eng
Выпуск #1/2007
Джефф Хечт.
Замедляем свет и ускоряем передачу данных. Репортаж с конференции OFC-2006
Замедляем свет и ускоряем передачу данных. Репортаж с конференции OFC-2006
Просмотры: 2530
Конференции по оптоволоконной связи уже давно проводятся ежегодно в разных частях света: в Америке, Европе и Азии. Но наиболее значимой из них была и остается оптическая конференция OFC, проводимая обычно в Калифорнии, США. Ниже представлен краткий обзор последней такой конференции, написанный Джеффом Хечтом (Jeff Hecht) [1], а также даны ссылки на материалы, опубликованные на русском языке по данной теме.
В 2006 году на объединенной конференции по оптоволоконной связи OFC/NFOEC (Optical Fiber Conference/National Fiber Optic Engineers Conference) обсуждалось множество технических вопросов – от современных физических концепций, таких как "замедление света", до разработки дешевых компонентов для систем типа "волокно в дом" (FTTH).
Это уже вторая подобная конференция. Она проходила в "Конференц-центре" (Convention Center) в Анахейме (Anaheim, Калифорния, США) с 5 по 10 марта 2006 года. Оргкомитет Конференции привлек 13 тыс. участников, представил 700 технических докладов и организовал выставку продукции более 650 компаний. 48 докладов, присланных после установленного срока (PDP) и не вошедших в Сборник докладов, были представлены в пяти параллельных секциях (в тексте ниже приведены ссылки на используемые PDP).
Замедление света
Сообщения о замедлении света вызвали наибольший интерес участников конференции. Роберт Бойд (Robert Boyd) из Университета в Рочестере (Rochester, США), выступивший с обзором последних достижений в этой сфере, рассказал о том, как оптические данные могут быть помещены в буфер для обработки, используя замедление света (подробнее см. [2]). Факт замедления достигается увеличением группового показателя преломления (ПП) оптического материала и ограничением возрастания поглощения, которое обычно сопутствует этому процессу.
В лаборатории групповые скорости света были уменьшены на величину, которая меньше одной миллионной доли ее номинального значения. Был создан некий эквивалент линии задержки сигнала. Однако более важным показателем для такой линии задержки является количество бит, которое может быть представлено в таком буфере (схеме задержки). Оно равно отношению времени задержки к длине битового интервала. На момент презентации сообщения Бойда было известно, что этот показатель в лучших опытах равнялся четырем импульсам. Если сравнить это с типичной длиной пакета, равной примерно 1000 бит, то надо признать: до достижения нужных показателей предстоит долгий путь.
Вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ) одно из возможных явлений, которое часто используют для замедления света. Передача энергии от пучка накачки к зондирующему сигналу, смещенному по частоте, вызывает изменение ПП пропорционально коэффициенту усиления или потерям. Однако действие ВРМБ ограничено полосой примерно 35 МГц, что соответствует 20 нс импульсам. Согласно сообщению Мигеля Гонзалеса Хереца (Miguel Gonzales Herraez) из Государственной политехнической школы в Лозанне (Lausanne, Швейцария), модулируя накачку псевдослучайной последовательностью данных на скорости 38 Мбит/с, можно расширить полосу настолько, чтобы задерживать более короткие импульсы. Так, увеличивая усиление до 30 дБ, он смог достичь задержки, эквивалентной длине одного импульса в 2,7 нс (рис.1).
В PDP-докладе Цао-Мин Цу (Zhaoming Zhu, PDP 1) и ее коллег из Университета Дьюка (США) сообщается, что путем модуляции накачки гауссовским шумом с полосой 400 МГц (и последующим пропусканием света через 2 км отрезок оптического волокна (ОВ) с высокой степенью нелинейности) удается (при частоте Бернулли порядка 9,6 ГГц) расширить полосу ВРМБ до 12,6 ГГц. Это расширение позволяет добиться задержки 75 пс импульса на 47 пс. Используемое при этом усиление составляет 14 дБ. Это значит, при его увеличении до 30 дБ, можно достичь задержки, сравнимой с длиной импульса (75 пс), учитывая, что задержка растет примерно пропорционально усилению. Цу сообщила, что такой подход к формированию задержки можно использовать для скоростей до 10 Гбит/с. Длина волокна также накладывает свои ограничения: большое время распространения приводит к проблемам, связанным с синхронизацией и задержкой распространения.
В другом PDP-докладе Цезаря Яреги и коллег из Университета в Саутгемптоне (Southampton, Великобритания) сообщается, что если использовать волокно с 2 мкм сердцевиной из оксида висмута с ПП равным 2,22 и высокой степенью нелинейности, имеющее длину всего 2 м, то при мощности накачки 410 мВт можно задержать 180 нс импульсы на 46 нс, хотя полоса ВРМБ составляет всего 40 МГц.
В обзоре Бойда были перечислены и другие пути формирования задержки света в твердых телах при комнатной температуре, включая вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние (ВКР), конвертирование длин волн, дисперсионные эффекты и когерентные эффекты распределения населенности в различных типах усилителей.
В докладе на регулярной сессии Цян-Гуан Чен (Zjangyuan Chen) с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли (Berkeley, США) описали один из вариантов реализации задержки с использованием четырехволнового смешения в полупроводниковых оптических усилителях (ПОУ), позволивший получить задержку 913 пс.
Конвертирование длин волн
Технология WDM сделала конвертирование длин волн практически необходимым [3], однако для этого требовалось конвертировать оптические сигналы в электрические, а затем генерировать новую длину волны с помощью отдельного передатчика.
На конференции в нескольких докладах сообщалось о прогрессе в области полностью оптической конвертации длин волн, которая (согласно теории) должна осуществляться проще и более эффективно. Один из многообещающих подходов основан на использовании ПОУ. В этом случае сигнал, подлежащий конвертации, подается на вход усилителя, который уже усиливает непрерывный сигнал другой длины волны с выхода лазера. Этот входной сигнал управляет коэффициентом усиления ПОУ, так как он эффективно модулирует непрерывный сигнал лазера, который также усиливается ПОУ. Это приводит к появлению на выходе сигнала другой длины волны.
Преимущество этого метода состоит в возможности усиливать свет от настраиваемого лазера (что увеличивает гибкость системы в целом), а также в возможности интегрирования полупроводниковых лазеров, ПОУ и других компонентов. Разработчики, однако, столкнулись с проблемой ограничения скорости данных, вызванной временем восстановления ПОУ (обычно это время равно 10–100 пс). В PDP-докладе Янг Ли (Young Liu) из Технологического университета в Эйндховене (Eindhoven, Нидерланды) сообщил, что оптическая фильтрация может уменьшить время восстановления до величины 1,8 пс. Для демонстрации эффективности своего подхода, Ли привел результаты эксперимента, при котором сигнал данных 1540,32 нм со скоростью 320 Гбит/с подавался на серийный промышленный ПОУ, когда тот усиливал зондирующий луч 1553,82 нм. Эта модулированная волна большей длины создавала в процессе усиления чирпованный (ЛЧМ-модулированный) и инвертированный выходной сигнал. Этот сигнал затем подавался на оптоволоконную решетку Брэгга (FBG) и полосовой фильтр с полосой пропускания 2,7 нм, чтобы выделить полосу, сдвинутую в синюю часть спектра. Каскад фильтрации уменьшал эффективное время восстановления до 1,8 пс (что составляло несколько процентов от времени собственного восстановления ПОУ, равного 56 пс). Так можно было восстанавливать сигнал со скоростью 320 Гбит/с.
Другая цель – расширить диапазон конвертирования оптических длин волн. Эксперименты в Эйндховене позволили сдвинуть нижнюю границу диапазона до 13,5 нм. В PDP-докладе Мотохары Мацууры (Motoharu Matsuura) и его коллег из Университета электросвязи в Токио (Япония) сообщалось о конвертировании сигнала с длиной волны 1625 нм в сигнал 1320 нм (разница в длине волн 305 нм) с помощью каскадирования трех ПОУ. В описываемом эксперименте плоскость поляризации непрерывной волны зондирующего пучка вращалась так, что он входил в следующий ПОУ поляризованным под углом 45°. Следующий за усилителем контроллер поляризации настраивался на выделение сконвертированного луча в инвертированном (мощность на выходе максимальна, тогда как на входе она минимальна) или в нормальном виде. В эксперименте первый каскад конвертировал 1625 в 1540 нм, второй – 1540 в 1460 нм и третий – 1460 в 1320 нм с очень малыми потерями в расчете на каскад. Скорость передачи была ограничена временем восстановления усилителей, однако самые быстрые ПОУ позволяли им работать на скорости 10 Гбит/с.
Рю Джиян (Rui Jiang, PDP 16) и его коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Диего (San Diego, США) сообщили о самом большом достигнутом на сегодня сдвиге в длине волны в результате конвертирования – 375 ТГц. Параметрическое конвертирование в фотонно-кристаллическом волокне с высокой нелинейностью сдвигает спектр сигналов из четырех несущих из области окна 1550 нм в область видимых длин волн 530–543 нм (рис.2). Обычные ОВ с высокой степенью нелинейности могут параметрически эффективно конвертировать сигналы в окне 1550 нм. Однако при этом они перестают быть одномодовыми в области, далекой от этого окна, и, следовательно, не могут передавать сигналы и накачку на коротких длинах волн.
Группе исследователей из Сан-Диего удалось уйти от этого ограничения только потому, что она использовала кварцевое фотонно-кристаллическое волокно [4], которое может передавать свет в диапазоне 400–2500 нм, а также обеспечивает согласование фаз, необходимое для параметрического конвертирования. Они использовали объединенный сигнал, состоящий из сигнала накачки от перестраиваемого в диапазоне 780–840 нм титан-сапфирового лазера и входного сигнала 1550 нм. Это обеспечило генерацию холостого пучка, модулированного в видимой области несущими входного сигнала из окна 1550 нм (см. рис.2). Исследователи смогли продетектировать модулированный сигнал только при скорости 155 Мбит/с, но им не удалось сделать это на более высоких скоростях передачи. Они заявили, что их метод позволяет использовать готовые для работы в окне 1550 нм компоненты, чтобы генерировать сигналы, конвертируемые на другие значения длин волн, для которых еще нет эквивалентных компонентов.
Геройские эксперименты и рекорды скорости
PDP-сессии конференции OFC традиционно фиксируют рекорды в "геройских экспериментах", проведенных на передовых рубежах оптоволоконной технологии. Эти эксперименты эволюционируют вместе с развитием волоконно-оптической техники. Вместо того, чтобы в погоне за неограниченной скоростью выжать еще какое-то количество дополнительных бит в секунду, передаваемых по одному ОВ, исследователи, присутствующие на этом шоу, стремились достичь оптимальных показателей реального оборудования.
Телекоммуникационные операторы, проложив огромное количество волокна, хотят получить максимальную прибыль от своих вложений. Они тестируют оборудование в надежде, что смогут избежать дополнительных миллионных затрат на прокладку новых оптических кабелей. Одним из примеров является компания Verizon Communications (США), которая тестирует свою новую ультрадлинную (ULH) систему, построенную компанией Xtera Communications (Allen, Техас, США) на стандартном одномодовом волокне с применением транспондеров 40 Гбит/с компании Mintera Optical Networks (Acton, Массачусетс, США). Группа компании Verizon (Richardson, Техас, США), возглавляемая Дэвидом Ченом (David Chen, см. PDP 12) заявила о рекордной длине передачи потока смешанных сигналов (на скоростях 10 и 40 Гбит/с) без использования регенераторов – 3040 км. Тесты проводятся на 80-км метро-кольце, установленном компанией Verizon в городе Даллас (Техас, США) в конце 1990-х годов и имеющим в общей сложности 432 волокна. Некоторые волокна служат для передачи действующего трафика, но для теста использовались свободные волокна для стыковки 38 оптоволоконных сегментов с целью формирования кольца. На конце каждого пролета испытатели установили трехкаскадные рамановские усилители с шириной полосы 100 нм. Первый каскад обеспечивал распределенное усиление на длине данного пролета, а два других сосредоточенных усилителя применялись для компенсации затухания, вызванного модулями компенсации дисперсии (DCM), которые установлены в корпусах усилителей. При этом использовалась упреждающая коррекция ошибок (типа FEC), чтобы получить необходимое отношение сигнал/шум на входе приемника.
Длина 3040 км была достигнута при передаче одного 40 Гбит/с канала, использующего формат линейного кода RZ-DPSK (возвращение к нулю с дифференциальной фазовой манипуляцией), и 69 каналов 10 Гбит/с. Эта длина сократилась до 2560 км при замене еще одного 10 Гбит/с канала на второй канал 40 Гбит/с, с форматом линейного кода RZ-CS (RZ с подавленной несущей). Исследователи сообщили, что это первое полевое испытание при передаче смешанного трафика на такое большое расстояние. Поляризационная модовая дисперсия (PMD) была достаточно низка для безошибочной передачи в течение трехнедельного тестирования. Это дало Чену основание говорить об успешной передаче и 40 Гбит/с сигнала.
Другим рекордом, представленным во время PDP-сессий, было сообщение о распределении пары "перепутанных" фотонов (entangled photons) на длине пролета 100 км при использовании стандартного одномодового волокна [5]. Ранние эксперименты такого рода с оптоволоконной системой связи для распределения "перепутанных" фотонов использовали выделенные волокна. Это, как выразился Чан Лян (Chuang Liang) из Северо-Западного университета (США), было непрактично, учитывая требования существующих приложений. Специалисты этого университета достигли той же длины 100 км, посылая сигнал из центрального источника через пролеты длиной 50 км в два разных приемных конца, по волокну, передающему стандартный 10 Гбит/с сигнал с данными по одному каналу WDM, а "перепутанные" фотоны – по другому.
100 Гбит/с Ethernet
В трех PDP-докладах исследователи пытались решить проблемы, поставленные 100 Гбит/с Ethernet, который стал новым шагом в развитии этой технологи после 1 и 10 Гбит/с Ethernet. Грегори Рэйбон (Gregory Raybon) с коллегами из Лабораторий Белла (Bell Labs, Holmdel, США) сообщили о генерации 10 потоков данных со скоростью 107 Гбит/с и их одновременной передаче на 400 километров по отдельным оптическим каналам, используя волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF). Такой поток данных создавался электронным мультиплексором с временным разделением каналов (TDM) при мультиплексировании 8 входных потоков по 13,375 Гбит/с формата NRZ.
Оптический эквалайзер, встроенный в один чип, компенсировал неравномерность полосы оптического модулятора на всех десяти каналах. После разделения оптических каналов приемник оптически замедлял скорость до 53,35 Гбит/с, а затем проводил электронное демультиплексирование.
Масахиро Диакоку с коллегами из Исследовательской лаборатории KDDI в Саитама (Saitama, Япония) также использовал электронное TDM для генерации потока 107 Гбит/с, но в формате DQPSK (дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция). Исследователи смогли передать сигнал на расстояние 50 км по стандартному одномодовому волокну с итоговой компенсацией дисперсии модулем DCM. Затем скорость передачи оптически замедлялась до 53,35 Гбит/с и проводилось электронное демультиплексирование. Результаты показали, что кодирование DQPSK вполне пригодно для передачи 100 Гбит/с Ethernet.
Рейнер Дерксен из Сименса в Мюнхене (Германия) с коллегами исследовал другую сторону той же проблемы, разрабатывая интегрированный приемник, который использует электронное TDM для декодирования потока данных со скоростью 107 Гбит/с. Исследователи оптически cгенерировали такой сигнал и передали его на 480 км по волокну с управляемой дисперсией. Затем сигнал был принят приемником, разделившим его на два потока по 50 Гбит/с.
Быстрые лазеры типа VCSEL
Исследователи, работающие над 100 Гбит/с Ethernet, проявляют все больший интерес к высокоскоростной передаче на короткие и средние расстояния. Лазеры типа VCSEL (лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью) привлекают большое внимание, так как они компактны и дешевы. Разработчики провели большую работу, приспосабливая скорости VCSEL к требованиям различных приложений. Двумерные массивы VCSEL привлекательны своей возможностью оптического соединения ИС и процессоров для улучшения производительности компьютеров.
Наофуми Судзуки (Naofumi Suzuki) с коллегами из Исследовательской лаборатории системных устройств компании NEC в Шиге (Shiga, Япония) создали VCSEL размером 1,1 мкм с полосой модуляции 20 ГГц. Исследователи сообщили, что при использовании прямой модуляции псевдослучайной последовательностью на скорости 25 Гбит/с коэффициент ослабления сигнала (ER) составил 5,2 дБ, а коэффициент ошибок по битам (BER) был ниже 10-12. При нанесении на арсенид-галлиевую подложку этот прибор содержит три деформированные индий-арсенид-галлиевые квантовые ямы в резонаторе толщиной в одну длину волны.
VCSEL-лазеры с прямой модуляцией вряд ли достигнут скорости передачи 40 Гбит/с. Однако на PDP-сессии Николай Леденцов (PDP 22) из Национальной лаборатории нанополупроводников в Дортмунде (Германия) продемонстрировал, что современные электрооптические модуляторы, соединенные со стеком лазера VCSEL, могут увеличить ширину полосы модуляции до 35 ГГц и выше. Этот модулятор представляет собой резонаторную полость, выращенную на вершине VCSEL полости с помощью молекулярной лучевой эпитаксии (рис.3). Такой интегрированный прибор имеет следующие особенности:
· удобство практической реализации;
· слабая интенсивность поля модулятора не влияет на пороговый ток в резонаторе VCSEL;
· отсутствует значительное собственное поглощение;
· 30-нм зазор между линией экситонного поглощения и волной излучения VCSEL.
В отсутствие напряжения на модуляторе его резонансная длина волны смещена относительно резонанса лазера, поэтому переключение лазера не генерирует большого выходного сигнала. Однако обратное смещение модулятора изменяет ПП благодаря квантовому ограниченному эффекту Штарка, настраивающему две резонаторные полости в резонанс и увеличивающему выходную мощность лазера.
Леденцов особо подчеркнул отличие этого типа модулятора от электроабсорбционных модуляторов, которые уменьшают выход при возрастании тока смещения. Он сообщил также, что максимальная мощность одномодового непрерывного излучения достигает 3 мВт. Изменение напряжения на модуляторе в 1 В изменяет выход с 3 до 10 дБ.
Благодаря исключительно малой емкости электрическая ширина полосы достигает 60 ГГц. Измеренная оптическая ширина полосы превышает возможности детектора и ограничена его скоростью. Леденцов сообщил, что такой интегрированный прибор может быть использован для организации звеньев связи на скорости 40 Гбит/с по новому сверхширокополосному многомодовому волокну в локальных сетях или в объединительных панелях современных компьютеров.
Лазеры типа VCSEL с большими длинами волн также динамично развиваются, но отстают от других. Так, в PDP-докладе Нобухико Ничияма (Nobuhiko Nichiyama) из компании Corning (США) сообщил о безошибочной передаче 10 Гбит/с сигнала по волокну на длину 10 км с помощью AlGaInAs/InP VCSEL-лазера с непосредственной модуляцией, работающего на длине волны 1,3 или 1,55 мкм при температуре 85°С. Ничияма сообщил также, что благодаря электронной компенсации дисперсии можно использовать стандартное одномодовое волокно для передачи сигнала на скорости 10 Гбит/с с помощью такого лазера (работающего на длине волны1,55 мкм) на расстояние до 40 км.
Дешевые пассивные компоненты
В пассивных оптических сетях (PON), развертываемых сетевыми операторами (Verizon и другими) для доставки сетевых сервисов в дом, разработчики стараются уменьшить стоимость ключевых компонентов, используемых для селекции длин волн. Современные PON используют фильтры на тонких пленках [6] для выделения только трех длин волн. Более того, необходимость ручной сборки при их изготовлении не позволяет снизить стоимость фильтров.
Планарные волноводные схемы могут (при массовом выпуске) снизить стоимость фильтров. Однако PON требуют более высокого коэффициента ослабления ER и большую оптическую ширину пропускания: 100 нм для диапазона 1310 нм, 20 нм для диапазона 1490 нм и 10 нм для диапазона 1550 нм. Ву Чен (Wui Chen) и Брент Литл (Brent Little) – сотрудники компании Little Optics в Аннаполисе (Annapolis, США) заявили, что этим требованиям удовлетворяют фильтры на каскадируемых асимметричных интерферометрах Маха-Цендера, сформированных в линию задержки с ответвлениями.
Они изготовили свои триплексоры (рис.4) путем напыления плоских направляющих, имеющих квадратное (со стороной 1,5 мкм) сечение, на подложке с ПП, равным 1,45. Докладчики сообщили, что образцы реализуют указанную полосу пропускания и поддерживают уровень изоляции 55 дБ между выходами фильтров на 1550 нм и 1310 нм. Такая ИС может быть установлена в клиентском оборудовании, соединенном с передатчиком на длине волны 1310 нм, приемниками на длине волны 1490 и 1550 нм и вводом ОВ в дом. Каждая планарная ИС имеет размеры 1ґ4 мм. Это значит, что тысячи таких схем могут быть размещены на 6-дюймовой кремниевой заготовке.
В планарных волноводах возникают также проблемы, связанные с удовлетворением требований к фильтрам технологии CWDM (разреженного мультиплексирования с разделением по длине волны), где ширина полосы пропускания должна составлять 13 нм, а фильтр должен обеспечить значительное затухание на границах 20-нм полосы пропускания каждого канала. Для удовлетворения этих требований компания LightSmyth Technologies (Eugene, США) встроила голографические фильтры в планарные схемы (рис.5). Как и фильтры на тонких пленках, используемые в системах CWDM, голографические фильтры выделяют длины волн благодаря явлению многолучевой интерференции света.
Компания LightSmyth спроектировала планарную схему с четырьмя голографическими дифракционными решетками, сформированными вдоль широкого пластинчатого волновода размером 4ґ26 мм на кремниевой подложке, расположенной на кремниевой пластине (рис.5). Каждая диаграмма A, B и C внизу рисунка показывает вертикальный срез слоев в соответствующей точке ИС. Голографические дифракционные решетки расположены в нижней части сердцевины. Каждая такая решетка отражает одну полосу CWDM под разными углами. Это позволяет использовать четыре узкополосных волновода, связанных с пластинчатым волноводом, для отвода отдельных несущих. Для обеспечения быстрого затухания на границах полосы пропускания фильтров компания аподизировала (изменила распределение интенсивности волн в структурах) голографический фильтр. Согласно сообщению группы исследователей, возглавляемых Томасом В. Мосбергом (Thomas W. Mossberg), до недавнего времени показатели голографических фильтров были близки к показателям оптических фильтров на тонких пленках и превосходили показатели фильтров других интегрированных систем.
Литература
1. Jeff Hecht. Slow Light and Fast Data Links. Report from OFC 2006. – OPN, June 2006, p.23.
2. Слепов Н. О свете медленном и быстром. По следам презентации Р. Бойда на OFC-2006. – Наст. номер, с. ХХ.
3. Слепов Н.Н. Оптические волновые конверторы. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. 2-е изд., перераб. и доп.
Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. – М.: АО "ВОТ", 2005.
4. Слепов Н. Фотонно-кристаллическое волокно – уже реальность. Новые типы оптических волокон и их применение. – Электроника: НТБ. – 2004, №5, с.80–84.
5. Слепов Н. Квантовая криптография: передача квантового ключа. Проблемы и решения. – Электроника: НТБ, 2006, №2, с.54–61.
6. Слепов Н.Н. Оптические фильтры. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. 2-е изд., перераб. и доп. Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. – М.: АО "ВОТ", 2005.
Это уже вторая подобная конференция. Она проходила в "Конференц-центре" (Convention Center) в Анахейме (Anaheim, Калифорния, США) с 5 по 10 марта 2006 года. Оргкомитет Конференции привлек 13 тыс. участников, представил 700 технических докладов и организовал выставку продукции более 650 компаний. 48 докладов, присланных после установленного срока (PDP) и не вошедших в Сборник докладов, были представлены в пяти параллельных секциях (в тексте ниже приведены ссылки на используемые PDP).
Замедление света
Сообщения о замедлении света вызвали наибольший интерес участников конференции. Роберт Бойд (Robert Boyd) из Университета в Рочестере (Rochester, США), выступивший с обзором последних достижений в этой сфере, рассказал о том, как оптические данные могут быть помещены в буфер для обработки, используя замедление света (подробнее см. [2]). Факт замедления достигается увеличением группового показателя преломления (ПП) оптического материала и ограничением возрастания поглощения, которое обычно сопутствует этому процессу.
В лаборатории групповые скорости света были уменьшены на величину, которая меньше одной миллионной доли ее номинального значения. Был создан некий эквивалент линии задержки сигнала. Однако более важным показателем для такой линии задержки является количество бит, которое может быть представлено в таком буфере (схеме задержки). Оно равно отношению времени задержки к длине битового интервала. На момент презентации сообщения Бойда было известно, что этот показатель в лучших опытах равнялся четырем импульсам. Если сравнить это с типичной длиной пакета, равной примерно 1000 бит, то надо признать: до достижения нужных показателей предстоит долгий путь.
Вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ) одно из возможных явлений, которое часто используют для замедления света. Передача энергии от пучка накачки к зондирующему сигналу, смещенному по частоте, вызывает изменение ПП пропорционально коэффициенту усиления или потерям. Однако действие ВРМБ ограничено полосой примерно 35 МГц, что соответствует 20 нс импульсам. Согласно сообщению Мигеля Гонзалеса Хереца (Miguel Gonzales Herraez) из Государственной политехнической школы в Лозанне (Lausanne, Швейцария), модулируя накачку псевдослучайной последовательностью данных на скорости 38 Мбит/с, можно расширить полосу настолько, чтобы задерживать более короткие импульсы. Так, увеличивая усиление до 30 дБ, он смог достичь задержки, эквивалентной длине одного импульса в 2,7 нс (рис.1).
В PDP-докладе Цао-Мин Цу (Zhaoming Zhu, PDP 1) и ее коллег из Университета Дьюка (США) сообщается, что путем модуляции накачки гауссовским шумом с полосой 400 МГц (и последующим пропусканием света через 2 км отрезок оптического волокна (ОВ) с высокой степенью нелинейности) удается (при частоте Бернулли порядка 9,6 ГГц) расширить полосу ВРМБ до 12,6 ГГц. Это расширение позволяет добиться задержки 75 пс импульса на 47 пс. Используемое при этом усиление составляет 14 дБ. Это значит, при его увеличении до 30 дБ, можно достичь задержки, сравнимой с длиной импульса (75 пс), учитывая, что задержка растет примерно пропорционально усилению. Цу сообщила, что такой подход к формированию задержки можно использовать для скоростей до 10 Гбит/с. Длина волокна также накладывает свои ограничения: большое время распространения приводит к проблемам, связанным с синхронизацией и задержкой распространения.
В другом PDP-докладе Цезаря Яреги и коллег из Университета в Саутгемптоне (Southampton, Великобритания) сообщается, что если использовать волокно с 2 мкм сердцевиной из оксида висмута с ПП равным 2,22 и высокой степенью нелинейности, имеющее длину всего 2 м, то при мощности накачки 410 мВт можно задержать 180 нс импульсы на 46 нс, хотя полоса ВРМБ составляет всего 40 МГц.
В обзоре Бойда были перечислены и другие пути формирования задержки света в твердых телах при комнатной температуре, включая вынужденное комбинационное (рамановское) рассеяние (ВКР), конвертирование длин волн, дисперсионные эффекты и когерентные эффекты распределения населенности в различных типах усилителей.
В докладе на регулярной сессии Цян-Гуан Чен (Zjangyuan Chen) с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли (Berkeley, США) описали один из вариантов реализации задержки с использованием четырехволнового смешения в полупроводниковых оптических усилителях (ПОУ), позволивший получить задержку 913 пс.
Конвертирование длин волн
Технология WDM сделала конвертирование длин волн практически необходимым [3], однако для этого требовалось конвертировать оптические сигналы в электрические, а затем генерировать новую длину волны с помощью отдельного передатчика.
На конференции в нескольких докладах сообщалось о прогрессе в области полностью оптической конвертации длин волн, которая (согласно теории) должна осуществляться проще и более эффективно. Один из многообещающих подходов основан на использовании ПОУ. В этом случае сигнал, подлежащий конвертации, подается на вход усилителя, который уже усиливает непрерывный сигнал другой длины волны с выхода лазера. Этот входной сигнал управляет коэффициентом усиления ПОУ, так как он эффективно модулирует непрерывный сигнал лазера, который также усиливается ПОУ. Это приводит к появлению на выходе сигнала другой длины волны.
Преимущество этого метода состоит в возможности усиливать свет от настраиваемого лазера (что увеличивает гибкость системы в целом), а также в возможности интегрирования полупроводниковых лазеров, ПОУ и других компонентов. Разработчики, однако, столкнулись с проблемой ограничения скорости данных, вызванной временем восстановления ПОУ (обычно это время равно 10–100 пс). В PDP-докладе Янг Ли (Young Liu) из Технологического университета в Эйндховене (Eindhoven, Нидерланды) сообщил, что оптическая фильтрация может уменьшить время восстановления до величины 1,8 пс. Для демонстрации эффективности своего подхода, Ли привел результаты эксперимента, при котором сигнал данных 1540,32 нм со скоростью 320 Гбит/с подавался на серийный промышленный ПОУ, когда тот усиливал зондирующий луч 1553,82 нм. Эта модулированная волна большей длины создавала в процессе усиления чирпованный (ЛЧМ-модулированный) и инвертированный выходной сигнал. Этот сигнал затем подавался на оптоволоконную решетку Брэгга (FBG) и полосовой фильтр с полосой пропускания 2,7 нм, чтобы выделить полосу, сдвинутую в синюю часть спектра. Каскад фильтрации уменьшал эффективное время восстановления до 1,8 пс (что составляло несколько процентов от времени собственного восстановления ПОУ, равного 56 пс). Так можно было восстанавливать сигнал со скоростью 320 Гбит/с.
Другая цель – расширить диапазон конвертирования оптических длин волн. Эксперименты в Эйндховене позволили сдвинуть нижнюю границу диапазона до 13,5 нм. В PDP-докладе Мотохары Мацууры (Motoharu Matsuura) и его коллег из Университета электросвязи в Токио (Япония) сообщалось о конвертировании сигнала с длиной волны 1625 нм в сигнал 1320 нм (разница в длине волн 305 нм) с помощью каскадирования трех ПОУ. В описываемом эксперименте плоскость поляризации непрерывной волны зондирующего пучка вращалась так, что он входил в следующий ПОУ поляризованным под углом 45°. Следующий за усилителем контроллер поляризации настраивался на выделение сконвертированного луча в инвертированном (мощность на выходе максимальна, тогда как на входе она минимальна) или в нормальном виде. В эксперименте первый каскад конвертировал 1625 в 1540 нм, второй – 1540 в 1460 нм и третий – 1460 в 1320 нм с очень малыми потерями в расчете на каскад. Скорость передачи была ограничена временем восстановления усилителей, однако самые быстрые ПОУ позволяли им работать на скорости 10 Гбит/с.
Рю Джиян (Rui Jiang, PDP 16) и его коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Диего (San Diego, США) сообщили о самом большом достигнутом на сегодня сдвиге в длине волны в результате конвертирования – 375 ТГц. Параметрическое конвертирование в фотонно-кристаллическом волокне с высокой нелинейностью сдвигает спектр сигналов из четырех несущих из области окна 1550 нм в область видимых длин волн 530–543 нм (рис.2). Обычные ОВ с высокой степенью нелинейности могут параметрически эффективно конвертировать сигналы в окне 1550 нм. Однако при этом они перестают быть одномодовыми в области, далекой от этого окна, и, следовательно, не могут передавать сигналы и накачку на коротких длинах волн.
Группе исследователей из Сан-Диего удалось уйти от этого ограничения только потому, что она использовала кварцевое фотонно-кристаллическое волокно [4], которое может передавать свет в диапазоне 400–2500 нм, а также обеспечивает согласование фаз, необходимое для параметрического конвертирования. Они использовали объединенный сигнал, состоящий из сигнала накачки от перестраиваемого в диапазоне 780–840 нм титан-сапфирового лазера и входного сигнала 1550 нм. Это обеспечило генерацию холостого пучка, модулированного в видимой области несущими входного сигнала из окна 1550 нм (см. рис.2). Исследователи смогли продетектировать модулированный сигнал только при скорости 155 Мбит/с, но им не удалось сделать это на более высоких скоростях передачи. Они заявили, что их метод позволяет использовать готовые для работы в окне 1550 нм компоненты, чтобы генерировать сигналы, конвертируемые на другие значения длин волн, для которых еще нет эквивалентных компонентов.
Геройские эксперименты и рекорды скорости
PDP-сессии конференции OFC традиционно фиксируют рекорды в "геройских экспериментах", проведенных на передовых рубежах оптоволоконной технологии. Эти эксперименты эволюционируют вместе с развитием волоконно-оптической техники. Вместо того, чтобы в погоне за неограниченной скоростью выжать еще какое-то количество дополнительных бит в секунду, передаваемых по одному ОВ, исследователи, присутствующие на этом шоу, стремились достичь оптимальных показателей реального оборудования.
Телекоммуникационные операторы, проложив огромное количество волокна, хотят получить максимальную прибыль от своих вложений. Они тестируют оборудование в надежде, что смогут избежать дополнительных миллионных затрат на прокладку новых оптических кабелей. Одним из примеров является компания Verizon Communications (США), которая тестирует свою новую ультрадлинную (ULH) систему, построенную компанией Xtera Communications (Allen, Техас, США) на стандартном одномодовом волокне с применением транспондеров 40 Гбит/с компании Mintera Optical Networks (Acton, Массачусетс, США). Группа компании Verizon (Richardson, Техас, США), возглавляемая Дэвидом Ченом (David Chen, см. PDP 12) заявила о рекордной длине передачи потока смешанных сигналов (на скоростях 10 и 40 Гбит/с) без использования регенераторов – 3040 км. Тесты проводятся на 80-км метро-кольце, установленном компанией Verizon в городе Даллас (Техас, США) в конце 1990-х годов и имеющим в общей сложности 432 волокна. Некоторые волокна служат для передачи действующего трафика, но для теста использовались свободные волокна для стыковки 38 оптоволоконных сегментов с целью формирования кольца. На конце каждого пролета испытатели установили трехкаскадные рамановские усилители с шириной полосы 100 нм. Первый каскад обеспечивал распределенное усиление на длине данного пролета, а два других сосредоточенных усилителя применялись для компенсации затухания, вызванного модулями компенсации дисперсии (DCM), которые установлены в корпусах усилителей. При этом использовалась упреждающая коррекция ошибок (типа FEC), чтобы получить необходимое отношение сигнал/шум на входе приемника.
Длина 3040 км была достигнута при передаче одного 40 Гбит/с канала, использующего формат линейного кода RZ-DPSK (возвращение к нулю с дифференциальной фазовой манипуляцией), и 69 каналов 10 Гбит/с. Эта длина сократилась до 2560 км при замене еще одного 10 Гбит/с канала на второй канал 40 Гбит/с, с форматом линейного кода RZ-CS (RZ с подавленной несущей). Исследователи сообщили, что это первое полевое испытание при передаче смешанного трафика на такое большое расстояние. Поляризационная модовая дисперсия (PMD) была достаточно низка для безошибочной передачи в течение трехнедельного тестирования. Это дало Чену основание говорить об успешной передаче и 40 Гбит/с сигнала.
Другим рекордом, представленным во время PDP-сессий, было сообщение о распределении пары "перепутанных" фотонов (entangled photons) на длине пролета 100 км при использовании стандартного одномодового волокна [5]. Ранние эксперименты такого рода с оптоволоконной системой связи для распределения "перепутанных" фотонов использовали выделенные волокна. Это, как выразился Чан Лян (Chuang Liang) из Северо-Западного университета (США), было непрактично, учитывая требования существующих приложений. Специалисты этого университета достигли той же длины 100 км, посылая сигнал из центрального источника через пролеты длиной 50 км в два разных приемных конца, по волокну, передающему стандартный 10 Гбит/с сигнал с данными по одному каналу WDM, а "перепутанные" фотоны – по другому.
100 Гбит/с Ethernet
В трех PDP-докладах исследователи пытались решить проблемы, поставленные 100 Гбит/с Ethernet, который стал новым шагом в развитии этой технологи после 1 и 10 Гбит/с Ethernet. Грегори Рэйбон (Gregory Raybon) с коллегами из Лабораторий Белла (Bell Labs, Holmdel, США) сообщили о генерации 10 потоков данных со скоростью 107 Гбит/с и их одновременной передаче на 400 километров по отдельным оптическим каналам, используя волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF). Такой поток данных создавался электронным мультиплексором с временным разделением каналов (TDM) при мультиплексировании 8 входных потоков по 13,375 Гбит/с формата NRZ.
Оптический эквалайзер, встроенный в один чип, компенсировал неравномерность полосы оптического модулятора на всех десяти каналах. После разделения оптических каналов приемник оптически замедлял скорость до 53,35 Гбит/с, а затем проводил электронное демультиплексирование.
Масахиро Диакоку с коллегами из Исследовательской лаборатории KDDI в Саитама (Saitama, Япония) также использовал электронное TDM для генерации потока 107 Гбит/с, но в формате DQPSK (дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция). Исследователи смогли передать сигнал на расстояние 50 км по стандартному одномодовому волокну с итоговой компенсацией дисперсии модулем DCM. Затем скорость передачи оптически замедлялась до 53,35 Гбит/с и проводилось электронное демультиплексирование. Результаты показали, что кодирование DQPSK вполне пригодно для передачи 100 Гбит/с Ethernet.
Рейнер Дерксен из Сименса в Мюнхене (Германия) с коллегами исследовал другую сторону той же проблемы, разрабатывая интегрированный приемник, который использует электронное TDM для декодирования потока данных со скоростью 107 Гбит/с. Исследователи оптически cгенерировали такой сигнал и передали его на 480 км по волокну с управляемой дисперсией. Затем сигнал был принят приемником, разделившим его на два потока по 50 Гбит/с.
Быстрые лазеры типа VCSEL
Исследователи, работающие над 100 Гбит/с Ethernet, проявляют все больший интерес к высокоскоростной передаче на короткие и средние расстояния. Лазеры типа VCSEL (лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью) привлекают большое внимание, так как они компактны и дешевы. Разработчики провели большую работу, приспосабливая скорости VCSEL к требованиям различных приложений. Двумерные массивы VCSEL привлекательны своей возможностью оптического соединения ИС и процессоров для улучшения производительности компьютеров.
Наофуми Судзуки (Naofumi Suzuki) с коллегами из Исследовательской лаборатории системных устройств компании NEC в Шиге (Shiga, Япония) создали VCSEL размером 1,1 мкм с полосой модуляции 20 ГГц. Исследователи сообщили, что при использовании прямой модуляции псевдослучайной последовательностью на скорости 25 Гбит/с коэффициент ослабления сигнала (ER) составил 5,2 дБ, а коэффициент ошибок по битам (BER) был ниже 10-12. При нанесении на арсенид-галлиевую подложку этот прибор содержит три деформированные индий-арсенид-галлиевые квантовые ямы в резонаторе толщиной в одну длину волны.
VCSEL-лазеры с прямой модуляцией вряд ли достигнут скорости передачи 40 Гбит/с. Однако на PDP-сессии Николай Леденцов (PDP 22) из Национальной лаборатории нанополупроводников в Дортмунде (Германия) продемонстрировал, что современные электрооптические модуляторы, соединенные со стеком лазера VCSEL, могут увеличить ширину полосы модуляции до 35 ГГц и выше. Этот модулятор представляет собой резонаторную полость, выращенную на вершине VCSEL полости с помощью молекулярной лучевой эпитаксии (рис.3). Такой интегрированный прибор имеет следующие особенности:
· удобство практической реализации;
· слабая интенсивность поля модулятора не влияет на пороговый ток в резонаторе VCSEL;
· отсутствует значительное собственное поглощение;
· 30-нм зазор между линией экситонного поглощения и волной излучения VCSEL.
В отсутствие напряжения на модуляторе его резонансная длина волны смещена относительно резонанса лазера, поэтому переключение лазера не генерирует большого выходного сигнала. Однако обратное смещение модулятора изменяет ПП благодаря квантовому ограниченному эффекту Штарка, настраивающему две резонаторные полости в резонанс и увеличивающему выходную мощность лазера.
Леденцов особо подчеркнул отличие этого типа модулятора от электроабсорбционных модуляторов, которые уменьшают выход при возрастании тока смещения. Он сообщил также, что максимальная мощность одномодового непрерывного излучения достигает 3 мВт. Изменение напряжения на модуляторе в 1 В изменяет выход с 3 до 10 дБ.
Благодаря исключительно малой емкости электрическая ширина полосы достигает 60 ГГц. Измеренная оптическая ширина полосы превышает возможности детектора и ограничена его скоростью. Леденцов сообщил, что такой интегрированный прибор может быть использован для организации звеньев связи на скорости 40 Гбит/с по новому сверхширокополосному многомодовому волокну в локальных сетях или в объединительных панелях современных компьютеров.
Лазеры типа VCSEL с большими длинами волн также динамично развиваются, но отстают от других. Так, в PDP-докладе Нобухико Ничияма (Nobuhiko Nichiyama) из компании Corning (США) сообщил о безошибочной передаче 10 Гбит/с сигнала по волокну на длину 10 км с помощью AlGaInAs/InP VCSEL-лазера с непосредственной модуляцией, работающего на длине волны 1,3 или 1,55 мкм при температуре 85°С. Ничияма сообщил также, что благодаря электронной компенсации дисперсии можно использовать стандартное одномодовое волокно для передачи сигнала на скорости 10 Гбит/с с помощью такого лазера (работающего на длине волны1,55 мкм) на расстояние до 40 км.
Дешевые пассивные компоненты
В пассивных оптических сетях (PON), развертываемых сетевыми операторами (Verizon и другими) для доставки сетевых сервисов в дом, разработчики стараются уменьшить стоимость ключевых компонентов, используемых для селекции длин волн. Современные PON используют фильтры на тонких пленках [6] для выделения только трех длин волн. Более того, необходимость ручной сборки при их изготовлении не позволяет снизить стоимость фильтров.
Планарные волноводные схемы могут (при массовом выпуске) снизить стоимость фильтров. Однако PON требуют более высокого коэффициента ослабления ER и большую оптическую ширину пропускания: 100 нм для диапазона 1310 нм, 20 нм для диапазона 1490 нм и 10 нм для диапазона 1550 нм. Ву Чен (Wui Chen) и Брент Литл (Brent Little) – сотрудники компании Little Optics в Аннаполисе (Annapolis, США) заявили, что этим требованиям удовлетворяют фильтры на каскадируемых асимметричных интерферометрах Маха-Цендера, сформированных в линию задержки с ответвлениями.
Они изготовили свои триплексоры (рис.4) путем напыления плоских направляющих, имеющих квадратное (со стороной 1,5 мкм) сечение, на подложке с ПП, равным 1,45. Докладчики сообщили, что образцы реализуют указанную полосу пропускания и поддерживают уровень изоляции 55 дБ между выходами фильтров на 1550 нм и 1310 нм. Такая ИС может быть установлена в клиентском оборудовании, соединенном с передатчиком на длине волны 1310 нм, приемниками на длине волны 1490 и 1550 нм и вводом ОВ в дом. Каждая планарная ИС имеет размеры 1ґ4 мм. Это значит, что тысячи таких схем могут быть размещены на 6-дюймовой кремниевой заготовке.
В планарных волноводах возникают также проблемы, связанные с удовлетворением требований к фильтрам технологии CWDM (разреженного мультиплексирования с разделением по длине волны), где ширина полосы пропускания должна составлять 13 нм, а фильтр должен обеспечить значительное затухание на границах 20-нм полосы пропускания каждого канала. Для удовлетворения этих требований компания LightSmyth Technologies (Eugene, США) встроила голографические фильтры в планарные схемы (рис.5). Как и фильтры на тонких пленках, используемые в системах CWDM, голографические фильтры выделяют длины волн благодаря явлению многолучевой интерференции света.
Компания LightSmyth спроектировала планарную схему с четырьмя голографическими дифракционными решетками, сформированными вдоль широкого пластинчатого волновода размером 4ґ26 мм на кремниевой подложке, расположенной на кремниевой пластине (рис.5). Каждая диаграмма A, B и C внизу рисунка показывает вертикальный срез слоев в соответствующей точке ИС. Голографические дифракционные решетки расположены в нижней части сердцевины. Каждая такая решетка отражает одну полосу CWDM под разными углами. Это позволяет использовать четыре узкополосных волновода, связанных с пластинчатым волноводом, для отвода отдельных несущих. Для обеспечения быстрого затухания на границах полосы пропускания фильтров компания аподизировала (изменила распределение интенсивности волн в структурах) голографический фильтр. Согласно сообщению группы исследователей, возглавляемых Томасом В. Мосбергом (Thomas W. Mossberg), до недавнего времени показатели голографических фильтров были близки к показателям оптических фильтров на тонких пленках и превосходили показатели фильтров других интегрированных систем.
Литература
1. Jeff Hecht. Slow Light and Fast Data Links. Report from OFC 2006. – OPN, June 2006, p.23.
2. Слепов Н. О свете медленном и быстром. По следам презентации Р. Бойда на OFC-2006. – Наст. номер, с. ХХ.
3. Слепов Н.Н. Оптические волновые конверторы. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. 2-е изд., перераб. и доп.
Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. – М.: АО "ВОТ", 2005.
4. Слепов Н. Фотонно-кристаллическое волокно – уже реальность. Новые типы оптических волокон и их применение. – Электроника: НТБ. – 2004, №5, с.80–84.
5. Слепов Н. Квантовая криптография: передача квантового ключа. Проблемы и решения. – Электроника: НТБ, 2006, №2, с.54–61.
6. Слепов Н.Н. Оптические фильтры. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. 2-е изд., перераб. и доп. Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. – М.: АО "ВОТ", 2005.
Отзывы читателей
