Волоконно-оптический усилитель, легированный эрбием (Erbium Doped Fiber Amplifier — EDFA), появился в 1986 году и навсегда изменил наш мир. Сигналы по оптоволоконным кабелям теперь можно передавать на тысячи километров без электронных повторителей, а также разделять их на отдельные полосы разной длины волны, применяя плотное мультиплексирование DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). 

Это увеличило пропускную способность на несколько порядков, а суммарная протяженность кабелей, уложенных под водой, на 2023 год составляет около 1,4 млн км. 

Посмотрим на историю изобретения EDFA, его принцип действия и роль в развитии интернета.

Примечание: статья предназначена для широкого круга читателей. Объяснять будем максимально упрощенно, посему специалистам по ВОЛС просьба несильно ругаться в комментариях ????

Начало: появление оптоволокна

Идея передачи какой-то информации светом не нова. Например, еще сотни лет назад моряки определяли свое местоположение в море по частоте вспышек на маяках. Каждый маяк имел свою «зарезервированную» частоту, примерно как сейчас в телевидением или радио. Даже ночью в тяжелых погодных условиях можно было точно понять, к какому конкретно порту приближается корабль.

Важной вехой, которая приближает нас к теме статьи, стало изобретение в 1880 году Александром Беллом фотофона как альтернативы его телефону. Суть была такой: свет попадал на гибкое зеркало, которое перенаправляло луч к приемнику. Когда человек говорил, форма зеркала изменялась, периодически фокусируя или рассеивая свет. В свою очередь, в приемник были встроены селеновые ячейки — они изменяли свою проводимость в зависимости от интенсивности света. Появлялась последовательность электрических импульсов, поступающих на выводное устройство — точно как в телефоне.

Однако такой принцип передачи был очень нестабилен: любые препятствия на пути света делали передачу невозможной, да и зависимость от погоды тоже никак не помогала. Нужно было защитить световой поток, поместив его в какую-то защитную оболочку и передавать, словно электрические импульсы в телеграфном кабеле (тем более «шо то волна, шо это волна»). 

Но все-таки свет имеет свойство рассеиваться и преломляться — поэтому все намного сложнее, чем с потерями на кабеле при передаче электрического сигнала. В идеале нужно было получить «концентрированный» световой поток со строго определенной длиной волны, которая была бы наиболее эффективна в конкретных условиях применения. Ну и найти материал, в котором все это будет передаваться. 

Прорыв случился, когда в 1958 году появился лазер (LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation): устройство, усиливающее свет посредством вынужденного излучения. Это означало, что теперь можно было получить свет в нужном диапазоне частот и с нужной мощностью, да еще и направить его в нужную точку. Оставалось найти канал, в котором будет происходить передача.

В 1961 году Элиас Снитцер опубликовал теоретическое описание одномодового волокна (SMF). Он предположил, что можно: 

• направить ИК лазер через очень тонкий прозрачный канал из стекловолокна, диаметр которого сопоставим с длиной волны (в современных системах — 9 мкм при длине волны 1,55 мкм). 

• поместить все в «отражающую» оболочку из более толстого стекла с меньшим показателем преломления (опять же, в современных кабелях речь обычно идет о диаметре в 125 мкм).

Примечание: про многомодовые кабели (MMF), которые не предназначены для передачи на большие расстояния, мы в рамках статьи говорить не будем.

В результате свет будет испытывать полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред с разными показателями преломления — все как в классической оптике. Потери из-за рассеивания будут меньше, а значит, сигнал можно будет передать на большее расстояние. 

Идея была замечательной, однако проблема была в составе материала, при прохождении через который волна света сильно затухала — в первых опытах речь шла о 1000 дБ/км. Если очень примитивно, то некоторые фотоны как бы «рассеивались» при взаимодействии с атомной структурой, и поток света становился слабее. Нужно было найти способ, как уменьшить количество «лишних» элементов и, как следствие, число паразитных соударений фотонов. Проще говоря, сделать материал более прозрачным, уменьшив количество примесей. 

В 1964 году Чарльз Као и Джордж Хокхэм в своих исследованиях предположили, что теоретически потери можно снизить в 50 раз — до 20 дБ/км. Они обнаружили, что идеально на роль проводника света с точки зрения прозрачности и чистоты подходит плавленый кварц, он же — кварцевое стекло. За эту работу Као и Хокхэм были удостоены Нобелевской премии по физике в 2009 году. 

В 1970 году инженер Дональд Кек из Corning Glass Works нашел способ сделать кварц еще прозрачнее — легировать его титаном. Первые опыты показали, что при длине излучаемой волны в 850 нм затухание на куске стекловолокна в 20 метров составило всего 16 дБ/км. Кстати, такая длина волны соответствовала лазеру на основе арсенида галлия GaAs, получившему распространению в то время. Как говорится, звезды сошлись.

Спустя еще два года исследований Кек обнаружил, что легирование кварца оксидом германия снижает затухание до невероятных 4 дБ/км. В 1973 году в Bell Laboratories был открыт процесс химического осаждения из газовой фазы — теперь можно было производить химически чистое стекловолокно в промышленных масштабах. 

Дальнейшие исследования показали, что на затухание влияет не только чистота материала. Дело в том, что в стекловолокне есть так называемые окна прозрачности (transmission window) — на разной длине волны показатели затухания тоже разные. Простыми словами, чем меньше частота колебаний в ИК спектре, тем проще фотонам проскочить сквозь узлы в атомной решетке материала. Но это все же нелинейная характеристика, в которой есть три зоны.

В 1970-х годах системы оптической связи работали в первой зоне (А) — от 800 до 900 нм. С появлением гетеролазеров на основе арсенида галлия-индия (InGaAs) в 80-х годах получилось создать длину волны 1300 нм (зона В) и уменьшить затухание аж до 0,5 дБ/км. 

Оптоволоконная связь начала распространяться по миру: например, в 1980 году с ее помощью была передана первая картинка с Зимних Олимпийских игр в Лейк-Плэсиде. Кабели начали прокладывать под водой и поняли, что про старые-добрые медные кабели для телекоммуникации можно забыть.

Более подробно устройство самих морских оптоволоконных кабелей и способы их укладки описаны в этой статье на Хабре.

Революция: открытия EDFA

С переходом на более совершенные гетеролазеры GaInAsP, излучающие длину волны в 1550 нм, затухание в оптоволоконном кабеле смогли уменьшить до 0,22 дБ/км. Но оставалась проблема, связанная с прокладкой на суперогромные расстояния в тысячи километров.

Дело в том, что даже при таком коэффициенте через 50 км затухание составит чуть больше 10 Дб — это означает, что поток света уменьшится в 10 раз. Как тут можно говорить о кабеле между США и Англией, когда их разделяет примерно 6000 км? Сигнал настолько исказится, что передача станет попросту невозможной. 

Тем не менее решение нашли. Первый трансатлантический кабель с применением оптоволокна проложили в 1988 году — TAT-8. Он позволял передавать поток данных со скорость 280 Мбит/с, что соответствовало 40 000 телефонных линий. И передача сигнала в нем была возможна при помощи электронных повторителей — они ставились через каждые 40 км и усиливали сигнал на величину затухания. 

Вот как работали электронные повторители (их еще называют O-E-O усилители): ослабленный световой сигнал воспринимается фотодиодом, который формирует последовательности импульсов. Дальше они передаются на трансмиттер, управляющий лазером. Электрические импульсы преобразуются в свет, излучаемый в следующий отрезок кабеля длиной 40 км. А еще сигналы от фотодиода можно дополнительно фильтровать, как заблагорассудится. Поэтому О-Е-О повторители используются и сейчас — например там, где не требуется высокая скорость передачи, но важно устранять шумы. 

Однако для передачи данных по трансатлантическому кабелю они не очень подходят:

• Дорого. Стоимость прокладки TAT-8 и так составила 330 млн долларов. 150 дополнительных О-Е-О преобразователей, способных передавать до 280 Мбит/с данных, кажется, прилично увеличили бюджет. 

• Менее безопасно. Чем больше промежуточных элементов в любой системе, тем ниже вероятность безотказной работы (хотя с точки зрения поиска проблемы это не совсем верно);

• Медленно. Дело в том, что единственный путь увеличить пропускную способность через один и тот же отрезок кабеля — это уплотнять сигналы. А для этого нужно отправлять сразу нескольких десятков пучков света, каждый из которых имеет свою длину волны (например, с шагом в 0,4 или 0,8 нм). После чего декодировать эту кашу при помощи мультиплексора — тот самый принцип DWDM. Однако О-Е-О повторители так не умеют, и как-то значительно увеличить пропускную способность через них нереально. 

В 1985 году аспирант Роберт Мирс начал работу над созданием оптического усилителя сигнала по оптоволоконному кабелю. Работа проходила в университете Саутгемптона под руководством профессора Дэвида Пэйна — он исследовал оптическую передачу информации с 1967 года. 

Роберт Мирс предложил оригинальную идею: почему бы не усилить свет.... Светом? Для этого они вместе с Дэвидом Пейном провели ряд экспериментов и обнаружили, что редкоземельный эрбий обладает тем самым нужным свойством. 

При «накачке» эрбия полупроводниковым лазером с длиной волны 980 нм или 1480 нм его атомы переходят в возбужденное состояние и излучают дополнительные фотоны, которые значительно усиливают основной сигнал. Чтобы стало понятно — на длине волны 1535 нм усиление составило 28 дБ, или примерно 1000 раз! 

Давайте разберем процесс чуть подробнее, не погружаясь в саму физику — (кому интересны детали, вам сюда):

• Основной слабый сигнал проходит через фильтры: изолятор работает как обратный клапан, а блок фильтров пропускает только основную волну и блокирует волну «накачки».

• Далее сигнал попадает на участок кабеля (в оригинальной статье указывалось 3 метра), сердцевина которого легирована эрбием. Участок непрерывно подвергается излучению лазера «накачки» с длиной волны 980 нм или 1480 нм, из-за чего атомы эрбия переходят в возбужденное состояние, запасая энергию. (980 нм обеспечивает наименьший шум, а 1480 нм — наибольший коэффициент усиления)

• Фотоны основного сигнала взаимодействуют с возбужденными атомами эрбия. Те переходят в нормальное состояние, излучая запасенную энергию в виде дополнительного фотона. Происходит усиление основного сигнала без изменения фазы и длины волны.

• Дальше через разветвитель и еще один «обратный клапан» восстановленный сигнал движется по кабелю дальше. 

Рекомендуем ознакомиться с оригинальной статьей Мирса и Пэйна. Хотя она датируется 1987 годом, патенты были получены еще в 1986 году.

В 1987 году с работой Мирса и Пэйна познакомился Эммануэль Десурвир, работавший на тот момент в Лаборатории Белла и занимавшийся исследованием усилителя Рамана и полупроводниковых оптических усилителей (SOA). Он сразу понял, что у технологии с легированием эрбием большое будущее, и подключился к исследованиям, убедив своих боссов профинансировать проект. За свои исследования в области усилителей сигнала Эммануэль Десурвир вместе с Дэвидом Пейном получил престижную Millenium Technology Prize в 2008 году.

К сожалению, сразу внедрить столь революционную идею не получилось. Казалось бы, что мешает использовать EDFA в трансатлантическом кабеле TAT-8, проложенном в 1988 году, спустя два года? Возможно, дело было в неуверенности, что все будет надежно работать под водой — никому же не хочется доставать кабель со дна из-за одного отказавшего узла. Либо же поставщики электронных повторителей E-O-E пролоббировали свои интересы, чтобы не терять контракты на прокладку кабелей? Но по большому счету, это уже было неважно.

Впервые EDFA применили в 1996 году при прокладке оптоволоконного трансатлантического кабеля ТАТ-12/13. Это был первый кабель, в котором использовалась кольцевая структура, состоящая из двух отрезков кабеля, проложенных по дну океана. ТАТ-12/13 соединял между собой США, Великобританию и Францию и имел пропускную способность до 10 Гбит/с (по 5 Гбит/с на каждый из двух каналов). 

Изобретение EDFA совпало с началом бума доткомов и дерегулированием телекоммуникационной отрасли в США и Великобритании. Конкуренция между компаниями, растущий спрос на пропускную способность Интернета и готовность банков и IT-гигантов финансировать проекты подводных кабелей создали среду, которая способствовала массовой прокладке кабелей. 

Многие из них, рассчитанные на эксплуатацию в 25 лет, были выведены из эксплуатации значительно раньше — просто потому, что потребности значительно превосходили возможности. Например, ТАТ-12/13 перестал использоваться уже в 2008 году, через 12 лет эксплуатации. Теперь он составляет часть «темного оптоволокна», раскиданного по всему земному шару. 

Как оптический усилитель повлиял на мир

Влияние EDFA было колоссальным — ведь появилась возможность передачи огромного потока данных на тысячи километров без дополнительных усилений и с технологией DWDM, про которую мы говорили выше (есть еще CDWM или DWM — та же самая «упаковка» каналов, но попроще и подешевле). По сути, именно из-за EDFA прямо сейчас миллионы людей одновременно имеют широкополосный доступ в интернет.

Атомы эрбия дают приемлемый коэффициент усиления для длин волн в диапазоне от 1530 до 1570 нм. Это достаточно широкая полоса, чтобы в одномодовом волокне можно было принять несколько сигналов, каждый из которых имеет свою, гораздо более узкую полосу длин волн (скажем, с шагом в 0,8 нм получится 50 каналов, а с шагом 0,4 нм уже 100 каналов). 

В итоге скорость в сетях с DWDM может достигать до 600 Гбит/с, а пропускная способность до 28 Тбит/с. Про эксперименты с петабитами в секунду на участке в 67 км или 319 Тб/с на 3000 км даже говорить не будем — тут нужно только успевать читать новости на Хабре. 

Согласно данным Дональда Кека — того самого, что сделал первый оптоволоконный кабель — с 1980 по 2013 год пропускная способность оптоволоконных сетей увеличилась в 10 000 000 раз. 

Это больше, чем рост количества транзисторов на кристаллах микропроцессоров за тот же период. А как известно, он подчиняется закону Мура. И тут возникает вопрос — а есть ли что-то подобное для передачи данных? 

Вроде как да, ведь есть нелинейный предел Шеннона, который гласит, что нельзя передать без ошибок бесконечный объем информации, с учетом полосы пропускания и соотношения сигнал/шум. 

Понятно, что EDFA и DWDM, о которых мы говорили — это уже далекое прошлое. Сейчас появляются невероятные технологии, возможности передачи растут словно по экспоненте, и кажется, что предела Шеннона мы на нашем веку не достигнем. 

Или все-таки это не так, и спрос все-таки скоро превысит предложение? Делитесь в комментариях!

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.