Лекция по физики

«Можно соединить Новосибирск и Томск»

Российские ученые изобрели новую технологию передачи информации

Лектор: 15.12.2010, 10:12
umich.edu
На основе «вредного» физического явления российские ученые изобрели технологию передачи десятков терабит в секунду на большие расстояния без усилителей. Об изобретении «Газете.Ru» рассказал один из его авторов, доктор физико-математических наук Сергей Бабин.

Потери мощности сигнала в оптоволоконном кабеле, который является основой современного интернета и некоторых других видов оптической связи, составляют 99% на 100 км, поэтому сегодня через каждые 50–70 км магистральной сети установлен дорогостоящий усилитель. Эффект рэлеевского рассеяния, приводящий к потерям, обходится владельцам сетей в круглые суммы.

В декабре журнал Optics&Photonics News опубликовал рейтинг работ по оптике, в котором совместная сибирско-британская разработка названа одной из лучших в мире в области лазерных исследований 2010 года. Принцип ее действия авторы описали в журнале Nature Photonics летом этого года. Один из них — заведующий лабораторией волоконной оптики Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (ИАиЭ СО РАН), доктор физико-математических наук Сергей Бабин.

— Какова история разработки?
— Идея применить случайное рэлеевское рассеяние для лазерной генерации в оптоволоконных кабелях родилась как побочный результат наших основных работ — удлинения схем обычных рамановских волоконных лазеров. Вместе с группой профессора Сергея Турицына из Университета Астон (Бирмингем) наша лаборатория занималась исследованием работы таких лазеров с длинными резонаторами, разрабатывая способы передачи сигнала на максимально большие расстояния без потерь. Удлиняя резонатор рамановского лазера, мы заметили, что при увеличении расстояния между его зеркалами более 270 км резонатор уже не работает.

Но лазерная генерация наблюдалась в наших экспериментах и на длинах 300 км и более.

Выяснилось, что этот эффект связан с рэлеевским рассеянием, которое на больших длинах работает как зеркало.

В литературе описано довольно много случаев влияния случайного рассеяния на генерацию. Существуют даже так называемые случайные лазеры (random lasers), которые генерируют без зеркал за счет многократного рассеяния в усиливающей среде. Такой средой служат лазерные кристаллы, размолотые в порошок до микронных и субмикронных размеров или суспензии усиливающих красителей с наночастицами. Чтобы возникла генерация, их возбуждают излучением накачки. Уникальность случайных лазеров в том, что в них нет резонатора, который требует высокой точности изготовления оптических элементов, особенно при малых размерах лазера (например, полупроводникового). Это очень перспективное направление, но пока еще свойства излучения случайных лазеров заметно уступают обычным лазерам, поскольку интенсивность, направление и спектр их излучения также случайны. Впрочем, с этой неудобной случайностью ученые учатся бороться.

— Значит, вслед за другими учеными вы обнаружили эффект случайной генерации на рэлеевском рассеянии?
— Не просто обнаружили, а смогли на его основе получить очень стабильный сигнал направленного излучения с узким спектром, чего у других исследователей не наблюдалось.

И тогда стало понятно, что стандартное телекоммуникационное оптоволокно с рэлеевским рассеянием — это и есть готовый активный элемент одномерного случайного лазера, а заодно и качественный волновод, где направление светового пучка уже сформировано.

Поэтому нашей задачей стало научиться управлять случайным рассеянием (как ни парадоксально это звучит), чтобы генерировался сигнал нужной частоты и интенсивности. Для этого мы использовали распределённое рамановское усиление в длинном оптоволокне. В оптической связи рамановское усиление обычно применяется для восстановления уровня сигнала после его ослабления из-за рэлеевского рассеяния, а здесь, наоборот, оно используется для усиления рассеянного излучения, чтобы получить генерацию.

Известны лазеры, в которых сигнал отражается не в конкретной точке резонатора, а по всей его длине. Их называют лазерами с распределенной обратной связью (или РОС-лазеры). В них распределённый резонатор (например, периодическая решётка показателя преломления) сформирован прямо в усиливающей среде. А в нашем случае решетку в оптоволокне никто специально не создавал, но в нём есть случайное рэлеевское рассеяние на естественных неоднородностях, поэтому отражённый сигнал получается в миллионы раз слабее.

Зато и волоконный кабель у нас в миллионы раз длиннее — сотни километров вместо нескольких сантиметров у волоконного РОС-лазера.

И решётка у нас случайная, а не регулярная. Проиграли в качестве и силе решетки, но выиграли за счет длины усиливающей среды. А результат такой же — эффективная лазерная генерация. И такую генерацию со случайной распределённой обратной связью можно получать практически в любой проложенной линии связи и компенсировать с её помощью потери передаваемого сигнала.

— Звучит немного фантастично. Ведь если бы сигнал мог усиливаться в кабеле сам по себе, кто бы стал тратить на усилители сотни тысяч долларов?
— Генерация случайных импульсов в отдельных точках волоконного световода с большим рамановским усилением — это известное явление. Но, поскольку управлять им никто не пытался, с ним приходилось только бороться. И потом никто ведь не рассматривал телекоммуникационный оптоволоконный кабель как возможный источник генерации лазерного излучения — только как его передатчик.

А зачастую, чтобы обнаружить какой-то новый эффект, бывает достаточно переосмыслить уже известные факты.

Примерно так вышло с нашей статьей в Nature Photonics. Первую нашу статью они не приняли, потому что в ней мы заявили, что сделали самые длинные в мире рамановские лазеры с рекордным расстоянием между зеркалами резонатора в волокне — 270 км. Если вы в воздухе друг напротив друга на таком расстоянии поставите зеркала, то никогда не сможете поймать или передать солнечного зайчика и тем более получить лазерную генерацию, но настолько стабильно оказалось оптоволокно! И все же нам указали, что увеличение длины резонатора пусть даже до 270 км — это не открытие, а развитие уже известной идеи: за год до этого мы уже публиковали в Optic Letters статью про успешную генерацию в 84-километровом резонаторе по той же технологии. И тогда мы обратились к другой стороне тех же экспериментов, вспомнив, что резонатор длиннее 270 км не работает.

Поставили специальный эксперимент и написали о получении стационарной узкополосной генерации в длинном оптоволокне уже без зеркал. И текст взяли практически сразу же.

Поскольку в этой разработке совместились две технологии – случайной генерации излучения и распределенной обратной связи в усиливающей среде, то и название у нее получилось длинное — Random Distributed Feedback Laser.

— На какой длине кабеля вы уже испытывали эффективность своей технологии?
— Пока это чуть более трехсот километров оптоволокна. На нем все работает хорошо. Это означает, что уже можно пробовать соединить два каких-нибудь сибирских города по такой сети. Например, Новосибирск и Томск. Но теоретически, если сам принцип сработал, то длина передающего кабеля может быть практически любой, до нескольких тысяч километров, ведь, когда кабель сам является генератором излучения, его можно использовать для распределённого усиления сигнала, достаточного для компенсации потерь.

При правильной «архитектуре» длину «генерирующего» кабеля можно увеличивать практически до бесконечности.

Пока мы не увеличивали расстояния, поскольку и на этой дистанции уже есть много интересных как полезных, так и паразитных эффектов. Первые нужно освоить, со вторыми побороться. В дальнейшем нужно будет масштабировать изученный процесс и проверить его не в лабораторных условиях на катушках с волокном, а на реальных кабелях — в земле. Ведь там могут проявиться свои эффекты, и от научного исследования до готовой технологии пройдет не один год. Но это уже дело инженеров-технологов. Сейчас нам важно подробно описать сам принцип работы.

— Значит, как фундаментальных ученых вас не волнует дальнейшая реализация?
— Конечно, волнует. К нам уже обратились некоторые российские и европейские телекоммуникационные компании, которые заинтересовались перспективами этой разработки.

Ведь при получении ожидаемых объемов и скорости передачи информации на большие расстояния станет выгодным объединить все информационные распределенные сети — от интернета и телевидения до телефонов и сетей мобильных операторов с широкополосным доступом — в единую крупную магистральную сеть, чтобы существенно ускорить и увеличить потоки этих коммуникаций, а также их интеграцию.

Если кто-то из проявляющих интерес будет готов предоставить свои линии связи для натурных испытаний, мы будем с удовольствием принимать участие и в этих работах.

Беседовала Мария Роговая (Новосибирск)