Глава 12. Пути создания оптической глобальной сети связи

Общие положения

Быстрое расширение существующих и появление новых видов услуг связи, глобализация сетей и услуг сделали актуальной разработку концепции Глобальной мультимедийной информационной инфрастуктуры. Создание такой инфраструктуры требует не только резкого повышения скорости и объема передаваемой информации, но многократного увеличения скорости и объема обработки и хранения этой информации. Создающаяся планетарная информационно-мультимедийная инфрастуктура ставит задачу: с одной стороны — передать терабитные потоки информации на большие расстояния (тысячи километров) без ретрансляции, с другой — довести эту информацию до многочисленных абонентов. В настоящее время как этап на пути к созданию такой инфраструктуры поставлена задача по­строения оптических сетей следующего поколения — NGN (Next Generation Ne­tworks). Одно из требований, предъявляемых к упомянутой инфраструктуре, — интерактивность. В качестве примера одного из видов создаваемых интерактивных услуг привел в своем докладе «Цифровое интерактивное телевидение» М. И. Кривошеев на пленуме НТОРЭС им. А. С. Попова (март 2000 г.). Для успешного решения поставленной задачи требуется принципиально новый подход, заключающийся в разработке концепции фотонных систем передачи — таких систем, в которых процессы генерации и передачи на расстояние информационных оптических потоков, обработка, накопление и хранение их происходят на фотонном уровне, т. е. без участия электронных процессов (единственным видом допустимого электрического участия является электропитание постоянным током или током с частотой электрической сети исходных излучателей и вспомогательных устройств). Для этого необходимы устройства генерации импульсных цифро­вых оптических сигналов, оптические усилители, оптическая среда передачи, оп­тические коммутационные устройства, оптические процессоры и накопители, оп­тические затворы и модуляторы (все перечисленные компоненты — с оптическим управлением, т. е. с управлением оптическими же сигналами), оптические селек­тивные элементы и оптические приемники. Многие из этих устройств уже давно созданы и составляют основу современных ВОСП. Это — оптические волокна и кабели, оптические усилители, оптические компенсаторы хроматической дисперсии, оптические мультиплексоры/демультиплексоры и фильтры. Перечисленные устройства, широко применяемые уже сегодня, работают без участия электронов. Часть из них — полупроводниковые оптические усилители, компенсаторы хрома­тической дисперсии на основе дифракционных решеток Брэгга, мультиплексо-ры/демультиплексоры, фильтры, фотоприемники и излучатели — составляют основу создания интегральной оптики. Другая часть необходимых элементов фотонных сетей — оптические коммутаторы, затворы, оптические бистабильные устройства, необходимые для создания оптических процессоров, пока не вышли из стадии лабораторных исследований.

В настоящее время уже созданы полностью оптические дискретные элементы, которые начинают применяться в магистральных ВОСП-СР, в особенности в подводных системах передачи. Это такие элементы, как полностью оптические регенераторы, выделители тактовой частоты, динамические компенсаторы хроматической дисперсии. Для повышения интеллектуализации оптических сетей, включая оптические сети доступа созданы полностью оптические пакетные коммутаторы и маршрутизаторы, основой которых являются волновые конверторы. Однако для решения проблемы полной фотонизации оптических сетей связи необходимо ре­шить задачу по созданию оптических процессоров, пригодных для практического использования как по техническим параметрам, так и по стоимости. Пока эта задача не решена. Для создания полностью оптических процессоров необходима разработка таких элементов, как оптические коммутаторы, затворы, оптические бистабильные устройства (триггеры), оптические запоминающие устройства (ОЗУ). Все эти устройства должны быть оптически управляемыми. На сегодняшний день лабораторные образцы перечисленных элементов созданы, но они еще не готовы для практического использования. Ниже будут рассмотрены примеры полностью оптических ЗЯ-регенераторв, волновых конверторов, оптических затворов коммутаторов и полностью оптических бистабильных устройств с оптическим управлением.

12.1. Полностью оптические регенераторы

В современных ВОСП-СР большой протяженности (более 2000 км) возникает необходимость регенерации оптических цифровых сигналов. Это связано со снижением отношения оптического сигнала к мощности оптического шума (OSNR) ниже допустимого значения для заданного коэффициента ошибки (К_ош или BER). Это снижение OSNR обусловлено накоплением шумов в оптических промежуточ­ных усилителях, используемых в оптическом тракте для компенсации потерь мощности оптического сигнала. В одноволновых ВОСП задача решается применением обычных оптоэлектронных регенераторов. В таких регенераторах происходит преобразование оптического сигнала в электрический, обработка электрического сигнала в электронных устройствах и последующее преобразование электрического сигнала в оптический. В многоволновых ВОСП-СР использование оптико-электронных регенераторов становится неприемлемым, поскольку указанную выше операцию нужно проводить для каждого спектрального канала. В результате аппаратура промежуточных пунктов становится чрезвычайно сложной и громоздкой, а потребление электрической энергии резко возрастает. Использование в промежуточных пунктах полностью оптических регенераторов позволяет многократно снизить потребление энергии, уменьшить вес и габариты аппаратуры и повысить ее надежность. Одной из ключевых проблем при создании полностью оптических 3R-pereHepaTopoB цифровых оптических сигналов является выделение синхрочастоты (тактовой частоты) цифровых сигналов. Об успешном решении этой задачи сообщается в работах [181, 182]. На рис. 12.1 представлена фотогра­фия размещенного в одном корпусе 22-канального полностью оптического блока выделения тактовых частот каждого из каналов.

С помощью этого устройства выделяются тактовые частоты 22-х оптических цифровых сигналов. На рис. 12.2 показаны осциллограммы сигналов тактовой частоты для четвертого и седьмого спектральных каналов.

Размеры модуля 19 х 39 мм. Пространственное разделение индивидуальных каналов для последующей обработки сигналов и последующее их объединение в один оптический поток производится соответственно оптическими демультиплек

сором и мультиплексором. Полностью оптический регенератор (3R) описан также в работе [182]. Напомним, что 3R обозначает следующее: 1R (amplifi­cation — resharping) — восстановление амплитуды; 2R — восстановление амп­литуды и формы (resharping — reforming) и 3R — восстановление амплитуды, формы и временных соотношений цифрового сигнала (resharping — reforming — retiming). На рис. 12.3а представлена схема последовательности операций при регенерации оптического цифрового сигнала, на рис. 12.36 — осциллограммы сигналов в процессе регенерации.

О разработке готовых к практическому применению полностью оптических 3R-pereHepaTopoB сообщается в докладах на конференциях ЕСОС-01, ЕСОС-02, ЕСОС-03, OFC-01, OFC-02 и OFC-03. Таким образом, использование в главном оптическом тракте полностью оптических ОУ, компенсаторов дисперсии и опти

ческих регенераторов свидетельствует о том, что для протяженных ВОСП-СР задача полной фотонизации на участке оптического тракта может считаться решенной.

Однако в оконечных пунктах этих ВОСП-СР, а также для гибкого и эффективного управления и конфигурирования оптических сетей, особенно оптических сетей доступа, проблема далека от решения. Как уже отмечалось, для ее разрешения необходимы полностью оптические процессоры, основанные также на полностью оптических элементах, о которых говорилось выше. В последующих разделах будут рассмотрены примеры лабораторных разработок таких элементов.

12.2. Оптические затворы

Оптические затворы и переключатели найдут применение в фотонных локальных сетях, в маршрутизаторах и узлах управления архитектурой сетей, в создающихся мультимедийных АТС.

Большой вклад в создание теории и разработку практических образцов свето-управляемых затворов (транспарантов), переключателей и оптических бистабиль-ных устройств внесли ученые из Ленинградского физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР (д. ф-м. н. И. Д. Ярошецкий, к. ф-м. н. П. Г. Кашери-нинов и др.) [183]. Среди зарубежных работ в этой области наиболее известными являются работы [186, 187].

Светоуправляемые затворы выполняются на основе туннельных структур металл-диэлектрик-полупроводник (так называемые структуры ТМДП). Металлическими в этой структуре являются электроды, нанесенные на слой, состоящий из электрооптической и полупроводниковой компоненты. Разработаны два типа затворов: в первом типе управляющий и модулируемый оптические потоки взаимно перпендикулярны, во втором — параллельны. На рис. 12.4а представлена схема светоуправляемого транспаранта (СУТ) перпендикулярного типа, где: 1 — элект­роды (металл), 2 — туннельно тонкие диэлектрические слои, 3 — полупроводни­ковый слой, 4 — электрооптическая область, 5 — анализатор, 6 — поляризатор.

К электродам 1 прикладывается напряжение смещения Е_о (напряжение постоянного тока). Обозначим мощность информативного оптического сигнала через Р_инф, мощность управляющего — через Р_упр. При Р_инф = 0 и Р_упр = 0 в структуре ТМДП устанавливается исходное электрическое поле с определенной ориентацией. Если при этом на вход поляризатора 6 направить оптическое излучение Р_И11ф их, то при прохождении через ТМДП-структуру плоскость поляризации этого потока повернется на некоторый угол <р,, а после прохождения далее через анализатор 5 на его выходе зафиксируется величина мощности информационного потока Р_{инф вых}. Анализатор 5 при этом ориентируют на максимальное значение мощности этого потока Р_{инф шкс}. Если теперь на вход системы (прозрачный слой электрода 1) направить управляющий оптический поток Р_упр, то, попадая на полупроводниковый слой 3, он будет затрачивать свою энергию на генерацию электронно-дырочных пар. В результате этого между электродами 1 возникнет электрический ток, вследствие чего изменится профиль электрического поля, что служит причиной изменения угла <р₂ плоскости поляризации информативного сигнала, по этой причине выходная мощность Р_инф уменьшится. При некотором значении Р_упр мощность информативного сигнала Р_инф „_Ь1Х будет равной нулю.

12.2. Оптические затворы

На рис. 12.46 представлена схема параллельного СУТ, на которой к уже перечисленным компонентам добавлено полупрозрачное зеркало 7, расположенное перед входной гранью ТМДП-структуры. Плоскость зеркала 7 наклонена под углом 45° к оси структуры. С внешней стороны на это зеркало направляется управляющий сигнал, на внутреннюю — информативный. Преимущество такого типа затвора состоит в том, что для него требуется меньшая мощность управляющего сигнала.

Кроме рассмотренных разработаны и другие варианты схем светоуправляемых транспарантов с целью минимизации необходимой мощности управляющего сигнала и напряжения смещения Е_о.

Для разработанных СУТ были достигнуты следующие результаты: для двумерного СУТ диаметром 30 мм удельная энергия управляющего излучения ~1(Г⁸ Дж/см², энергия модулируемого оптического сигнала на один бит информации — 10~¹² Джоуль. Скорость обработки сигналов в двумерном СУТ определяется суммарным количеством каналов М для кругового СУТ с площадью S₂ и диаметром d, площадью единичного квадратного канала а,² и временем переключения т_.Для времени переключения т₀ = 10 ⁵ с и d = 30 мм производительность транс­паранта для двух значений а, единичных каналов с диаметрами 50 мкм и 10 мкм равна соответственно 3 • 10" бит/с и 7 • 10" бит/с.. Основываясь на работах [184, 185], были достигнуты несколько лучшие резуль­таты с использованием электрооптических структур CdTe (теллурид кадмия). При мощности управляющего сигнала Р_>пр < 30 мВт была получена длительность пе­реднего фронта импульса ~2 мкс, заднего ~5 мкс.

С точки зрения минимальной мощности управляющего оптического сигнала хорошие результаты были получены с использованием оптического поляризационного переключателя. Поляризационный переключатель обладает следующим свойством: при отсутствии управляющего светового потока исходный оптический информационный сигнал с линейной поляризацией проходит через поляризационный коммутатор (ПК) без изменения состояния поляризации. При наличии управляющего светового потока плоскость поляризации выходного информационного сигнала поворачивается на 90°. На рис. 12.5 представлена схема СУТ с использованием ПК, где:

1. — полупроводниковый оптический прозрачный кристалл на основе CdTe,состоящий из п — области и р — области;

2. — туннельно прозрачный диэлектрический слой;

3. — электроны (очень тонкое напыление металла);

4. — поляризатор;

5. — анализатор.

РупрА=0,85мкм

Структура, расположенная между поляризатором 4 и анализатором 5, представляет собой поляризационный коммутатор. Информационный оптический поток Р„„ф направляется через поляризатор 4 на входную грань поляризационного коммутатора. Если к электродам коммутатора приложено напряжение смещения Е_см, а управляющий световой поток отсутствует, то информационный поток проходит через ПК без изменения состояния поляризации. Поляризационный элемент 5 ориентируют при этом на максимальное пропускание Р_инф. При поступлении на управляющий вход оптического сигнала Р_упр ПК поворачивает плоскость поляри­зации на 90° и он не проходит через элемент 3, выступающий в этом случае в золи анализатора. Для такого типа оптического затвора были получены следую--цие результаты: время переключения — передний фронт — 6 мкс, задний 9 мкс; юроговая мощность управляющего сигнала Р_упр = 0,62 мВт; напряжение смещения.