XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Впервые понятие солитона было введено для описания уединенных нелинейных волн, взаимодействующих как частицы. В настоящее время солитоны интересуют человека, как волны, которые могут сохранять свою форму при взаимодействиях с другими волнами. Это свойство может использоваться для передачи данных на большие расстояния без помех. Так что же такое солитон и каковы его свойства?

Солитон-это уединенная волна в средах различной физической природы, сохраняющая свою форму и скорость при распространении. От англ. Solitary – уединенная, “-он” – типичное окончание терминов подобного рода, означающие подобие частиц [1].

Изучение солитонов связано с попытками увеличения скорости передачи информации до 40Гбит/c и технологическим сложностям связанными с этим. 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 (оптическое волокно) 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 [2].

Потенциал солитонных линий связи позволял увеличить скорость до 320 Гбит/с на канал, а длина регенерационного участка – до 1 тысячи километров [3].

В 1983 г. Хасегава предложил схему солитонной линии связи. Эта линия связи основана на топологии «точка–точка»; в ней реализована архитектура линейной последовательной цепи, состоящей из линейных сегментов световодов длиной L с ВКР-усилителями. Усиление организовано так: на концах каждого сегмента установлены направленные ответвители, 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 одномодовое волокно – как обычное, так и со сдвигом дисперсии с эффективной площадью сердцевины 25 мкм², работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составили 40–50 км, а общая длина линии – 600 км. Она ограничивается, в основном, случайным шумом когерентного усиления, вызывающего флуктуацию времени прихода импульса на детектор (эффект Гордона–Хауса).

Серьезным стимулом к созданию новых экспериментальных солитонных линий связи стало появление в 1989 г. ОУ с диодной накачкой на основе легированного эрбием волокна (EDFA), работающего на длине волны 980 или 1480 нм. Эти ОУ относятся к классу усилителей с сосредоточенным (а не распределенным, как в усилителях на ВКР) усилением. ОУ такого типа были использованы в экспериментальной системе связи (1994 г.), рассчитанной на скорость передачи данных 80 Гбит/с по одномодовому волокну, которое работает на длине волны 1550 нм.

Реализованные значения L составили 25 км, а общая длина линии – 500 км с уровнем ошибок по битам BER=10^-10 . Расстояние между усилителями выбиралось так, чтобы оно было больше периода солитона или сопоставимо с ним. Кроме того, использование волокна со сдвигом дисперсии позволило существенно уменьшить мощность источника, требуемую для формирования солитона. Указанная экспериментальная линия состояла из 20 линейных сегментов по 25 км каждый. Сегмент объединял усилитель EDFA и одномодовое волокно соответствующей длины.

Генератор информационной последовательности (ГИП) на входе системы управлял импульсным источником излучения частотой 10 ГГц и – через электрический усилитель (ЭУ) – оптическим модулятором на ниобате лития. Таким образом имитировался один канал данных со скоростью 10 Гбит/с. Для получения информационной последовательности импульсов со скоростью 80 Гбит/с был использован оптический мультиплексор, реализованный в виде планарной оптической интегральной схемы, который объединял 8 каналов на 10 Гбит/с.

Для выделения на приемном конце канала сигнала тактовой синхронизации 10 ГГц указанные блоки настраивались так, чтобы амплитуды генерируемых ими солитонов отличались друг от друга. Сформированный мультиплексором оптический сигнал, усиленный в ОУ на ОВ, легированном эрбием (EDFA), подавался с его выхода на первый линейный сегмент EDFA1-STF. Пройдя по цепочке из таких сегментов, сигнал демультиплексировался с выделением тактового сигнала синхронизации 10 ГГц, используемого в схеме детектора ошибок.

Источником излучения служил лазер, который работал на частоте 10 ГГц (период 100 пс) в режиме с активным захватом моды (M-L laser) и c кольцом ОВ, легированного эрбием (EDF), в цепи обратной связи. Лазер генерировал солитонные импульсы длительностью 2,7–3,0 пс на длине волны 1552 нм. Сигнал на выходе мультиплексора имел битовый интервал 12,5 пс, что соответствовало расстоянию между солитонами, равному примерно трем значениям ширины солитонного импульса; это позволяло избежать взаимодействия между солитонами.

Использовалось ОВ со сдвигом дисперсии, которое имело на длине волны 1552 нм дисперсию -0,19 пс/км/нм. Кодированные информационные импульсы усиливались ОУ EDFA до солитонной пиковой мощности порядка 8,2 дБм.

При демультиплексировании информационного сигнала 80 Гбит/с применялся отражатель в виде нелинейной оптической петли, нечувствительной к поляризации (PI-NOLM). Часть переданного сигнала принималась PIN-диодом для выделения сигнала таймера 10 ГГц, который затем использовался для управления лазерным диодом 1533 нм с распределенной обратной связью (DFB), генерирующим импульсы 9 пс вместо исходных. Эта импульсная последовательность применялась для управления вышеупомянутым отражателем, имевшим вид шестикилометрового отрезка ОВ, который сохранял поляризацию и вносил сдвиг дисперсии.

Указанная схема линии связи могла работать и на скорости 160 Гбит/с (эквивалент STM-1024). В таком случае битовый интервал уменьшался вдвое – до 6,25 пс, что соответствовало расстоянию между солитонами, равному примерно ширине солитонного импульса, и создавало условия для их взаимодействия. Для уменьшения битового интервала применялась ортогональная поляризация соседних солитонов, при этом была получена максимальная длина участка передачи 225 км с уровнем BER=10^-10. (3)

Перспективность солитонных систем и их преимущество перед обычными методами оптической передачи, основанными, в отличие от солитонных, на устранении или уменьшении нелинейных эффектов и использующими ОВ со сдвигом дисперсии, оценивается как в направлении повышения скорости передачи, так и в направлении увеличения длины регенерационного участка. Основными препятствиями этому были: шум когерентного усиления (эффект Гордона-Хауса), аккумуляция усиленного спонтанного излучения (ASE) и солитон-солитонные взаимодействия ССВ. (4)

Литература.

1) Определение Солитона [Электронный ресурс]. - https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SOLITON.html

2) Изучение солитона [Электронный ресурс]. - https://ru.wikipedia.org/wiki/Солитон

3) Солитонновые сети связи [Электронный ресурс]. - https://www.osp.ru/nets/1999/03/143996

4) Перспективы использования солитонновых линий связи [Электронный ресурс]. - http://www.fot-company.ru/old/articles/book/4-5