последовательной цепи, состоящей из линейных сегментов световодов длиной L с ВКР-усилителями. Усиление организовано так: на концах каждого сегмента установлены направленные ответвители (НО), через которые в линию связи (световод) в обоих направлениях вводится излучение накачки от непрерывного лазера, работающего на длине волны 1460 нм. В схеме может быть использовано как обычное ОМ-волокно так и ОМ-волокно со сдвигом дисперсии работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составляли 40-50 км, а общая длина линии – 600 км. Она была ограничена в основном случайным шумом когерентного усиления, вызывающего флуктуацию времени прихода импульса на детектор (эффект Гордона-Хауса (Gordon-Haus effect)). [4]

Дадим общее определение: Солитоны — структурно устойчивые уединённые волны, распространяющаяся в нелинейной среде. [2]

А теперь дадим определение «оптическим солитонам». Это волны (или волновые пакеты) специальной формы, возбуждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной (отрицательной) дисперсии. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения формы и сохраняться при столкновениях друг с другом (т. е. восстанавливать направление движения, скорость и амплитуду, демонстрируя свойства, характерные для частиц). [1] В этом случае пиковая мощность исходного импульса должна превышать определенный порог. Оптический солитон модулирует сигнал потока цифровых данных, на приемном конце линии связи (волоконно-оптический тракт) оптический солитон преобразуется в исходный поток цифровых данных. [3]

В линии связи в качестве информационного импульса используется солитонный импульс. В случае увеличения скорости передачи информации расстояние между этими импульсами и солитонами становится настолько малым, что их взаимодействие становится неизбежным [5].

Такое взаимодействие может иногда приводить к коллапсу солитона, что нежелательно, поскольку такие ошибки могут возникать при передаче информации. Если нет специальных мер, использование импульса шириной 2-3 пс позволит подсистеме передавать со скоростью примерно 40 Гбит / с при минимальном взаимодействии. С помощью специальных мер (например, в ортогональных плоскостях поляризованных солитонов) скорость передачи может быть увеличена до 160 Гбит / с.

Недостатками методов передачи данных с использованием солитонов являются:

Слабая надежность передачи из-за возможного коллапса солитонов.

Высокие требования к волоконно-оптическим трактам: затухание на рабочей длине волны оптического излучения, хроматическая и поляризационно-модовая дисперсия;

Лимитированную скорость передаваемых данных (до 160 Гбит/с);

Возможность несанкционированного доступа к информации в виду отсутствия каких-либо средств защиты.

Необходимость увеличения полосы пропускания привела к необходимости реконструкции существующих волоконно-оптических линий с использованием солитонов, контролирующих дисперсию [6].

В соответствии со способом восстановления и увеличения пропускной способности волоконно-оптической линии связи, в линии связи обеспечивается режим распространения солитонов с управлением дисперсией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Солитоны, которые являются структурно-устойчивыми образованиями устойчивы не только к малым, но и конечным возмущениям (например, к таким, которые солитон испытывает при рассеянии на других солитонах). Это свойство солитонов делает их очень крайне востребованными в оптических волокнах. Поскольку сохранение формы солитонов обеспечивается балансом нелинейных и дисперсионных эффектов, их использование способствует улучшению работы ВОЛС.

ЛИТЕРАТУРА

Солитонные сети [Электронный ресурс] Блог / Издательство «Открытые системы». – Режим доступа к блогу: https://www.osp.ru/nets/1999/03/143996 - Загл. с экрана.

Солитон – Википедия [Электронный ресурс] Энциклопедия / Wikipedia. – Режим доступа к энциклопедии: https://ru.wikipedia.org/wiki/Солитон - Загл. с экрана.

Сазонов С.В. Об оптических солитонах различных длительностей [Электронный ресурс] Блог / Сазонов С.В. Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2008. №2. КиберЛенинка. – режим доступа к блогу: https://cyberleninka.ru/ - Загл. с экрана.

Волоконно – Оптическая техника [Электронный ресурс] Официальный сайт / Волоконно – оптические линии передачи – Режим доступа к официальному сайту: http://www.fot-company.ru/old/articles/book/4-5.html - Загл. с экрана.

Слепов Н.Н. Солитонные сети [Текс] / Н.Н. Слепов «Сети», № 03, 1999. С. 90-100

Современные методы разработки информационной безопасности ВОЛС. / [Текст] / Н.Р. Рахимов [и др.] ФГБОУ ВПО НГТУНовосибирск. Автоматика и программная инженерия. 2015, №4(14). С.85-89.

Код для цитирования: Скопировать