На первый взгляд параметры новой технологии передачи данных кажутся фантастикой, но они - реальность, доказанная испытаниями в лабораториях всего мира.
Ученые-физики добились скоростей передачи данных без потерь в 5 Гбит/с на 15 тыс. км, в 10 Гбит/с на 11 тыс. км, 40 Гбит/с на 700 км и 80 Гбит/с на 500 км. И это еще не предел.
Такие результаты стали возможными благодаря солитонной технологии передачи данных.
Во многих отношениях она похожа на обычную передачу по волоконно-оптическому кабелю. По сути, это все тот же пучок света, проходящий по кварцевому оптическому волокну; однако в процессе передачи он претерпевает не свойственные обычному методу изменения.
Питер Смит, профессор факультета электротехники и компьютерных систем Университета Торонто, так объясняет процессы, происходящие при прохождения пучка света по кабелю: "При солитонной передаче используются свойства материала, из которого изготавливается волокно. При достаточной интенсивности пучка света оптические свойства волокон меняются и влияют на сам пучок. Изменяя параметры волокна и длительность пучка, можно добиться нейтрализации упомянутых процессов и обратить их себе на пользу".
Другими словами, вместо цветовой дисперсии (когда пучок распадается на широкий спектр и каждая длина волны продолжает движение со своей скоростью), передача отдельных цветов ускоряется или замедляется, благодаря чему достигается одинаковая скорость всего пучка.
Соответственно ликвидируется задержка, образующаяся между прибытием сигналов с разной длиной волны, которая становится довольно ощутимой при передаче сотен и даже десятков гигабит в секунду.
Изменяя свойства волокна, можно также устранить эффект поляризации и избавиться от связанных с ней искажений сигнала.
По сравнению с традиционными оптическими сигналами солитоны гораздо надежнее. К тому же они дают меньшее рассеивание при передаче на большие расстояния. Как следствие, при использовании солитонных каналов требуется меньшее количество промежуточных ретрансляторов.
Как и другие виды сигналов, солитоны можно уплотнять. Путем уплотнения исследовательская группа компании Nippon Telegraph and Telecommunications добилась скорости передачи в 80 Гбит/с (восемь каналов по 10 Гбит/с) на расстояние более 500 км.
Тот же метод будет использован и при реализации проекта ESTHER (Испытательная солитонная магистраль для Европейского кольца) - сети протяженностью 700 км со скоростью передачи данных 40 Гбит/с, которая будет проложена в Риме в будущем году.
Один из авторов проекта ESTHER - Национальный центр по исследованиям в области телекоммуникаций компании France Telecom (CNET).
Сейчас CNET работает как над технологиями передачи данных на большие расстояния, так и над повышением скорости передачи на короткие дистанции. Кроме того, Центр ведет исследования в области оптической коммутации. К настоящему моменту в CNET добились скорости передачи данных в 40 Гбит/с на 10 тыс. км при уровне ошибок менее 9-10%.
Несмотря на эти достижения, в ближайшем будущем солитоны не смогут вытеснить традиционные каналы, по крайней мере соединяющие удаленные точки. Так считает руководитель лаборатории CNET по исследованиям в области систем передачи данных Патрик Вандам.
"Мы считаем, что использование солитонов станет целесообразным лишь в следующем поколении систем, пропускная способность которых на длину волны будет увеличена с 2,5 Гбит/с до 10-20 Гбит/с".
По его мнению, солитонные каналы могут найти применение в высокоскоростных системах передачи данных на малые расстояния. В частности, CNET сейчас испытывает канал на 200 Гбит/с.
Как сказал Линн Молленауэр, научный сотрудник Lucent Technologies, солитоны обеспечивают не только высокую скорость, но и экономию энергии. (Группа Молленауэра первой начала практические эксперименты в области солитонов, а автором теории их существования является Акира Косегава.)
Молленауэр отмечает, что в традиционных системах данные передаются по принципу NRZ (с возвращением к нулю), тогда как солитоны делают это в режиме RZ (без возвращения к нулю). В режиме NRZ пучок передается непрерывно до тех пор, пока не произойдет смена двоичного нуля на единицу или наоборот. В RZ наличие пучка соответствует лишь единице.
По словам Молленауэра, в режиме RZ пучок менее чувствителен к интерференции и размыванию при уплотнении сигнала.
Кроме иного режима передачи, солитонное оборудование практически ничем не отличается от обычного, и это должно приблизить начало коммерческого применения новой технологии.
Несмотря на то что солитоны все еще считаются экспериментальной технологией, Моленауэр полон оптимизма: "Мы доказали жизнеспособность и работоспособность солитонных систем".
Между тем профессор электротехники и компьютерных наук Массачусетсского технологического института Херман Хаус считает, что главный итог исследований в области солитонов - не создание технологии будущего, а ускорение развития традиционных методов передачи по оптоволокну без повторителей.
По мнению Хауса, солитоны будут играть немаловажную роль в области высокоскоростной коммутации.
"Когда мы будем иметь дело со связью на терагерцевых частотах, нам понадобятся коммутаторы, способные справиться с такими скоростями. Единственным реальным средством в этом случае будет солитонная коммутация.
Естественно, при солитонной коммутации понадобится и солитонная связь", - сказал Хаус.
Солитонные волны
Солитон, о котором рассказывается в статье, - это особый импульс света, проходящий по кварцевому оптическому волокну - световоду. Поведение движущегося по световоду солитона отличается от поведения обычных световых импульсов. Интенсивность обычных импульсов, распространяющихся по световоду, может затухать из-за всегда существующих, хотя и малых потерь; кроме того, имульсы способны менять свою форму, а иногда они даже распадаются на множество отдельных слабых импульсов. Это свойство, называемое дисперсией, хорошо изучено, оно часто встречается в волновых явлениях различной природы. Дисперсия появляется в тех случаях, когда импульс (одинокая волна) представляет собой совокупность синусоидальных волн с различными периодами. Для волн световой природы разные периоды соответствуют различным цветам. Волны различных цветов распространяются с разной скоростью (их скорости совпадают только в вакууме). В определенном месте волны составляют импульс, затем они разбегаются, что и приводит к изменению формы и распаду импульса по мере его распространения в среде. Если информация передается последовательностями импульсов, то при изменении формы импульсы начинают перекрываться, отличить информацию становится невозможно, и, в конечном итоге, она просто теряется. Именно это и ограничивает пропускную способность обычных волоконно-оптических линий связи при достаточно высокой скорости передачи информации.
При солитонной передаче используются нелинейные свойства легированного кварцевого стекла, из которого изготавливается световод. При большой интенсивности импульса света оптические свойства материала световода, главным образом его показатель преломления, меняются, а вместе с ними меняются и характеристики самого оптического импульса. При достаточно коротких мощных импульсах происходит взаимная компенсация процессов нелинейного и дисперсионного искажения, в результате чего световая волна распространяется без изменения своей формы. Такой импульс и называется солитоном.
Станут ли линии связи солитонными, мы увидим через несколько лет. Однако уже сейчас можно с уверенностью сказать, что в самом ближайшем будущем спутниковым каналам придется значительно потесниться из-за того, что пропускная способность волоконно-оптических линий связи очень быстро растет. Так, на последней конференции по волоконно-оптической связи (OFC'97) японские ученые из NTT сообщили, что в Стране Восходящего Солнца уже работает солитонная линия со скоростью передачи данных 100 Гбит/с (5 каналов по 20 Гбит/с), ее длина составляет 10 тыс. км.
сотрудник Научного центра волоконной оптики Института общей физики РАН
Телекоммуникации на гребне солитонной волны
Исследование солитонных волн имеет довольно обширную историю. Все началось с наблюдения, которое сделал в 1834 году шотландский инженер военно-морского флота Джон Скотт Рассел. Стоя возле неглубокого узкого канала Эдинбург-Глазго, он вдруг заметил, как в результате торможения баржи возникла одиночная волна, которая затем прошла около двух миль, сохраняя свою высоту и форму. Это необычное явление он назвал "великой волной перемещения" (Great Wave of Translation). Для ее изучения он создал 9-метровую модель канала. Спустя десять лет, в 1844 году, Рассел выступил на заседании Королевского Общества с докладом о своих наблюдениях.
Еще полвека спустя, в 1895 году, в английском журнале Philosophical Magazine была напечатана статья датских ученых Дьедерика Йонаннеса Кортевега и Гендрика де Фриса, в которой в виде дифференциальных уравнений описывалось поведение некоторых разновидностей волн в канале небольшой глубины. Уравнение, приведенное в той статье, впоследствии стало классическим уравнением теории солитонных волн. Оно получило название уравнения Кортевега - де Фриса. Оно служит доказательством существования пропорциональной зависимости между скоростью солитонной волны и ее высотой.
Уравнение Кортевега - де Фриса обогнало свое время на несколько десятилетий. До середины нашего века о нем практически не вспоминали. О том, сколь малое значение придавалось этому уравнению, свидетельствует тот факт, что оно даже не было упомянуто в некрологе Кортевега, опубликованном в научном ежегоднике Датской Королевской Академии искусств и наук за 1945-46 годы.
Ренессанс исследований солитонных волн начался только в 50-х годах. В 1955-м Энрико Ферми, Джон Паста и Станислав Юлем провели численное исследование модели тепловых явлений, используя для этого компьютер Manaic I, работавший в то время в Лос-Аламосе, и обнаружили солитонные волны, возникающие при распространении тепла. В 1963 году двое ученых из Принстонского университета, Норман Забуски и Мартин Краскал, проанализировали задачу распространения тепла Ферми - Паста - Юлема и обнаружили связь между предельным вариантом этой задачи и уравнением Кортевега - де Фриза. Два года спустя они нашли численное решение этого уравнения. В результате тщательного просчитывания математической модели ученые открыли свойство одиночных волн сохранять форму после взаимного столкновения. Кстати, именно Забуски и Краскал назвали эти волны "солитонами" (от слова solitary - "одинокий, одиночный"). В 1972 году наши соотечественники Владимир Захаров (ныне академик, директор Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН) и Алексей Шабат (ныне профессор того же института) сформулировали задачу, описывающую процесс распространения модуляционных волн и имеющую, как оказалось, солитонные решения.
Изучение солитонных волн в оптике началось также в 60-х годах. В 1969 году Сэм Мак-Колл и Эрвин Хан установили существование солитонных явлений при движении световых волн в некоторых оптических средах. Четырьмя годами позже, в 1973-м, Акира Хасегава и Фред Тапперт из Bell Laboratories впервые предположили возможность применения солитонов в волоконной оптике. В 1980 году Линн Моллинауэр, Роджерс Столлен и Джеймс Гордон, также из Bell Laboratories, провели демонстрацию прохождения солитонных волн через оптоволокно, а в 1988-м группа исследователей из компании Bell Laboratories осуществила передачу солитонных волн по волоконно-оптическому каналу длиной 6 тыс. км без использования каких-либо промежуточных устройств.