В период усиления западных технологических санкций отрадно видеть, что по ряду направлений российские компании занимают лидирующие позиции. Это касается, например, вопросов связанных с лазерными технологиями и их применением в оптоволоконной связи. Одним из пионеров здесь выступает компания IPG, в России - это её дочернее предприятие ИРЭ Полюс (Фрязино), представленные на выставке Связь-2022.
Для развития систем связи 4G, 5G критически важна транспортная инфраструктура, обеспечивающая перенос больших потоков данных по каналам связи. Поколение связи 5G существенно повышает планку требований по скорости передачи данных, задержке сигнала, ёмкости сети, энергоэффективности, доступности в экстремальных условиях. Поскольку оптическое волокно является оптимальным переносчиком данных, обратим внимание на его свойства.
#волс
При осуществлении переноса данных в любых сетях часть сигнала имеет свойство теряться, поэтому всегда актуален вопрос его усиления и в ВОЛС - волоконно-оптических линиях связи. Периодическая регенерация сигнала путем преобразования оптического сигнала в электрический, а затем обратно, - это лишь один из необходимых, но обременительных компонентов ВОЛС. Адекватной передаче данных всё больше помогают оптические усилители. Российско-американская компания IPG - ИРЭ-Полюс с начала 90-х годов выступала пионером в развитии эрбиевых усилителей (EDFA - erbium-doped fiber amplifier), а позднее она заняла лидирующие места в развитии рамановский усилителей, или ВКР-усилителей.
#оптические усилители
Фундаментальные принципы работы и EDFA, и ВКР-усилителя опираются, разумеется, на закон сохранения энергии. Важную дверку для познания в этой области открыл американский ученый Артур Комптон. В 1923г. он наблюдал эффект рассеяние фотона при столкновении с электроном. За доказательство таким образом существования фотона Комптон в 1927г. получил Нобелевскую премию. Всё выглядит очень "просто" - рассеяние фотона при встрече с электроном приводит к передаче энергии - энергия фотона уменьшается, и это увеличивает длину его волны (как характеристике). Напомню, что чем больше частота, тем больше энергия, а длина волна обратно пропорциональна частоте.
Ранее классический электромагнетизм предсказывал, что длина волны рассеянных лучей должна быть равна начальной длине волны, но многочисленные эксперименты показали, что длина волны рассеянных лучей была больше (что соответствовало более низкой энергии), чем исходная длина волны. Как предположил ещё в 1900г. Макс Планк, величина кванта энергии (E) связана с частотой волны (v) через постоянную Планка E=hv.
При описании физики работы эрбиевого усилителя (EDFA) совсем не вспоминают Комптона, понятия поглощающей и инверсной (усиливающей) среды вытесняют понятия одиночного фотона и электрона, готового в результате лобового столкновения покинуть пределы вещества.
Как работает такой оптический усилитель? Опишем это в самом общем виде. Лазер обеспечивает накачку энергии (света) в волновод на волнах, как правило, 980 или 1480 нм. Электроны эрбия с основного уровня в атоме при поглощении этой доп.энергии вынужденно перемещаются на верхние нестабильные уровни. Оттуда они опять уходят на свой основной уровень, излучая при этом переходе свет в спектре 1530-1560 нм. В итоге игры этих квантовых переходов - микрочастица (эрбия легированного в состав кварцевого волокна) излучает фотон на нужной нам длине сигнальной волны, т.е. усиливает сигнал. Подчеркнем, что в результате взаимодействия света (фотонов) и микрочастицы возникает поток фотонов на большей, чем исходная, длине волны.
Дело в том, что волокно, легированное эрбием на участке несколько десятков метров, имеет две сильные полосы поглощения около 980 нм и 1480 нм. Но поглощая фотоны, микрочастицы переходят в возбужденное электронное состояние, а потому начинают отдавать энергию в естественно-стимулированном "стремлении" вернуться к равновесному состоянию. Микрочастицы начинают излучать фотоны когерентно с полезным сигналом. Свет в так называемом окне прозрачности 1530-1560 нм, усиливается-умножается, происходит клонирование идущего по волокну полезного информационного сигнала.
Конкуренцию эрбиевым усилителям в 21 веке составил Рамановский усилитель. Первый серийный усилитель Рамана был представлен в 2012 году. В России он носит название ВКР усилитель (ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Индийский ученый Раман в 1928г. (одновременно с советскими учеными Л.И.Мандельштамом и Г.С.Ландебергом) открыл явление комбинационного рассеяния света и дал истолкование этому явлению как оптическому аналогу эффекта Комптона, сделавшего своё открытие при работе с рентгеновскими лучами.
Когда свет взаимодействует с молекулами в газе, жидкости или твердом теле, подавляющее большинство фотонов рассеивается, имея ту же энергию, что и падающие фотоны. Этот процесс называется упругим или рэлеевским рассеянием. Но некоторые фотоны — примерно один из 10 миллионов — после рассеяния приобретают частоту, отличную от частоты падающего фотона, в основном меньшую.
Как и в случае с эрбиевым усилителем (EDFA) комбинационного рассеяние света (К. р. с.) можно рассматривать как процесс, состоящий из двух связанных актов,- а) поглощения кванта первичного света с частотой V и б) испускания кванта с другой частотой v. однако в отличие от рассмотренного усилителя EDFA при К. р. с. система под действием фотона накачки не переходит в возбуждённое электронное состояние даже на очень короткое время. Падающий фотон света изменяет колебательный режим всей микрочастицы, как я понимаю, не изменяя порядка электронов вокруг атома.
Итак, лазером накачки подается энергия в волновод, что имеет целью усилить поток передачи информации на сигнальной волне. Преобразование фотонов накачки (на длине волн 1445, 1456, 1427 и 1462 нм) в сигнальные фотоны (в диапазоне 1530-1570 нм) происходит за счет способности материала (здесь кварца) поглощать соответствующую разность энергий, рождая акустические волны. И получается, что молекулы волокна излучают свет в фазе и на той же длине волны, что и длина волны сигнала. Эта способность проистекает из фундаментального свойства колебательного режима существования микрочастиц.
Мощные рамановские усилители имеют ряд преимуществ перед эрбиевыми, включая 1) возможность усиления волн в большем диапазоне, чем EDFA, и 2) большую длину пассивных участков оптического тракта без промежуточных пунктов для усиления сигнала. Второе преимущество - возможность удаленной накачки - особенно актуально на малонаселенных территориях и в морских акваториях, где трудно размещать для электрооборудование для работы лазеров накачки. Как мне пояснил инженер IPG на выставке - тот же оптический усилитель удаленной накачки (ROPA) не требует электропитания, он монтируется в муфте на линии связи в нужном месте. Возбуждение участка активного волокна, легированного эрбием (20 метров) и последующее усиление поездного (полезного) сигнала происходит за счет удаленной рамановской накачки на длине волны 1480 нм в попутном направлении и 1450 нм во встречном.
Экономически рамановские усилители оправданы при расстоянии между пунктами более 120 км в многопролетной линии, более 150 км малопролетной. Например, Ирэ-Полюс для ФСК-Россетей сделал сверхдлинную линию связи ВОЛС без промежуточных пунктов 506 км между Петербургом и Череповцом.
По словам одного из инженеров компании, лазерный усилители для подводных линий поставлялись ими в Бразилию и Сингапур.
Конкуренция двух типов усилителей, тем не менее, не исключает их комбинирование в гибридных установках. Часто в гибридном варианте рамановскую установку размещают перед эрбиевым (EDFA).
Особенностью рамановских усилителей нашей IPG. ИРЭ-Полюс является использование собственного волоконного лазера накачки в отличие от практики использования дорогих полупроводниковых диодов накачки "чистыми" иностранными компаниями. В волоконном лазере излучение на нужной длине волны генерируются в самом волокне. Но это уже другая тема, как и полупроводниковые усилители.
по выставке Связь 2022 смотрите также у меня видео Об импортозамещении. Реально ли ? Дискуссия директоров на форуме выставки Связь 2022. Центры обработки данных - ЦОД
по лазерной теме см. статью также Космическая лазерная связь. Россия и США. Фотоника 2022. О выставке Связь 2023 см.здесь
Материал включен в подборку "Связь. Технологии". Смотрите уникальные материалы в блоге Друг Истории
Признателен за поддержку! Чтобы поддержать автора, ставьте пожалуйста лайки и подписывайтесь на канал исторической аналитики.
Душин Олег, журнал №111, Друг Истории, анонсы публикаций также Tелеграмм канал Друг Истории.
