Kable światłowodowe stanowią trzon nowoczesnej komunikacji, przenosząc dane i połączenia telefoniczne w różnych krajach i pod oceanami. Ale stale rosnące zapotrzebowanie na dane - od strumieniowego przesyłania filmów po wyszukiwanie w Internecie - wywiera presję na tę sieć, ponieważ istnieją ograniczenia dotyczące ilości danych, które można przepchnąć przez kable, zanim sygnał ulegnie pogorszeniu, a nowe kable są drogie w budowie.
powiązana zawartość
- Naukowcy w końcu wymyślili, jak powstrzymać akumulatory litowe przed spontanicznym spalaniem
- FCC właśnie zagłosował za zachowaniem neutralności sieci
Teraz zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego mógłby znaleźć rozwiązanie, zapożyczając technikę stosowaną w innych dziedzinach jako narzędzie pomiarowe: grzebień częstotliwości. Te urządzenia laserowe pozwoliły zespołowi usunąć zniekształcenia, które zwykle pojawiałyby się, zanim sygnał dotarł do końca kabla. Naukowcy przesyłali dane dalej niż kiedykolwiek wcześniej - 7456 mil - bez potrzeby zwiększania sygnału po drodze.
Gdyby ich technika eksperymentalna przetrwała w świecie rzeczywistym, kable światłowodowe potrzebowałyby mniej kosztownych repeaterów, aby utrzymać silne sygnały. Ponadto większa stabilność sygnału w strumieniu danych oznaczałaby, że więcej kanałów może być umieszczonych w jednej transmisji. Obecnie zasadniczym kompromisem w zakresie światłowodów jest to, że im więcej danych chcesz przesłać, tym krótszy jest dystans, jaki możesz wysłać.
Sygnały światłowodowe są po prostu zakodowanym światłem, generowanym przez laser lub diodę LED. To światło przesuwa się po cienkich szklanych kablach, odbijając się od ich wewnętrznych powierzchni, aż wypłynie na drugi koniec. Podobnie jak transmisje radiowe, promień lasera będzie miał określoną szerokość pasma lub zakres częstotliwości, który obejmuje, a typowa żyła kabla światłowodowego może przenosić więcej niż jeden kanał szerokości pasma.
Ale sygnały nie mogą podróżować wiecznie i nadal mogą być dekodowane z powodu tak zwanych efektów nieliniowych, w szczególności efektu Kerra. Aby światłowód działał, światło wewnątrz włókna musi załamać się lub zgiąć pewną ilość podczas przemieszczania się. Ale pola elektryczne zmienią, o ile szkło ugina światło, a samo światło wytwarza małe pole elektryczne. Zmiana załamania oznacza, że występują niewielkie zmiany długości fali transmitowanego sygnału. Ponadto w szkle światłowodu występują niewielkie nieregularności, co nie jest absolutnie doskonałym odbłyśnikiem.
Małe zmiany długości fali, zwane fluktuacją, sumują się i powodują przenikanie między kanałami. Jitter wydaje się losowy, ponieważ transmisja światłowodowa przenosi dziesiątki kanałów, a wpływ na każdy kanał jest nieco inny. Ponieważ efekt Kerra jest nieliniowy, z matematycznego punktu widzenia, jeśli istnieje więcej niż jeden kanał, nie można go po prostu odjąć - obliczenia są znacznie bardziej złożone i prawie niemożliwe dla dzisiejszych urządzeń do przetwarzania sygnałów. To sprawia, że drgania są trudne do przewidzenia i poprawienia.
„Zdaliśmy sobie sprawę z tego, że rozmycie, nawet tak niewielkie, sprawia, że całość wydaje się, że nie jest deterministyczna” - mówi Nikola Alic, naukowiec z Qualcomm Institute na UCSD i jeden z liderów prac eksperymentalnych.
W obecnej konfiguracji światłowodów częstotliwości kanałów muszą być wystarczająco daleko od siebie, aby drgania i inne efekty szumowe nie nakładały się na siebie. Ponieważ jitter rośnie wraz z odległością, dodanie większej mocy do sygnału tylko wzmacnia szum. Jedynym sposobem, aby sobie z tym poradzić, jest umieszczenie kosztownych urządzeń zwanych repeaterami na kablu, aby zregenerować sygnał i oczyścić szum - typowy kabel transatlantycki ma wzmacniacze instalowane co około 600 mil, powiedział Alic, i potrzebujesz jednego dla każdego kanału .
Naukowcy z UCSD zastanawiali się, czy mogliby znaleźć sposób, aby jitter wyglądał mniej przypadkowo. Gdyby wiedzieli dokładnie, o ile zmieni się długość fali światła w każdym kanale, mogliby to zrekompensować, gdy sygnał dotrze do odbiornika. Właśnie tam pojawił się grzebień częstotliwości. Alic mówi, że pomysł przyszedł mu do głowy po latach pracy w powiązanych obszarach ze światłem. „To był moment jasności” - mówi. Grzebień częstotliwości to urządzenie, które generuje światło laserowe o wielu bardzo określonych długościach fal. Wyjście wygląda jak grzebień, z każdym „zębem” na danej częstotliwości i każdą częstotliwością dokładnie wielokrotnością sąsiednich. Grzebienie są wykorzystywane w budowaniu zegarów atomowych, w astronomii, a nawet w badaniach medycznych.
Alic i jego koledzy postanowili dowiedzieć się, co by się stało, gdyby użyli grzebienia częstotliwości do kalibracji wychodzących sygnałów światłowodowych. Przyrównuje to do dyrygenta strojącego orkiestrę. „Pomyśl o dyrygencie używającym kamertonu, aby powiedzieć wszystkim, co to jest środek A” - mówi. Zespół zbudował uproszczone systemy światłowodowe z trzema i pięcioma kanałami. Kiedy użyli grzebienia do kalibracji długości fali sygnału wychodzącego, nadal znaleźli drgania, ale tym razem wszystkie kanały drgały w ten sam sposób. Ta regularność pozwoliła na zdekodowanie sygnału i wysłanie go w rekordowej odległości bez repeaterów. „Sprawia, że proces jest deterministyczny”, mówi Alic, którego zespół raportuje wyniki w tym tygodniu w Science .
Sethumadhavan Chandrasekhar, wybitny członek personelu technicznego globalnej firmy telekomunikacyjnej Alcatel-Lucent, jest jednym z wielu naukowców, którzy od wielu lat pracują nad problemem jittera światłowodowego. Opublikowane przez niego prace dotyczą przesyłania ze sobą sygnałów sprzężonych fazowo - dwóch sygnałów, które są dokładnie o 180 stopni poza fazą. Ta konfiguracja oznacza, że wszelkie nieliniowe efekty powodujące hałas zostaną anulowane.
Chandrasekhar mówi, że praca nad UCSD jest ważna, ale nie jest to jeszcze kompletne rozwiązanie. „Brakuje tego, że większość systemów ma teraz podwójną polaryzację”, mówi, co oznacza, że systemy zwiększają pojemność, wysyłając sygnały świetlne, które są różnie spolaryzowane. „Większość systemów dzisiaj przekazuje informacje w dwóch stanach polaryzacji światła, a zespół UCSD musi wykazać, że ich technika działa również w takim scenariuszu transmisji”, mówi.
Alic mówi, że następny zestaw eksperymentów zespołu rozwiąże ten właśnie problem. Jak dotąd uważają, że tę technikę można dostosować do użytku w świecie rzeczywistym, choć będzie ona wymagała zbudowania i wdrożenia nowego sprzętu, co zajmie trochę czasu. Tak czy inaczej, zwiększenie zasięgu sygnałów pozwoli na znacznie bardziej agresywną budowę, dostarczając więcej danych i większy dystans bez obaw o utratę sygnału. „Nie ma już powodu się bać” - mówi.
