Поиск - новости науки и техники

Светлый путь. Новейший лазер увеличит пропускную способность волоконных линий связи.

Волоконный световод для передачи информации проще всего сравнить с человеческим волосом: диаметр световода – 125 микрон, средний диаметр волоса – 80. Но этим сходство и ограничивается. У меня в руках сложнейшая конструкция. Под ее полимерным покрытием находится кварцевая нить в 6-10 микрон. Таков рукотворный волосок – современный световод.  С помощью лазерного излучения на огромные расстояния по нему посылают короткие импульсы света, в них “упакованы” – даже трудно такое представить! – колоссальные потоки информации: телевизионное изображение, компьютерные сети, телефонные переговоры…
В современных системах связи один такой “волосок” передает до терабита информации в секунду (миллион миллионов, или 1012 импульсов в секунду). И это не предел, уже предпринимаются попытки увеличить скорость до петабит в секунду, то есть в 1000 раз быстрее (1015). Но это по силам лишь многосердцевинному световоду – одной “ниточке” с таким объемом не справиться. При передаче сигналов на большие расстояния, скажем, через Атлантический океан, их необходимо усиливать и очищать от возникающих шумов. Для этого нужны своего рода подстанции, которые сохраняли бы их “читаемость”.
Волоконная оптика – молодая область физики, ей меньше полувека. Бурно развивается она с конца 1980-х годов, когда изобрели волоконные усилители. Сегодня в этой области работают ведущие лаборатории и научные центры мира. Сказать новое слово в исследованиях – дело чрезвычайно трудное и почетное. Научному центру волоконной оптики РАН это удалось сделать. В некоторых областях его фундаментальные исследования и прикладные разработки находятся на мировом уровне, в других он вышел в лидеры. Первым в мире центр разработал висмутовые световоды, послужившие основой для создания совершенно нового типа твердотельных лазеров и оптических усилителей.
– Объемы посылаемой информации удваиваются едва ли не каждый год, – рассказывает один из разработчиков уникального световода, заместитель директора центра, член-корреспондент РАН Игорь ­Буфетов (на снимке). – И если ничего не предпринимать и сидеть сложа руки, неминуемо наступит момент, когда возможности тончайшего волокна достигнут предела, исчерпают себя и передавать большие объемы информации станет очень трудно. Невольно вспоминается начало: когда по дну Атлантического океана в середине 50-х годов прошлого века проложили первый телефонный кабель (телеграфный на 100 лет старше) из медных проводов, по нему можно было вести одновременно всего четыре телефонных разговора. Желающим поговорить приходилось занимать очередь и ждать. Подобная ситуация может произойти в недалеком будущем, но, разумеется, на более высоком уровне. Когда, скажем, вам захочется просмотреть новинки Британского музея или, допустим, обсудить результаты исследований с коллегами из США или Австралии, а скорости передачи в 1 терабит будет уже не хватать. Если же расширить полосу передаваемых частот, то на какое-то время удастся избежать таких ограничений.
Во всем мире ученые ищут новые пути: можно конструировать многосердцевинные световоды, или совершенствовать систему кодировки сигналов, для чего их уплотняют, ужимают, чтобы вместить в частотный диапазон как можно больше информации. Мы пошли другим путем: нашли способ увеличения “пропускной способности” световодов.
Несколько лет назад наш директор академик Евгений Михайлович Дианов обратил внимание на публикацию японских исследователей. Они обнаружили люминесценцию стекла, легированного висмутом, в диапазоне длин световых волн, которые подходят для передачи информации по стандартным волоконным световодам, и высказали предположение о возможности использования такого стекла в качестве материала для лазеров и оптических усилителей. Как правило, для этих целей физики применяют ионы редкоземельных металлов – они помогают достичь наибольшей эффективности. И никому в голову не приходило обратить внимание на висмут: висмутовых лазеров до недавнего времени не существовало. От стекол, легированных висмутом, можно было ожидать, что они усилят излучение на длинах волн, которые дополнительно можно использовать в системах волоконной связи (чего нельзя достичь существующими оптическими усилителями на основе световодов, легированных ионами эрбия).
Но для начала необходимо было создать сам висмутовый лазер, ведь усилитель – основная его часть. Нашему центру это удалось: в 2005 году заработал первый в мире висмутовый волоконный лазер. Это было уникальное достижение. Еще три года потребовалось, чтобы “научить” висмутовые световоды усиливать оптическое излучение именно на тех длинах волн, которые нужны для систем волоконной связи. (Управлять длиной волны усиления мы научились, изменяя состав сердцевины волоконного световода).  
Обычно самые эффективные усилители делают из редкоземельного элемента эрбия. Он очень хорошо справляется с этой задачей, правда, его возможности ограничены. КПД нашего устройства практически не уступает эрбиеву собрату, но работает на другой, более перспективной длине волны. Благодаря этому объемы передаваемой информации вырастают вдвое. Но это пока. В будущем мы надеемся увеличить их на порядок.
– Как коллеги по всему миру отнеслись к вашему открытию?
– Под впечатлением наших достижений интерес к висмутовым стеклам, висмутовым световодам, лазерам и усилителям значительно вырос. Ученых центра приглашают выступать с докладами на крупнейших международных конференциях по волоконной оптике. Много публикаций по этой тематике выходит в Китае и США. А во Франции и Великобритании уже созданы и действуют висмутовые лазеры.
– Вы нашли решение сложнейшей задачи, но освоит ли эту уникальную технологию наша промышленность? Не кончится ли дело тем, что мы задорого будем покупать ее за рубежом?
– Все возможно. Прошло семь лет, как мы создали лазер, но, когда будет освоен наш усилитель, пока неизвестно. Возможно, это случится в недалеком будущем. Ведь увеличение пропускной способности волоконных линий связи идет, как я уже говорил, не по одному нашему направлению, а сразу по нескольким. Это совершенствование систем кодировки передаваемой информации. Увеличение количества сердцевин световодов. Повышение скорости передачи сигналов – сложная задача, требующая привлечения больших средств. В первую очередь реализуются наименее затратные решения. Но на каком-то этапе возникнет необходимость в наших усилителях, и они будут востребованы в мире. По моему мнению, это произойдет через несколько лет, так что время на подготовку будет. В стране действуют предприятия, выпускающие световоды, пусть и в малых количествах. К тому же планируется строительство завода по производству волоконных световодов в Саранске. Перспективы, как видите, есть, и мы рассчитываем, что наши разработки подтолкнут развитие волоконной связи в стране. Пока в этой области Россия находится отнюдь не в первой десятке развитых стран. Но будем надеяться.

Юрий Дризе
Фото из архива центра

Нет комментариев