11.2. Основы солитонных линий связи

Солитоны нашли применение, по крайней мере, в трех областях:

• в области создания солитонных лазеров;

• в области сжатия оптических импульсов;

• в области создания солитонных линий связи.

Подробности использования солитонов в первой области можно найти в [168]. Использо­вание солитонов для сжатия импульсов освещено выше. В этом разделе мы остановимся более подробно на возможностях создания солитонных линий связи и перспективах их использования на практике.

В области создания солитонных линий связи за последнее время был достигнут опреде­ленный прогресс и были созданы экспериментальные образцы таких линий, см. работы [168, 172, 212]. Прогресс в создании солитонных линий связи мог бы быть, видимо, более значительным, ес­ли бы не бурное развитие систем с волновым мультиплексированием WDM.

11.2.1. Экспериментальные солитонные линии связи

Уже в 1983 г. Хасегава (Hasegawa), см. [168, с. 134], предложил схему солитонной линии связи, приведенную на рис. 11-8.

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 (см. рис. 11-8): 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 (Рг = -20 пс²/км), так и ОМ волокно со сдвигом дисперсии ф₂ ⁼ -2 пс²/км) с параметром у = 5 Вт"¹ км'¹ и эффективной площадью сердце­вины 25 мкм², 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)).

Большим толчком в создании новых экспериментальных солитонных линий связи было появление в 1989 г. ОУ с диодной накачкой, использующего ОВ, легированное эрбием (EDFA). в качестве усилительной среды и работающего на длине волны 1480 нм. Эти усилители относятся к классу усилителей с сосредоточенным (а не распределенным, как усилители на ВКР) усилением. Уже в 1993 г. появились экспериментальные линии солитонной связи, использующие эти усили­тели [212]. Одна из них была разработана компанией AT&T (США). Она использовала скорость передачи 8,2 Гбит/с, эквивалентную длину линии 4200 км, длину ОВ сегмента между усилителями 28 км, сегмент ОВ включал AT&T DSF-волокно (25 км) и AT&T О5-волокно (3 км). При этом дос­тигнутый уровень BER был не ниже 10"⁹. Схема экспериментальной линии приведена в [212], бо­лее подробно см. [211]. Другая линия связи была разработана компанией NTT (Япония). Она ис­пользовала скорость 10 Гбит/с на эквивалентной длине линии 50000 км и длину ОВ сегмента ме­жду усилителями - 50 км [212].

Усилители типа EDFA были использованы также и в экспериментальной системе связи (1994, см. [172, 188]), рассчитанной на более высокую скорость передачи данных - 80 Гбит/с и ОМ волокно, работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составляли 25 км, а об­щая длина линии - 500 км с уровнем BER=10"¹⁰ (см. рис. 11-9). При этом расстояние между усили­телями выбиралось так, чтобы оно было больше периода солитона или сравнимо с ним. Кроме то­го, использование волокна со сдвигом дисперсии (DSF) позволило существенно уменьшить мощ­ность источника, требуемую для формирования солитона.

Указанная экспериментальная линия состояла из 20 линейных сегментов длиной по 25 км каждый. Сегмент объединял усилитель EDFA и ОМ волокно соответствующей длины. Схема функционировала следующим образом.

- Генератор информационной последовательности (ГИП) на входе системы управлял импульсным источником излучения частотой 10 ГГц и (через электрический усилитель ЭУ) оптическим моду­лятором на ниобате лития (NL - LiNbO₃). Эта связка или блок были эквивалентны одному каналу данных со скоростью 10 Гбит/с. Для получения информационной последовательности импульсов

со скоростью 80 Гбит/с был использован оптический мультиплексор, реализованный в виде пла-нарной оптической ИС, обединяющий 8 таких эквивалентных канала.

• Для выделения на приеме сигнала канальной синхронизации 10 ГГц указанные блоки настраи­ вались так, чтобы амплитуды генерируемых ими солитонов отличались друг от друга (см. рис. 11-9, вид сигнала перед мультиплексором)

• Сформированный мультиплексором оптический сигнал, усиленный в ОУ EDFA, подавался с его выхода далее на первый линейный сегмент EDFA1-STF. Пройдя по цепочке из двадцати та­ ких сегментов, сигнал демультиплексировался с выделением тактового сигнала синхронизации 10 ГГц, используемого в схеме детектора ошибок.

Источником излучения служил лазер, работавший на частоте 10 ГГц (период 100 пс) в ре­жиме с активным захватом моды (ML laser) и с кольцом ОВ, легированного эрбием (EDF), в цепи обратной связи ОС. 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, это соответст­вовало расстоянию между солитонами примерно в 3 ширины солитонного импульса, что создава­ло условия для отсутствия их взаимодействия.

В качестве ОВ использовалось волокно 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 использовался рефлек­тор в виде нелинейной оптической петли, нечувствительной к поляризации (PI-NOLM). Часть пе­реданного сигнала принималась PIN-диодом для выделения сигнала таймера 10 ГГц. Этот сигнал использовался затем для управления лазерным диодом 1533 нм с распределенной обратной связью (DFB), генерирующим 9 пс импульсы вместо исходных. Эта импульсная последовательность ис­пользовалась далее для управления указанным рефлектором, сформированным в виде 6 км отрез­ка сохраняющего поляризацию ОВ со сдвигом дисперсии.

Указанная схема линии связи позволяла работать и на скорости 160 Гбит/с (эквивалент STM-1024). В этом случае битовый интервал уменьшался вдвое - 6,25 пс, что соответствовало рас­стоянию между солитонами равному примерно ширине солитонного импульса, а это уже создава­ло условия для их взаимодействия. Для его уменьшения использовалась ортогональная поляриза­ция соседних солитонов, при этом была достигнута максимальная длина участка передачи 225 км с уровнем BER=10'¹⁰ [172].