Часть 3. Элементная база ВОСП. Активные квантово-электронные

и волоконно-оптические элементы............................. -.............................................. 186

Глава 9. Оптические усилители............................................................................... 186

9.1. Волоконно-оптические усилители на основе активных волокон........... 186

Принципы работ ВОУ..................................................................................... 187

Характеристики эрбиевых волоконных усилителей...................................... 194

Схемы накачки эрбиевого волокна ВОУ........................................................ 197

Волоконно-оптические ВКР-усилители (рамановские усилители)............... 199

Принцип работы ВКР-усилителей.................................................................. 200

9.2. Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ)................................ 206

Принципы работы ПОУ................................................................................... 206

Глава 10. Полупроводниковые квантовые генераторы когерентного

оптического излучения (ПКГ)................................................................................. 215

10.1. Принципы работы ПКГ или ПЛ............................................................ 215

Светодиоды...................................................................................................... 216

Полупроводниковые лазеры........................................................................... 218

Полупроводниковые лазеры VCSEL.............................................................. 226

Глава 11. Оптоэлектронные устройства на основе непрямозонных

полупроводниковых структур................................................................................ 228

11.1. Зонные структуры полупроводников..................................................... 228

11.2. Фотоприемники........................................................................................ 229

11.3. Чувствительность систем ВОСП-СР....................................................... 232

11.4 Фотодетекторы, селективные подлине волны....................................... 233

11.5. Сдвоенные балансные фотодетекторы.................................................. 234

Серийные фотоприемники.............................................................................. 236

—___________________________________________________________ Содерж ание

11.6. Электроабсорбционные модуляторы света (ЕАМ)...................................                   239

11.7. Волновые конверторы на основе эффекта Келдыша—Франца............. 240
Глава 12. Пути создания оптической глобальной сети связи............................................. 241

 

12.1. Полностью оптические регенераторы..............................................                                242

12.2. Оптические затворы................................................................................................................... 245

12.3. Светоуправляемые оптические переключатели........................................                     247

12.4. Светоуправляемые бистабильные оптические устройства............................... ………248

12.5. Формирователи оптических цифровых потоков информации без использова-
ния электроники.................................................................................................................................. 250 _q

Заключение.................................................................................................. ………………………260

Список сокращений............................................................................................... ………………263

Список литературы.......................................................................................... …………………270

Предисловие

В 2001 году была издана моя книга «Современные волоконно-оптические сис­темы передачи. Аппаратура и элементы». Она быстро разошлась, но потребность в ней сохранилась, о чем свидетельствуют телефонные звонки автору с просьбой помочь приобрести книгу. Назрела необходимость в ее переиздании. Однако за истекшее с 2001 года время волоконно-оптические технологии продолжали стре­мительно развиваться, чему способствовало одновременное развитие компьютер­ных технологий и рост числа пользователей сетью интернет. Новая книга допол­нена материалами по основным протоколам передачи, используемым в оптиче­ских сетях, по отдельным вопросам тестирования систем ВОЛС.

В имеющейся литературе слабо освещены принципы работы оптических рама-новских (ВКР) усилителей. В новой книге предпринята попытка восполнить этот пробел. Рассмотрены принципы работы внешнего электроабсорбционного моду­лятора света, широко используемого в современных высокоскоростных ВОСП-СР и также слабо освещенного в опубликованных работах. Кроме того, исправлены ошибки, замеченные в первом издании.

Автор выражает искреннюю благодарность Елене Александровне Филимоно­вой за ее огромную помощь при подготовке рукописи книги.

Введение

В последние два десятилетия прошедшего и в начале текущего века происходит смена эпохи индустриально-технологического развития передовых государств эпохой информационно-технологической. Ярким проявлением этого процесса яв­ляется невиданный по скорости и результатам прогресс в создании новых методов и средств телекоммуникаций. Бурное развитие технологии производства систем и средств связи с практически неограниченной пропускной способностью и дально­стью передачи и массовое их использование по сути привели к информацион­но-технологической революции и формированию глобального информационного общества. Сегодня телекоммуникации — это одна из самых быстроразвивающихся высокотехнологических и наукоемких отраслей мировой экономики. Уровень раз­вития технологических разработок, производства и внедрения в различные сферы деятельности телекоммуникационных систем во многом формируют положитель­ный образ передового государства. Такое развитие событий стало возможным бла­годаря широкому практическому использованию достижений фундаментальных наук — прежде всего физики, химии и математики, а также компьютерных техно­логий. Создание элементной базы современных волоконно-оптических систем пе­редачи информации (ВОСП) и технологий их серийного производства основано на практическом применении таких открытий в области физики и таких разделов математики, которые еще совсем недавно считались уделом самых высших кругов «чистой науки», на практическое использование которых не надеялась не только широкая общественность, но и сами авторы этих открытий. На самом же деле оказывается, что к созданию современных телекоммуникационных систем и компьютерных технологий причастны почти все известные физики прошлого и настоящего: от Ньютона и Гюйгенса, Френеля и Декарта до большинства нобе­левских лауреатов по физике от М. Планка и А. Эйнштейна до А. М. Прохорова, Ч. Таунса, Н. Г. Басова и Ж. И. Алферова. В профессиональный лексикон спе­циалистов, работающих в области волоконно-оптической связи входят такие тер­мины, как кванты, электроны, фотоны, фононы, фермионы и бозоны, экситоны и многие другие, которые ранее в своей деятельности употребляли только профес­сиональные физики. Современные волоконно-оптические системы передачи — это концентратор практического использования самых глубинных достижений фундаментальных наук, ярчайшая демострация их практической необходимости и полезности.

Толчком к развитию оптических систем передачи информации явилось изобре­тение в 1960 году А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым (СССР) и Ч. Таунсом (США) квантового генератора оптического излучения лазеров (аббревиатура из первых букв английского названия оптических квантовых генераторов света (ОКГ) Light Amplification by the Stimulation Emission of Radiation). С1962 года началось се­рийное производство ОКГ (так в СССР назывались эти приборы до начала 70-х годов), а в 1965 году в Московскую городскую телефонную сеть была включена одна из первых в мире оптических линий связи протяженностью 4,7 км между одним из центральных узлов связи (Зубовская площадь) и зданием МГУ им. М. В. Ломоно­сова. По этой линии с помощью лазерного луча с длиной волны 0,628 мкм (крас­ный свет), распространявшегося в атмосфере (по воздуху), передавались методом И КМ 12 телефонных каналов. По существу это была первая оптическая соедини­тельная линия городской телефонной сети. Оборудование для этой линии и систеа в целом были разработаны в Центральном научно-исследовательском институте связи (ЦНИИС), в разработке и настройке которой участвовал и автор настоящих строк. К началу семидесятых годов в Советском Союзе работало несколько лазерных атмосферных линий связи: две в Москве протяженностью 5 км (скорость передачи 32 Мбит/с) и 17 км (скорость 2,048 эпохой информационно-технологической бит/с, а также в г. Куйбышеве (ныне Самара) через р. Волга, в г. Клайпеда через Куршскую косу, Ереван—Бюракан (28 км). Руководство разработками и эксплуатацией этими линиями осуществлялось также ЦННИС.

В 1970 году компанией CORNING (США) было создано оптическое волокно с малыми (по тому времени) километрическими потерями (менее 20 дБ/км на длине волны 0,85 мкм). В том же году сотрудниками Ленинградского физико-техни­ческого института под руководством Ж. И. Алферова были разработаны полупроводниковые приборы на основе двойных гетероструктур, в том числе полупроводковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. С этого момента началось быстрое развитие волоконно-оптических систем пере­дачи информации. К середине 70-х годов потери в оптических волокнах были снижены до 2,5—3 дБ/км в первом окне прозрачности (780—870 нм) оптического диапазона и в СССР, США, Японии, Англии, Франции и Германии были построены первые коммерческие волоконно-оптические системы со скоростями передачи 2, 048, 8,848 Мбит/с и 34 Мбит/с, а также системы кабельного телевидения. Эти системы работали в диапазоне 1280—1360 нм по многомодовым оптическим волокнам. Многомодовые волокна имеют весьма низкую полосу пропускания — не более 1200—1600 МГГц/км, которая уже тогда была недостаточной. Поэтому усилия исследователей были направлены на создание одномодовых оптических волокон, полоса пропускания которых на много порядков выше. В результате в конце 70-х годов были получены одномодовые волокна с коэффициентом потерь 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм (третье окно прозрачности). В этот же период были разработаны и освоены в серийном производстве полупроводниковые лазеры и фотоприемники, работающие в этом же окне прозрачности. На основе перечисленных элементов были построены магистральные ВОСП протяженностью более 1000 км при скорости передачи 155 Мбит/с. Одновременно с развитием оптических и квантовых элементов для ВОСП быстрыми темпами происходило совершенствование цифровых методов передачи информации и элементной базы для реализации этих методов. В качестве альтернативы плезиохронному методу, исчерпавшему свои возможности, был разработан метод синхронной цифровой передачи. Скорость 155 Мбит/с первая скорость, с которой началось внедрение синхронного метода временного уплотнения цифровых сигналов. Вслед за этим были достигнуты скорости передачи 622 Мбит/с, 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с.В настоящее время скорость передачи синхронным методом доведена до предельной для электроники величины 40 Гбит/с. Для перечисленных скоростей передачи между народным комитетом по электросвязи МСЭ-Т (ITU-T) была разработана следущая классификация иерархий скоростей: синхронная цифровая иерархия (СЦИ, или SDH в английском варианте) СТМ-1 (155 Мбит/с), СТМ-4 (622 Мбит/с), СТМ-16 (2,5 Гбит/с), СТМ-64 (10 Гбит/с) и СТМ-256 (40 Гбит/с). За исключением СТМ-1, все остальные уровни иерархий СЦИ предназначены для передачи только по волоконно-оптическим системам. В результате такого развития пропускная способность ВОСП увеличилась на несколько порядков. При этом многократно возросла также и дальность передачи. Благодаря резкому улучшению параметров систем передачи коренным образом выросло качество традиционных услуг связи и появились новые услуги: цифровое телевидение повышенной четкости, интерактивное кабельное ТВ, видеоконференции, передача технологической, коммерческой, банковской информации, сеть интернет, электронная почта, теле­факс, телемедицина и т. д. Рост качества и количества услуг связи сопровождается экспоненциальным возрастанием числа потребителей этих услуг абонентов. Эти факторы влекут за собой необходимость дальнейшего увеличения пропускной способности систем передачи. Повсеместное распространение этих услуг в свою очередь требует увеличения дальности передачи. Кроме того, предоставление высококачественных услуг связи постоянно растущему числу абонентов делает актуальной проблему повышения эффективности и гибкости управления сетями связи. Одним из решений этой проблемы стала разработка и внедрение асинхронного метода переноса сообщений ATM, который в последнее время получает все большее распространение как в магистральных транспортных сетях, так и в сетях доступа.

Потребность в дальнейшем наращивании пропускной способности систем пе­редачи информации стимулировала исследования в направлении поиска новых методов решения этой задачи. Одним из чрезвычайно эффективных решений поставленной задачи является увеличение пропускной способности с помощью уплотнения оптических каналов по длинам волн оптического излучения WDM (Wavelength Division Multiplexing), в российской документации ВОСП-СР. Использование этого метода позволило повысить пропускную способность волокон­но-оптических систем до величины более 10 Тбит/с, превышающую потребности сегодняшнего дня, сняв таким образом проблему на ближайшие 3—5 лет.

Для реализации метода уплотнения оптических каналов по длинам волн (или метода спектрального разделения) были разработаны такие оптические элементы, как оптические мультиплексоры и демультиплексоры, оптические фильтры, полу­проводниковые лазеры с малой шириной линии излучения на заданной длине волны, методы и средства, обеспечивающие необходимую стабильность оптиче­ской частоты, оптические усилители с широкой полосой усиления и ряд других элементов.

Как уже отмечалось, одновременно с увеличением пропускной способности, вызванной ростом количества и качества услуг связи, а также числа пользователей, происходит быстое расширение территорий, на которых проживают или расположены потребители услуг связи. По этой причине продолжала оставаться актуальной необходимость увеличения дальности передачи. В настоящее время эта задача также в значительной степени может считаться решенной благодаря внедрению оптических и квантово-оптических технологий. Решение поставленой задачи происходило по двум направлениям: были разработаны новые типы оптических волокон с затуханием, близким к теоретическому пределу, с большой эффективной площадью сечения и малым коэффициентом хроматической дис­персии; созданы и освоены в серийном производстве оптические усилители раз­личных типов, позволяющие резко повысить мощность оптических сигналов на входе линии и компенсировать потери в оптическом волокне. Созданы также эффективные компенсаторы хроматической дисперсии. Использование этих элементов позволяет увеличивать длину регенерационных участков магистральных систем передачи до 1000—1500 км. В настоящее время находится в стадии реализации проект магистральной ВОСП-СР протяженностью 28 тыс. км.

Впечатляющие результаты прогресса магистральных волоконно-оптических си­стем передачи не имели бы смысла без соответствующего развития сетей доступа различных уровней, включая абонентские участки. Сегодня наибольшие усилия исследователей и разработчиков элементов и оборудования для ВОЛС направлены на внедрение оптических технологий в оптические сети доступа. Несмотря на то что исторически городские сети доступа были первым объектом внедрения волоконно-оптических технологий, в течение довольно большого периода времени основное внимание уделялось развитию магистральных сетей связи. Вместе с тем проблема доведения оптического волокна (точнее оптического кабеля) до абонен­та, выразившаяся в концепции «волокно в дом» (FTTH) или «последняя миля», была поставлена давно, но до конца по сей день не решена. Современные сети доступа развиваются по двум направлениям: сети общего пользования и корпора­тивные сети. Необходимо отметить, что решение проблемы «волокно в дом» в настоящее время сдерживается главным образом по экономическим причинам, поскольку, если говорить о чисто технических проблемах, то их практически нет. Во всяком случае технические проблемы во многом сводятся к снижению стоимости элементной базы, оборудования и снижению стоимости работ при строительстве и настройке (инсталляции) систем доступа. На сегодняшний день значительные успехи в использовании оптических технологий наблюдаются в развитии корпора­тивных сетей доступа, что объясняется их более высокой платежной способно­стью по сравнению с абонентами сетей доступа общего пользования. В современных корпоративных сетях доступа основными протоколами, обеспечивающими необходимые услуги связи, являются Ethernet, E-mail, IP-телефония, широкополосный доступ в Internet и телефакс. Если в первых компьютерных сетях длины соединительных линий не превышали 100 м, а скорость передачи 10 Мбит/с, то всовременных компьютерных сетях (Ethernet) их длина нередко существенно больше 1000 км, а скорость передачи достигает 10 Гбит/с. Очевидно, что такие результаты могли быть достигнуты только благодаря использованию волоконно-оптичеких технологий.

Резкое повышение пропускной способности соединительных линий в корпора­тивных сетях доступа при одновременном увеличении расстояний осуществляется как путем повышения скорости электронного мультиплексирования по времени, так и использованием технологий уплотнения оптических каналов по длинам волн (WDM-wavelength division multiplexing). В отличие от магистральных систем передачи, в которых широко используется плотное спектральное мультиплексиро­вание (DWDM), в оптических сетях доступа экономически более целесообразным является применение разреженного спектрального уплотнения оптических каналов — CWDM. Применение технологий спектрального уплотнения в оптических сетях доступа не только увеличивает пропускную способность, но и повышает эф­фективность и гибкость управления. Для этого были разработаны соответствующие оптические элементы: оптические волновые коммутаторы, маршрутизаторы, волновые конверторы и другие устройства, позволяющие проводить оперативное и гибкое конфигурирование оптических сетей. Для повышения экономической эффективности городских оптических сетей доступа, в том числе абонентских участков в сетях общего пользования, активно внедряется технология PON — пассивная оптическая сеть (ПОС). Как следует из названия, ПОС состоит только из пассивных элементов: оптического кабеля вместе с соединительными муфтами от-ветвителей, разветвителей, оптических мультиплексоров и демультиплексоров, оптических фильтров, оптических изоляторов и некоторых других элементов. Все перечисленные элементы не требуют подведения к ним электрического питания и не нуждаются в обслуживании. Кроме того, в отличие от активных элементов -ла­зеров, оптических усилителей и фотоприемников, пассивные элементы, как пра­вило, отличаются более низкой стоимостью.

Для решения той же задачи снижения стоимости оптических сетей доступа вновь все шире начинают использоваться многомодовые оптические волокна. Не­смотря на то что эти волокна несколько дороже одномодовых, они позволяют использование недорогих многомодовых излучателей и фотоприемников. Кроме того, большой диаметр сердечника многомодового волокна существенно снижает допуски на оптические соединители, в результате чего значительно снижается стоимость проведения монтажных работ при прокладке оптического кабеля. Мно­гомодовые волокна в оптических сетях доступа, в частности в ПОС, используются в соединительных линиях, длина которых не превышает нескольких километров, что обычно имеет место в городских сетях. Возрождение интереса к использова­нию многомодовых волокон вызвано также тем, что в семидесятых и в середине восьмидесятых годов в городах многих стран, включая Советский Союз, было проложено большое количество оптических кабелей с многомодовыми волокнами. Как показали исследования, проведенные некоторыми компаниями, в частности Corning и Lucent Technologies, за прошедшие 20 лет параметры волокон в этих кабелях практически не изменились. Многие из них на сегодняшний день не за­гружены. Поэтому, учитывая тенденции развития сетей доступа с участками ПОС, использование ранее проложенных оптических кабелей становится весьма актуальным. Кроме многомодовых волокон, возрождается также интерес к использованию первого окна прозрачности (780—860 нм), что также связано с более низкой стоимостью излучателей и фотоприемников, работающих в указанном диапазоне длин волн. Использование оптических кабелей с многомодовыми волокнами и отмеченных выше активных элементов направлено на развитие прежде всего абонентских участков сетей общего пользования. Вместе с тем стремление к использованию новейших фотонных технологий в настоящее время концентрируется также на внедрении их как в корпоративных, так и в сетях доступа общего поль­зования.

Стремительное развитие волоконно-оптических и квантово-оптических техно­логий для ВОЛС продолжается. В последние 2—3 года для увеличения длины ре-генерационных секций магистральных ВОСП активно внедряются волоконные оптические усилители, работа которых основана на нелинейном оптическом явле­нии — вынужденном комбинационном рассеянии (в литературе на русском языке советского периода — ВКР, в зарубежной SRS — Stimulated Raman Scattering). Проводятся интенсивные исследования нового типа оптических волокон т. н. микроструктурированных волокон и фотонных кристаллов, на основе которых прогнозируется создание новых типов оптических элементов.

В настоящее время в России ведется активное строительство волоконно-опти­ческих систем передачи информации. Развиваются как магистральные ВОСП со спектральным разделением оптических каналов (ВОСП-СР), так и городские опческие сети доступа, в том числе ПОС. Быстрыми темпами растет количество пользователей сетями Internet и Ethernet. Оборудование, поступающее на эти сети, с каждым годом становится все более наукоемким и высокотехнологичным. Очевидно, что в связи с этим все более высокие требования предъявляются к специалистам, которые устанавливают, настраивают и обслуживают как оборудова­ние, так и системы в целом. В то же время в периодических изданиях уделяется недостаточно внимания, например, описанию принципов работы и устройству как отдельных волоконно-оптических элементов, так и узлов, блоков и всего обо­рудования. Это создает досадные проблемы для специалистов, работающих с этими системами и оборудованием и желающих повысить свой профессиональный уровень.

Эта книга предназначена и адресована этим людям. Она может быть также по­лезной для студентов соответствующих учебных заведений и тем, кто желает по­ближе познакомиться с технологиями волоконно-оптической связи.