В последние годы крупнейшие производители оборудования для оптических сетей пустились в гонку за достижение рекордных значений пропускной способности. Это соревнование пока не выявило единоличного лидера, зато уже сегодня позволило продемонстрировать возможность передачи данных по одному волокну со скоростью 10,9 Тбит/с (компания NEC, март 2001 г.).

Согласно оценкам сотрудников Bell Laboratories, пропускная способность волоконно-оптических линий связи увеличивается в 100 раз каждые десять лет. Столь стремительный рост сопровождается удешевлением услуг, связанных с транспортировкой трафика по ВОЛС. Так, в соответствии с правилом, сформулированным в свое время Диксоном и Клэппом, стоимость одного голосового канала уменьшается как квадратный корень из суммарной пропускной способности сети. С учетом приведенных выше темпов роста можно утверждать, что голосовые каналы за десятилетие дешевеют на порядок. Существуют и более оптимистичные оценки, согласно которым стоимость передачи одного бита информации по оптическим сетям снижается вдвое каждые девять месяцев.

По мнению экспертов, эти благоприятные тенденции в ближайшие годы сохранятся. Возможно, уже через десять лет скорость передачи данных по одному оптическому волокну начнет выражаться в петабитах в секунду (1 Пбит = 1000 Тбит); тогда же будет достигнут предел увеличения пропускной способности оптического волокна.

Существование такого предела вытекает из законов теории информации и нелинейной оптики. Максимальная ширина окна, соответствующая приемлемым потерям в оптическом волокне, составляет около 400 нм, что эквивалентно 50 ТГц. По теореме Шеннона для типичного отношения сигнал/шум, равного 100, это дает верхнюю оценку для пропускной способности одиночного волокна на уровне 350 Тбит/с. Похожий результат получается и при расчете пропускной способности через так называемую спектральную эффективность (количество бит в секунду, приходящихся на 1 Гц частотного диапазона).

В действительности приведенная выше «планка» в 350 Тбит/с вряд ли будет «взята», поскольку с ростом мощности передаваемого сигнала заметно увеличивается негативное влияние нелинейных эффектов: фазовой авто- и перекрестной модуляции, четырехволнового смешения, хроматической и поляризационной дисперсий, различных типов рассеяния. Результаты моделирования этих явлений в оптическом волокне опубликованы в номере британского журнала Nature сотрудниками Bell Laboratories — исследовательского подразделения корпорации Lucent. Согласно их расчетам, при сохранении современных технологических процессов предел пропускной способности одиночного оптического волокна составит около 100 Тбит/с. Сегодня никто не решится сказать, удастся ли на практике приблизиться даже к этой величине, ведь «втиснуть» 2500 различных длин волн (по 40 Гбит/с на каждую) в 400-нанометровое окно не так-то просто, а увеличение полосы пропускания отдельных оптических каналов ведет к резкому возрастанию нелинейных эффектов.

Впрочем, определенные шаги в сторону резкого увеличения количества длин волн, мультиплексируемых в одном волокне, уже сделаны. Так, корпорация Lucent утверждает, что ее оптоволокно AllWave способно «воспринять» до 15 тыс. близко расположенных длин волн. Возможно также, что в недалеком будущем удастся отойти от принципа «один лазер — одна длина волны». Разработки в области широкополосных перестраиваемых лазеров выглядят в этой связи весьма многообещающими.

В 2000 году суммарный объем трафика данных впервые превысил объем трафика голосового. Это событие, давно прогнозировавшееся экспертами, лишний раз напомнило всему миру об актуальности задачи радикального увеличения пропускной способности каналов связи.

При проектировании и строительстве сетевых транспортных артерий сегодня выбор однозначно падает на оптику. Западные операторы наперегонки прокладывают все новые линии «темного» волокна, рассчитывая на то, что довольно скоро удастся его «засветить» и окупить сделанные затраты. Эта лихорадочная гонка, затормозившаяся в связи с тяжелыми временами на европейском и американском телекоммуникационных рынках, уже в ближайшем будущем может возобновиться с новой силой. Более того, современные оптические технологии, сравнительно недавно воспринимавшиеся исключительно как основа магистральных каналов глобальных сетей, потихоньку начинают проникать в городские сети и сети доступа.

За последние 20 лет пропускная способность единичного волокна увеличилась почти на три порядка. За точку отсчета принят 1980 г., когда компания Bell System представила систему FT3, передававшую данные по многомодовому кабелю со скоростью 45 Мбит/с. Полоса пропускания удвоилась через три года в системе FT3C, которая была использована в магистральной сети Northeast Corridor, связавшей Вашингтон сначала с Нью-Йорком, а затем с Бостоном.

Практически одновременно со строительством Northeast Corridor исследовалась возможность применения в оптических сетях одномодового волокна, которое позволило бы резко увеличить как скорость передачи, так и протяженность регенерационного участка (50 км вместо 7 км для многомодового волокна). Благодаря переходу на одномодовое волокно (в 1985 г. в системе FTG производства все той же Bell System) полоса пропускания возросла до 417 кбит/с, а в 1987 г. она составила уже до 1,7 Гбит/с. Этот рост сопровождался сменой диапазона рабочих длин волн и источника излучения: место полупроводниковых лазеров на базе арсенида галлия (рабочая длина волны — 820 нм) заняли лазеры на фосфите индия (1300 нм).

Надо заметить, что вслед за этим рост пропускной способности одиночного оптического канала в коммерческих системах затормозился почти на десятилетие: в начале 90–х она возросла до 2,5 Гбит/с, но качественный скачок (до 10 Гбит/с в системе WaveStar 400G) пришелся только на 1999 г.

Впрочем, результаты, полученные в конце 80-х г., стимулировали интенсивные лабораторные исследования. Достаточно упомянуть применение в оптических сетях технологии электронного временного мультиплексирования (ETDM), переход в новое окно прозрачности (1,55 мкм), а также появление волокон со смещенной дисперсией, лазеров с распределенной обратной связью и технологии компенсации дисперсии. На экспериментальном уровне плодотворность этих работ стала очевидной довольно рано. Например, уже в 1986 г. по одномодовому волокну удалось передать трафик со скоростью 8 Гбит/с на расстояние 68 км. Тем не менее производство высокоскоростных электронных компонентов развивалось достаточно медленно и увеличение пропускной способности ВОЛС заметно отставало от запросов пользователей.

Подобная ситуация имеет место и в сфере вычислительной техники: быстродействие отдельных интегральных схем хронически не поспевает за потребностями в общей системной производительности. Найденный компьютерщиками выход — параллельная обработка — был перенесен в мир оптических сетей. Так на свет появилась технология спектрального мультиплексирования (wavelength division multiplexing, WDM).

Не вдаваясь в детали, можно сказать, что технология спектрального мультиплексирования заключается в организации в одном волокне сразу нескольких виртуальных оптических волокон (называемых оптическими каналами), каждое из которых имеет собственную длину волны. Независимая передача трафика на разных длинах волн означает, что пропускная способность волокна возрастает пропорционально числу этих длин волн.

рисунок 1. DWDM-коммутатор ONS 15540 компании Cisco способен обслуживать до 32 оптических каналов

Первая широкомасштабная демонстрация возможностей WDM состоялась еще в 1989-1991 гг., хотя широкое применение этой технологии началось сравнительно недавно. Тогда в тестовой сети Roaring Creek Field Trial в одном волокне было организовано четыре WDM-канала, каждый с пропускной способностью 1,7 Гбит/с. В 1993 г. в экспериментальных условиях была обеспечена суммарная полоса пропускания 80 Гбит/с (восемь каналов по 10 Гбит/с) при длине соединения 280 км, а годом позднее — 340 Гбит/с (17 каналов по 20 Гбит/с). Наконец, в 1996 г. сразу три компании — Fujitsu, Bell Labs и NTT — объявили о преодолении терабитной планки производительности, причем корпорации NTT благодаря применению оптического временного мультиплексирования удалось поднять скорость передачи каждого оптического канала до 100 Гбит/с.

Организация параллельной передачи трафика на нескольких длинах волн позволила значительно увеличить не только скорость, но и протяженность регенерационного участка. В современных магистральных каналах, проложенных по дну океана, она доходит до 10 тыс. км. Кроме того, удалось повысить устойчивость сети к множественным отказам: для этой цели используются сети из WDM-колец либо структуры с ячеистой топологией, соединения между элементами которых формируются на отдельных длинах волн.

Появление WDM-систем вызвало к жизни множество новых технических разработок — мощные широкополосные оптические усилители, волноводные фильтры и мультиплексоры, волокна с ненулевой дисперсией, новые лазерные источники и др. Эти достижения способствовали дальнейшему росту полосы пропускания оптических каналов, а также числа длин волн, запускаемых в одиночное волокно, так что появился термин «уплотненное спектральное мультиплексирование» (DWDM). В результате еще совсем недавно можно было услышать мнение, что технология DWDM просто «обречена» господствовать в мире оптических сетей, по крайней мере ближайшие лет десять. Однако не исключено, что этот прогноз окажется неоправданно оптимистичным.