Солитонный телеграф

В то время когда были написаны слова о солитонном телеграфе (в конце 1984 г.), японский физик, сотрудник лабораторий Белла в США Акира Xacегaвa опубликовал подробные численные расчеты распространения солитонов в оптических волокнах и показал, что оптические солитоны могут пробегать тысячи километров без серьезного искажения их формы. Весной 1988 г. этот вывод был полностью подтвержден на опыте сотрудниками лабораторий Белла Л. Молленауэром и К. Смитом, которым удалось четко детектировать солитоны, пробежавшие более четырех тысяч километров. Эти солитоны несколько отличаются от других оптических солитонов, и сам «солитонный телеграф» основан на несколько необычной идее применения солитона. Мы сейчас с ней познакомимся, но начнем несколько издалека.

Как только (лет 1З назад) появились световоды достаточно хорошего качества, естественно возникла идея применить их для передачи информации оптическими импульсами. Из-за малой длины световых волн можно передавать гораздо большие объемы информации. Такой способ передачи оказывается также весьма дешевым. В результате оптические системы передачи замечательно быстро начали входить в жизнь. В середине этого десятилетия оптическая связь была установлена между крупнейшими городами Японии, а в США — между Бостоном, Нью-Йорком и Вашингтоном. Прокладываются линии между восточным и западным побережьями США. В 1988 г. начинает работать трансатлантическая оптическая связь. Планируется прокладка кабеля через Тихий океан. Одно волокно пропускает сотни мегабит в секунду. Кабель, состоящий из многих волокон, может пропускать несколько гигабит. Это очень хорошо. Однако потенциальные возможности пропускной способности оптических волокон несоизмеримо выше! Что же ограничивает оптический телеграф?

В любом, даже самом качественном световоде сигнал постепенно слабеет и расплывается. Поэтому через каждые 50—100 км ставится приемник, который образует оптические сигналы в электронные (детектирует), усиливает их, вновь превращает в оптические и посылает дальше. Такие электронные регенераторы могут пропускать до одного гигабита в секунду, тогда как пропускная способность световода могла бы быть раз в сто больше. Кроме этого, использование многих регенераторов увеличивает возможность ошибок и отказов. Короче говоря, нужно что-то более простое и фундаментальное.

Естественно, мысль обращается к оптическим солитонам. Если в световоде распространяется достаточно мощный импульс, созданный лазером, то начинает проявляться зависимость показателя преломления от амплитуды импульса. Эта зависимость определяется поляризацией молекул электрическим полем светового импульса. Зависимость показателя преломления света от внешнего электрического поля была открыта еще в 1875 г. шотландским физиком Джоном Керром (1824—1907) и называется эффектом Керра. Добавка к показателю преломления пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Чтобы наблюдать этот эффект, нужно создать сильное электрическое поле (примерно десять тысяч вольт/см). Так как в волнах света, испускаемых обычными источниками, напряженность электрического поля не превышает сотни вольт/см, то эти волны не могут заметно поляризовать молекулы, и нелинейностью показателя преломления всегда можно пренебречь. Другое дело — лазерный свет. Напряженность электрического поля в нем может достигать ста миллионов вольт/см, а это уже сравнимо с электрическими полями внутри молекул.

Такая зависимость показателя преломления приводит к замечательному явлению — самофокусировке лазерного луча. Обычно световой луч в стекле постепенно расширяется. Однако достаточно мощный лазерный луч в некоторых видах стекол может, наоборот, сфокусироваться в тонкую ниточку. Качественно это объясняется тем, что показатель преломления оказывается наибольшим на оси пучка света и, согласно обычному закону преломления, боковые лучи будут искривляться и «притягиваться» к оси. Точная теория этого явления, однако, довольно сложна, и впервые была построена В. И. Захаровым и А. Б. Шабатом в работе «Точная теория двумерной самофокусировки и одномерной автомодуляции волн в нелинейных средах» (1971 г.). Распространение света в нелинейной среде описывается так называемым нелинейным уравнением Шрёдингера, точно такому же уравнению удовлетворяют солитоны огибающей, описанные выше. Отсюда сразу следует, что в нелинейной среде могут распространяться такие же солитоны.

В 1973 г. А. Xacегaва и Ф. Тапперт применили нелинейное уравнение Шрёдингера к распространению лазерного света в световоде и нашли условия, при которых их можно было бы наблюдать. В 1980 г. эти солитоны наблюдали Л. Молленауэр, Р. Столен и Дж. Гордон. В их опытах солитоны пробегали почти километр без заметного искажения формы. Однако если мы хотим, чтобы солитонные сигналы можно было бы принимать на очень больших расстояниях, нужно как-то компенсировать потерю их энергии. Заметим, что скорость солитонов не зависит от их энергии, но высота уменьшается, а ширина увеличивается (их произведение постоянно).

В самых лучших на сегодня световодах потери составляют примерно пять процентов на километр. Поэтому энергия солитона на расстоянии L км будет равна Е₀е^-0,05L, где Е₀ — начальная энергия солитона (вспомните закон радиоактивного распада, только здесь роль времени играет расстояние). На расстоянии L = 20 км энергия уменьшится в е  2,72 раз.

Обсуждались разные способы компенсации этих потерь. Самый простой состоит в том, что в световод примерно через каждые сорок километров впускается лазерная подсветка. Частота и мощность подсвечивающих лазеров подбираются так, чтобы молекулы световода могли отбирать часть энергии подсвечивающего луча, а затем быстро отдавать ее солитону. Это напоминает механизм самонаведенной прозрачности, но здесь молекулы возбуждаются внешним источником, а не самим солитоном, так что возможна подкачка энергии.

Этот механизм усиления солитонов тесно связан с эффектом комбинационного рассеяния света в веществе, открытым в 1928 г. индийскими физиками Ч. Раманом и К. Кришнаном и, независимо от них, Л. И. Мандельштамом и Г. С. Лансбергом. Его часто называют просто эффектом Рамана, что, конечно, исторически несправедливо. Суть эффекта состоит в том, что при рассеянии света его спектральный состав изменяется. Говоря словами Л. И. Мандельштама: «Мы здесь... имеем не что иное, как модуляцию падающей волны собственными колебаниями молекул... так же, как спектр обычного телефонного передатчика несет в себе весь ваш разговор..., так и спектр рассеянного света несет то, что молекула говорит о себе. Изучая его, вы изучаете свойства молекулы, вы изучаете ее строение».

Мы не можем входить в детали, но для понимания солитонного телеграфа это и не нужно. Достаточно понимать, что при посредничестве молекул световода солитон может получать энергию от подсвечивающего лазера, и все можно устроить так, что эта энергия полностью скомпенсирует потери. Это и позволяет солитонам проходить большие расстояния, сохраняя индивидуальность. Конечно, существуют и ограничения, связанные с тем, что случайные взаимодействия солитонов с молекулами световода несколько меняют его скорость. Поэтому на очень больших расстояниях (несколько тысяч километров) могут начаться сбои: скажем, один импульс догонит другой. Ограничения на скорость передачи информации солитонными импульсами вызваны тем, что сам импульс нельзя сделать слишком коротким и что между импульсами необходимо оставлять достаточно большой зазор. Можно рассчитывать на минимальную длительность импульса 1 пикосекунды (т. е. 10^-12 с). Если отправлять импульсы не чаще, чем через 10 пикосекунд, то один бит информации передавался бы за 10 пикосекунд, т. е. скорость передачи информации 10¹¹ бит/ч = 100 гигабит/с. Видимо, это максимум того, на что реально можно рассчитывать, но это очень неплохо, в сто раз лучше, чем в обычной волоконной связи. Кроме того, солитонная связь должна быть куда более надежной (не нужна регенерация!) и более дешевой.

В опытах, с которых был начат этот рассказ, было показано, что все теоретические ожидания и предсказания оказались правильными. Удалось передать солитоны на расстоянии больше 4000 км без существенного искажения их формы. Теперь практическая реализация проекта солитонного телеграфа не за горами. Вероятно, в середине следующего десятилетия он заработает! Это будет первый пример реального применения солитонов в технике, подобного телеграфу, телефону, радио. Возможно и применение этих солитонов в ЭВМ с оптическими элементами памяти и оптическими линиями связи.

Вся эта история интересна еще и тем, что она позволяет проследить весь путь от рождения идеи до ее технической реализации. После фундаментальной работы Захарова и Шабата (1971 г.) довольно быстро (1973 г.) возникла идея получить оптические солитоны в волокнах. Как раз в это время научились делать хорошие волокна, а лазеры уже давно стали привычным инструментом физиков. В этом же 1973 г. сформировалась идея об использовании комбинационного рассеяния для усиления импульсов в световодах В 1980 г. удалось наблюдать солитоны, а еще через три года сформировалась мысль соединить одно с другим — применить комбинационное рассеяние к «усилению» солитонов. После пяти лет расчетов и экспериментов были, наконец, выполнены опыты, доказавшие возможность технической реализации солитонной передачи информации. Теперь в дело включатся технологи, инженеры, бизнесмены. Схематически можно представить этот путь от чистой идеи до ее материального воплощения примерно так:

Если чего-то в этой схеме не хватает, реализация идеи сильно задерживается. Судьба оптического солитона очень счастливая. Он родился вовремя и лет 25 от роду начнет самостоятельную жизнь в обществе, принося пользу людям.