Потенциальные возможности ВОСП по пропускной способности и скорости передаваемых сигналов по сравнению с другими системами передачи информации определили их ведущую роль в организации магистральных сетей связи. Ресурс оптического волокна (ОВ) по частотной полосе и, соответственно, скорости передачи цифровых сигналов достигают, в зависимости от длины оптической несущей порядка нескольких десятков терагерц. Освоение этих возможностей позволит значительно увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Сейчас телекоммуникационные системы позволяют создавать цифровые информационные системы передачи различных видов – перенос в различном виде аудио, видео-, а также передачу данных. С точки зрения развития ТКС перспективным решением для передачи всех видов трафика являются волоконно-оптические системы передачи (ВОСП)
В следствие этого для последующего увеличения производительности важны развитие архитектуры основы работы устройств, материалов и технологий производства оптоволоконных систем передачи информации. Ученые оценивают положительно возможное будущее относительно использования графена в качестве основы для волоконно-оптических трактов. Материал показал свои свойства, оказавшись довольно гибким, долговечным и электропроводящим. На этом положительные свойства графена не заканчиваются, с помощью графена возможно сделать суперкомпьютер, в котором габариты вычислительных ячеек станут уменьшены в миллионы раз.
В следствие этого, снова же, на первый план выходит становление базисной технологии изготовления, которая во многом ориентируется новыми идеями и размером вложенных средств. Несмотря на значительные успехи в области нано технологий, имеющие место быть в текущее время ограниченные разрешения (около 10 нм) пока не дают возможность использовать новую компьютерную технологию. Одной из методик перехода на следующий уровень качества и скорости передачи считается становление устройств обработки и передачи с поддержкой молекулярной электроники; внедрение в качестве элементарной базы отдельных молекул органических соединений. Всевозможные конфигурации молекул предоставляют неограниченный диапазон для кодировки всех состояний элементарных частиц и информационных сообщений в них.
Ситуация в нано технологиях может скачкообразно перейти в сторону полного перевода к технологии в случае уменьшения значимых расходов энергии на управление и конфигурацию таких систем с помощью наружных сигналов с поддержкой способов зондирования. Последние заслуги в области сканирующей атомно-силовой микроскопии дают возможность манипулировать отдельными молекулами. Это приведет к последующей миниатюризации электрических приборов, потому что присущие миниатюрные размеры составляющих молекул на несколько порядков меньше объемов управляемых ими электрических схем. Впрочем, неувязка объединения «вычислительных молекул» с другими системами ещё не решена. Одним из «обликов» молекулярной электроники считается изотопная физика, изучающая применимость изотопной физики во множества областях науки и техники, от компьютерных и телекоммуникационных систем до фармацевтических средств.
На текущий момент основное направление развития нано технологий уделяется применению изотопных качеств химических составляющих для работы приборов инфокоммуникационных систем; технологиями изготовления графеноподобных материалов. При тематических исследованиях применяются всевозможные способы изучения существующих, а также открытия новых, потенциально пригодных для использования в элементах волоконно-оптических систем и трактов, путём моделирования построения изотопной структуры ВОСП при помощи нано технологий на уровне атомного слоя. Новейшая структура основ составляющих, построенная с поддержкой молекулярной электроники и изототроники, потребует обновления основ передачи и обработки. Исходя из современных направлений развития систем передачи можно сделать вывод, что квантовые системы поменяют используемые по сей день технику работы с информацией.
Для исследования возможностей увеличения пропускной способности оптических систем передачи рассмотрим простую схему приемного и передающего модулей.
Рис. 1 Структурная схема передающего и приемного оптического модулей.
На рисунке 1 изображена схема построения приемопередающего оптического модуля, где ОМ- оптический модулятор; ИОИ- источник оптического излучения; ОР – оптический разветвитель; СОИ – стабилизатор режима работы оптического излучения; ОС – линейный оптический сигнал; СВД- схема встроенной диагностики; СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель; ОВ- оптическое волокно.
Для увеличения дальности передачи за счет наилучшего распространения световой волны были исследованы оптические волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями и устройствами, как источник оптического излучения, оптический разветвитель, модулятор и т.д. являются основой приемо-передающего модуля оптической системы, следовательно, необходимо учесть, что при повышении информационной скорости передачи данных, пропускной способности волокна основную долю бюджета на проектирование и постройку необходимых кабельных сооружений, таких как кабельные канализации, системы оптической рефлектометрии и контроля отводится на прокладку оптического волокна.
С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости ВОСП, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности ОВ за счет одновременной передачи по нему большего объема информации.
Следует учитывать, что постоянно увеличивающийся поток передаваемых данных привел к исчерпанию пропускной способности проложенного оптического волокна, поставив вопрос ее увеличения. Существуют несколько вариантов решения этой задачи: проложив новый кабель, перейдя к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применив технологию мультиплексирования по длине волны. Отметим, что на сегодняшний день представляет определенный интерес анализ предельных значений параметров оптических линий связи и возможностей их повышения с помощью нано технологий.
Оценку проведем на примере двух основных информационных технологий передачи цифровых сигналов по оптическому волокну, а именно: временного TDM и волнового WDM уплотнений.
Основываясь на формуле Шеннона, получаем, что информационная емкость непрерывного канала определяется следующим образом [1]:
V = T · F · D,
где T – время передачи информации (период дискретизации согласно теоремы Котельникова), F – широкополосность канала (величина, обратная длительности выборки сигнала); D = log2 (1 + Pc /Pш) – динамический диапазон канала; (Pc /Pш) = ρ – соотношение мощностей сигнала (квадрата амплитуды выборки) и шума (чувствительности фотодетектора или мощности темнового тока) на входе приемника.
Для создания математической модели волоконно-оптической системы примем ряд приближений. Период дискретизации T можно принять равным периоду тактовой синхронизации (125 μс). Широкополосность сигнала F зависит от амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) оптического усилителя (ОУ) и выбранного «окна прозрачности» ОВ и должна иметь порядок около 1 ТГц [2]. Под динамическим диапазоном D понимается количество бит информации, приходящееся на одну выборку сигнала. После квантования амплитудно-импульсного сигнала на 256 уровней и двухпозиционного кодирования, получим, например, восьмиразрядную комбинацию, в которой каждый оптический импульс будет нести следующее количество бит информации [2]:
(ρ>> 1): D = (log2 ρ) /n,
где n – число разрядов в кодовом слове.
Раскрывая формулу Шеннона для оптического волокна дает возможность провести сравнительный анализ технологий оптического уплотнения TDM и WDM по количеству передаваемой информации, скорости передачи сигналов и определить, какая из технологий наилучшим образом может увеличить пропускную способность ВОСП.
Кроме того, с помощью формулы Шеннона можно увидеть наиболее перспективные пути совершенствования ВОСП.
Разделив формулу (1) для расчета информационной емкости ОВ на время тактовой синхронизации, получим в общем виде выражение для пропускной способности С оптического волокна. Так, C = Fов log2 ρ/n или C = (Kf · b/τэ) · (log2 ρ) /n
Существующая тенденция к сокращению разницы между оптическими несущими в технологии WDM, которая уже близка к ширине спектра оптического сигнала (1/ τэ) [2], позволяет записать:
C ≈ K · v (log2 ρ) /n.
Исходя из формулы (2) можно сделать вывод, что для увеличения пропускной способности и скорости передачи информации для обеих технологий являются технические возможности использования всего диапазона частот ОВ.
Наиболее эффективным способом повысить пропускную способность ВОСП оказалось расширение частотных границ оптического волокна или уменьшение интенсивности излучения на единицу площади сечения сердцевины ОВ, например, за счет увеличения этого сечения. Этого можно достичь с использованием, к примеру, нового типа ОВ с использованием графеновых волноводов, обладающих увеличенными возможностями по приему и передаче различного типа данных. Подобные ВОСП будут основываться на новом фотонно-кристаллическом волокне (ФКВ).
Для оценки влияния элементной базы на пропускную способность ВОСП, введем в формулу пропускной способности соответствующие коэффициенты. Предположим, что на базе современных нано технологий и новых принципов работы электронных и оптоэлектронных устройств (транзисторов, лазеров, фотодетекторов), а также возможностей ОВ можно расширить параметр Fов в β1 раз, снизить порог чувствительности фотоприемника Pш и увеличить соответственно параметр ρ в β2 раз. Для сравнения влияния нанотехнологий и информационных технологий на пропускную способность ОВ допустим, что совершенствование способов сжатия сигнала уменьшит число разрядов в кодовом слове в γ1 раз, совершенствование способов приема повысит параметр ρ в γ2 раз.
Переписав формулу для пропускной способности (3) с учетом введенных коэффициентов, получим выражение, позволяющее оценить степень влияния информационных и нано технологий на величину С (4):
С = Fов · β1 (γ1 / n) · log2(ρ · β2 · γ2).
Отсюда видно, что введенные нами коэффициенты напрямую влияют на значение пропускной способности, причём коэффициенты β1 и γ1 влияют непосредственно, а коэффициенты β2 и γ2 влияют через логарифмическую функцию, которая изменяется медленнее, чем функция линейной зависимости первых коэффициентов.
Исходя из результатов математической модели, можно сделать вывод, что одними из наиболее перспективных направлений повышения пропускной способности ВОСП является повышение частотных границ оптического волокна и уменьшение интенсивности излучения на сердцевину оптического волокна.
Также необходимо отметить, что несмотря на использование современных методов мультиплексирования оптических сигналов, их использование позволяет добиться увеличения пропускной способности в несколько раз, а использование нанотехнологий позволяет повысить пропускную способность ВОСП в сотни раз, что дает несомненный выигрыш над используемыми на настоящий момент технологиями.
Список литературы
- Убайдуллаев, Р.Р. Волоконно-оптические сети [Текст] / Р.Р. Убайдуллаев. –М.: Эко-Трендз, 2004. –267 с.
- Скляров, О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи [Текст]/О.К. Скляров. –М.: Солон- Пресс, 2004. –261 с.
- Стерлинг, Дональд Дж. Волоконная оптика [Текст]/Дональд Дж. Стерлинг. –М.: Лори, 1998. –288 с.
- Мартинес-Дуарт, Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники [Текст]/ Дж.М. Мартинес- Дуарт, Р.Дж. Мартин-Палма [и др.]. –М.: Техносфера, 2007. –368 с.
