Волоконно-оптические кабели составляют основу современной связи, передавая данные и телефонные звонки по странам и под океанами. Но постоянно растущий спрос на данные - от потокового просмотра фильмов до поиска в Интернете - оказывает давление на эту сеть, потому что существуют пределы того, сколько данных можно протолкнуть через кабели до того, как сигнал ухудшится, а новые кабели стоят дорого.
Связанный контент
- Исследователи наконец выяснили, как остановить самовозгорание литиевых батарей
- Федеральная комиссия связи США только что проголосовала за сохранение чистого нейтралитета
Теперь команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего может найти решение, позаимствовав методику, используемую в других областях в качестве инструмента измерения: частотный гребень. Эти лазерные устройства позволили команде устранить искажения, которые обычно появлялись до того, как сигнал достиг конца кабеля. Исследователи отправили данные дальше, чем когда-либо прежде - 7 456 миль - без необходимости усиливать сигнал на этом пути.
Если их экспериментальная методика будет действительной в реальном мире, для оптоволоконных кабелей потребуется меньше дорогих повторителей, чтобы поддерживать сильный сигнал. Кроме того, большая стабильность сигнала в потоке данных будет означать, что в одну передачу может быть вставлено больше каналов. В настоящее время фундаментальным компромиссом в волоконной оптике является то, что чем больше данных вы хотите передать, тем меньше расстояние, которое вы можете отправить.
Волоконно-оптические сигналы - это просто кодированный свет, генерируемый лазером или светодиодом. Этот свет распространяется по тонким стеклянным кабелям, отражаясь от их внутренних поверхностей, пока не выходит на другой конец. Так же, как и радиопередачи, лазерный луч будет иметь определенную полосу пропускания или диапазон частот, которые он покрывает, и типичная жила оптоволоконного кабеля может нести более одного канала полосы пропускания.
Но сигналы не могут путешествовать вечно и все еще декодироваться из-за так называемых нелинейных эффектов, в частности, эффекта Керра. Чтобы волоконная оптика работала, свет внутри волокна должен преломлять или изгибать определенное количество во время движения. Но электрические поля изменят количество света, излучаемого стеклом, а сам свет генерирует небольшое электрическое поле. Изменение преломления означает, что есть небольшие изменения в длине волны передаваемого сигнала. Кроме того, в стекле волокна есть небольшие неровности, которые не являются абсолютно идеальным отражателем.
Небольшие изменения длины волны, называемые джиттером, складываются и вызывают перекрестные помехи между каналами. Дрожание кажется случайным, потому что оптоволоконная передача несет десятки каналов, и влияние на каждый канал немного отличается. Поскольку эффект Керра является нелинейным, математически говоря, если имеется более одного канала, вы не можете просто вычесть его - вычисление намного сложнее и почти невозможно для современного оборудования для обработки сигналов. Это затрудняет прогнозирование и исправление колебаний.
«Мы поняли, что нечеткость, настолько незначительная, заставляет все это выглядеть так, как будто оно не детерминировано», - говорит Никола Алич, исследователь из Института Qualcomm в UCSD и один из руководителей экспериментальной работы.
В текущей конфигурации волоконно-оптической сети частоты каналов должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы дрожание и другие шумовые эффекты не заставляли их перекрываться. Кроме того, поскольку дрожание увеличивается с расстоянием, добавление большей мощности к сигналу только усиливает шум. Единственный способ справиться с этим - это поставить на кабель дорогостоящие устройства, называемые ретрансляторами, для регенерации сигнала и устранения шума - в типичном трансатлантическом кабеле ретрансляторы устанавливаются каждые 600 миль или около того, сказал Алик, и вам нужно по одному на каждый канал.,
Исследователи UCSD задались вопросом, могут ли они найти способ сделать джиттер менее случайным. Если бы они точно знали, насколько изменится длина волны света в каждом канале, они могли бы компенсировать это, когда сигнал достигнет приемника. Вот где появилась частотная гребенка. Алик говорит, что идея пришла к нему после многих лет работы в смежных областях со светом. «Это был момент ясности, - говорит он. Гребень частоты - это устройство, которое генерирует лазерный свет на множестве очень специфических длин волн. Выходные данные выглядят как гребенка, с каждым «зубом» на заданной частоте, а каждая частота точно кратна соседним. Расчески используются в создании атомных часов, в астрономии и даже в медицинских исследованиях.
Алик и его коллеги решили выяснить, что произойдет, если они используют частотный гребень для калибровки исходящих волоконно-оптических сигналов. Он сравнивает это с проводником, настраивающим оркестр. «Подумайте о проводнике, использующем камертон, чтобы рассказать всем, что такое середина А», - говорит он. Команда создала упрощенные оптоволоконные системы с тремя и пятью каналами. Когда они использовали гребень для калибровки длин волн исходящего сигнала, они все же обнаружили дрожание, но на этот раз все каналы дрожали одинаково. Эта закономерность позволяла декодировать и отправлять сигнал на рекордном расстоянии без повторителей. «Это делает процесс детерминированным», - говорит Алик, чья команда сообщает о результатах на этой неделе в Science .
Сетхумадхаван Чандрасекхар, выдающийся член технического персонала глобальной телекоммуникационной компании Alcatel-Lucent, является одним из многих ученых, которые в течение ряда лет работали над проблемой дрожания оптического волокна. Его опубликованная работа включает в себя передачу фазосопряженных сигналов - двух сигналов, которые точно на 180 градусов не совпадают по фазе друг с другом. Эта настройка означает, что любой из нелинейных эффектов, вызывающих шум, будет отменен.
Работа UCSD важна, но это еще не полное решение, говорит Чандрасекхар. «Чего не хватает, так это того, что большинство систем теперь имеют двойную поляризацию», - говорит он, подразумевая, что системы повышают пропускную способность, посылая световые сигналы, которые поляризованы по-разному. «Большинство систем сегодня передают информацию в двух состояниях поляризации света, и команда UCSD должна продемонстрировать, что их методика также работает при таком сценарии передачи», - говорит он.
Алик говорит, что следующий набор экспериментов команды решит эту проблему. Пока они думают, что этот метод может быть адаптирован для реального использования, хотя это потребует создания и развертывания нового оборудования, что займет время. В любом случае, увеличение досягаемости сигналов обеспечит гораздо более агрессивное наращивание, предоставляя больше данных и большее расстояние, не беспокоясь о потере сигнала. «Больше нет причин бояться», - говорит он.
