Budowanie lepszego kręgosłupa

Na gigantycznym ekranie w Corning Museum of Glass w północnej części stanu Nowy Jork pojawiają się obrazy wideo przedstawiające wojnę, inaugurację, ujęcie w kosmos, teleturniej, a także projekcje w czasie rzeczywistym, na których widzowie gapią się w zdumieniu. Źródło tych wszystkich obrazów? Pasmo szkła, cieńsze od ludzkiego włosa, ale wystarczająco szerokie, by przenosić więcej informacji niż trzy miliony miedzianych przewodów, technologia, którą zastąpiła. Firma Corning ma prawo pochwalić się swoim wynalazkiem: technologia światłowodowa jest jednym z cudów technologicznych XX wieku.

Szkoda, że ​​nieustannie potrzebujemy nowych cudów, aby nadążyć za żarłocznymi wymaganiami sieci, które w tym stuleciu nakładają na te cienkie włókna szklane. Światłowody to w końcu technologia sprzed sieci Web; a większość światłowodów, które przenoszą — oprócz rozmów telefonicznych — dzisiejsze wiadomości e-mail, pobieranie muzyki i strumienie wideo, została zainstalowana, zanim większość ludzi w ogóle zdała sobie sprawę z istnienia tych mediów. To, co kiedyś wydawało się bezwstydnym marnowaniem mocy, teraz wydaje się żałośnie niewystarczające. Nasz apetyt na przepustowość rośnie w tempie wykładniczym, bez oznak spowolnienia. Tracey Vanik, dyrektor techniczny w telekomunikacyjnej firmie konsultingowej RHK, porównuje Internet do żarłocznego Borg ze Star Trek: Bez względu na dostępną przepustowość, Internet połknie.

Światłowody firmy Corning, Lucent Technologies i innych gigantycznych dostawców usług telekomunikacyjnych znajdują się w całym systemie telekomunikacyjnym, łącząc nas, gdy przeglądamy nasze ulubione witryny internetowe lub dzwonimy do Tokio. Jednak wiele z najnowocześniejszych badań prowadzonych obecnie nad światłowodami dotyczy poprawy przepustowości szkieletu systemu: najgrubszego z grubych rur danych, które przesyłają dane między kontynentami i łączą ośrodki miejskie.

Kręgosłup to wygodna metafora, ale daje zbyt schludny obraz. Organizm kręgowca ma jeden kręgosłup, ale system telekomunikacyjny nie; żadna firma nie jest właścicielem tych kabli międzymiastowych o dużej przepustowości i żadna organizacja nie gwarantuje, że sprostają wyzwaniu, jakim jest sprostanie światowym wymaganiom w zakresie przepustowości. W niektórych przypadkach firmy telekomunikacyjne – WorldComs, Sprints i AT&T na całym świecie – będą starały się pokryć trasy o dużym natężeniu ruchu własnymi kablami, układając podobne do spaghetti pasma równolegle do siebie wzdłuż autostrad i linii kolejowych, łącząc metropolie. pętle na kontynentach i oceanach. W innych przypadkach przewoźnicy dzierżawią kable światłowodowe od innych przewoźników; w rzeczywistości niektórzy przewoźnicy prowadzą wyłącznie działalność polegającą na dzierżawieniu przepustowości sieci szkieletowej.

Wszyscy przewoźnicy stoją jednak przed tym samym wyzwaniem: jak wyprzedzić krzywą popytu na przepustowość. Badania w Corning i gdzie indziej pokazują, że każda poprawa wydajności ma swoją cenę; budowanie lepszego szkieletu wydaje się być kwestią wyboru właściwych kompromisów.

Wzmacnianie optyki

Najprostszym rozwiązaniem na usztywnienie kręgosłupa jest po prostu ułożenie większej ilości kabla. Ale jest to również najdroższa alternatywa: aż 40 procent kosztów systemu światłowodowego przeznacza się na zakup praw drogi, uzyskanie pozwoleń i ułożenie kabla w ziemi. (To stary żart w firmach telekomunikacyjnych, że chętnie zrezygnowałyby z nowych technologii, gdyby ktoś im tylko pokazał, jak kopać tańszy rów.)

Dwa inne sposoby na zwiększenie przepustowości pozwalają uniknąć rozkopywania ulic, polegając zamiast tego na najnowocześniejszym sprzęcie zainstalowanym w biurach telefonicznych, w których kończą się włókna światłowodowe. Inżynierowie mogą opracować metody zwiększania liczby kanałów informacyjnych, które może przenosić każda nić światłowodu. Mogą też opracować sposoby na szybsze przesyłanie danych wzdłuż każdego kanału.

Oba podejścia pozwalają uniknąć ogromnych kosztów instalacji nowych linii. Jednak każda strategia jest trudna, ponieważ wprowadzanie ulepszeń w jednym obszarze często powoduje problemy w innym. Istnieje silny kompromis między odległością a pojemnością, mówi Roe Hemenway, kierownik badań nad sprzętem sieciowym w Corning. Im dalej idziesz, tym mniejsza pojemność. Jesteśmy proszeni o zwiększenie pojemności światłowodu, pokonywanie większych odległości i robienie tego z jeszcze wyższą jakością.

Hemenway pracuje w laboratorium w Corning's Sullivan Park Research and Development Facility w północnej części stanu Nowy Jork, gdzie na półkach znajdują się rzędy metalowych pudełek, z których każde to laser generujący wiązkę podczerwieni. Wiązki przechodzą przez modulatory i multipleksery, wzmacniacze i filtry, przemierzając w kółko tę samą pętlę kabla światłowodowego, aby symulować odległość, podobnie jak cyfrowy samochód wyścigowy na torze testowym w wersji informacyjno-autostradowej. Na końcu systemu na ekranie komputera wyświetlana jest liczba błędów powstałych podczas przebiegu, a oscyloskop pokazuje graficznie, czy sygnał wyszedł ostry czy niewyraźny.

Konfiguracja pozwala inżynierom Corning przetestować, w jaki sposób każdy komponent wpływa na transmisję sygnału i jak zmiana jednego z nich wpływa na system jako całość. Takie podejście ma kluczowe znaczenie dla projektowania światłowodów, ponieważ jakiekolwiek rozwiązanie, które zostanie rozwinięte w celu zwiększenia wydajności światłowodów, prawdopodobnie będzie obejmować szereg technologii, z których każda może wpływać na inne.

W ciągu ostatnich sześciu lat prędkości transmisji w laboratoriach dla najszybszych światłowodów wzrosły czterokrotnie, aw tym roku spodziewany jest kolejny czterokrotny wzrost. Najbardziej palącym pytaniem jest, czy biorąc pod uwagę wszystkie kompromisy, można utrzymać obecne tempo poprawy. Mógłbym dać macho odpowiedź, że zamierzamy nadal ulepszać włókna, ale szczerze mówiąc, nie wiem, mówi Joseph Antos, dyrektor ds. technologii rozwoju włókien w Corning. Każdy nowy wynalazek [w celu zwiększenia wydajności] staje się coraz trudniejszy.

Więcej kanałów na światłowód

Dane wędrują wzdłuż światłowodu przez serię impulsów świetlnych z lasera, których wyłączenia i włączenia odpowiadają jedynkom i zerom w kodowaniu cyfrowym. Systemy światłowodowe wykorzystują widmo światła, które najskuteczniej rozchodzi się przez szkło, o długości fali od około 1300 do 1600 nanometrów. Poza tymi długościami fal światło jest albo pochłaniane i tracone, albo rozciągane zbyt daleko, aby dać użyteczny sygnał. A z dostępnego widma większość transmisji odbywa się w tak zwanym paśmie centralnym, między 1530 a 1565 nanometrów.

Dzieląc sygnał na różne długości fal, tak jak pryzmat rozdziela kolory, które składają się na światło białe, inżynierowie mogą jednocześnie przesyłać wzdłuż światłowodu więcej niż jeden strumień światła. Wczesne implementacje dzieliły światło na cztery lub osiem oddzielnych kanałów, przy czym każde włókno przesyłało około 10 gigabitów do 10 miliardów bitów na sekundę. Obecnie niektóre systemy mogą przenosić 80 kanałów w paśmie centralnym i mogą przesyłać ponad pół biliona bitów na sekundę przez jedno włókno.

Ale istnieje limit liczby kanałów, które można ścisnąć w paśmie centralnym. Podobnie jak blisko rozmieszczone stacje w radiu samochodowym, kanały, które zbliżają się zbyt blisko, powodują zakłócenia. Być może w radiu słuchasz Biorąc wszystko pod uwagę i nagle dostaniesz Backstreet Boys - lub statyczne. To samo dzieje się z sygnałami optycznymi. Aby zmniejszyć zakłócenia, obecne najnowocześniejsze systemy wymagają strefy buforowej około 50 gigaherców (miara częstotliwości rzędu miliarda cykli na sekundę) między kanałami.

W wyniku tych ograniczeń pasmo centralne jest teraz w zasadzie pełne, a inżynierowie chcą dodawać kanały, przenosząc się z centralnej części widma na nowe terytorium.

Przełamując nowy grunt

Aby umożliwić wykorzystanie nowych części widma poza centralnym pasmem, naukowcy muszą opracować nowe wersje urządzeń, które pomagają przesyłać sygnały wzdłuż światłowodów. Weźmy na przykład wzmacniacze, które pomagają wzmocnić sygnały, które tracą energię, gdy odbijają się tam i z powrotem między ściankami rdzeniowej sekcji światłowodu. Aby je wzmocnić, inżynierowie mogą użyć urządzeń znanych jako wzmacniacze światłowodowe z domieszką erbu. Są to zasadniczo pętle włókien splecionych z pierwiastkiem ziem rzadkich erbem. Laser wzbudza atomy erbu, które przekazują swoją energię sygnałowi optycznemu przechodzącemu przez wzmacniacz, zwiększając odległość, jaką może przebyć. Bez wzmocnienia szybkie sygnały nie podróżowałyby wystarczająco daleko, aby były użyteczne.

Ostatnie odkrycia umożliwiają tym wzmacniaczom pracę w zakresie dłuższych fal od 1570 do 1625 nanometrów, dodając nowy fragment widma, z którego można wyciąć dodatkowe kanały danych. Na przykład firma Lucent Technologies wypuściła system, który ściska 80 kanałów w paśmie centralnym i wykorzystuje wzmacniacze erbowe do dodawania kolejnych 80 kanałów w obszarze długich fal, podwajając pojemność każdego włókna.

Jednak za każdym razem, gdy sygnał przechodzi przez wzmacniacz erbowy, wychwytuje on elementy szumu, które nie były częścią oryginalnego sygnału. W szkieletowych sieciach dalekiego zasięgu, gdzie sygnał musi być wielokrotnie wzmacniany, systemy światłowodowe muszą być połączone z regeneratorami, urządzeniami odtwarzającymi sygnały, które przeszły przez tak wiele wzmacniaczy, że uległy degradacji. Regeneratory pobierają sygnał świetlny, przekształcają go w sygnał elektryczny, a następnie wytwarzają nową wiązkę światła.

Nowa technika zwana amplifikacją Ramana ( zobaczyć Pięć patentów do obejrzenia: Boostery , TR maj 2001 ) umożliwi wzmocnienie sygnału bez wprowadzania szumów, eliminując potrzebę stosowania regeneratorów i potencjalnie tworząc nowy sposób zwiększania wydajności przez inżynierów. W przeciwieństwie do wzmacniaczy erbowych, które działają tylko na określonych długościach fal, wzmocnienie Ramana daje obietnicę udostępnienia jeszcze większej liczby nowych kanałów. Nowa firma Xtera z Allen w Teksasie ma nadzieję wykorzystać wzmocnienie Ramana, aby umożliwić transmisję dalekiego zasięgu o krótszych długościach fal światła, niż są w stanie obsłużyć obecne sieci optyczne. To rodzaj nowego zwrotu w stosowaniu technik Ramana, mówi Joe Oravetz, menedżer produktu Xtera, który zaprezentował pierwszy nowy produkt firmy na konferencji i wystawie poświęconej komunikacji światłowodowej w marcu w Anaheim w Kalifornii.

Jednak wykorzystanie pasma o krótszej długości fali jest zdecydowanie długoterminową strategią, ponieważ będzie wymagało instalacji nowego sprzętu w każdym punkcie sieci. Wchodząc do nowego zespołu, musisz wymienić wszystkie komponenty, mówi Vladimir Kozlov, analityk w RHK. Potrzebujesz nowych źródeł. Potrzebujesz nowych wzmacniaczy. To może być bardzo drogie.

Przyspieszenie bitów

Alternatywą dla dodawania kanałów jest przyspieszenie przepływu danych w każdym kanale. Podobnie jak modemy w domach ludzi stały się szybsze, nadajniki w sieci szkieletowej zwiększyły swoją zdolność do pompowania danych, ze 100 milionów bitów na sekundę dziesięć lat temu do najnowocześniejszych 10 miliardów bitów (10 gigabitów) na sekundę Dziś.

Chociaż AT&T wydał w styczniu komunikat prasowy zapowiadający pierwszą sieć szkieletową protokołu internetowego z szybkością 10 gigabitów na sekundę, to jest to już stara wiadomość: systemy 40 gigabitów na sekundę zostały już ogłoszone przez Lucent Technologies, Fujitsu i NEC do sprzedaży jeszcze w tym roku. Osiągnięcia inżynieryjne związane z takimi postępami są ogromne: zwiększenie szybkości przesyłania danych wymagało od inżynierów projektowania laserów, które mogą niezawodnie włączać się i wyłączać 40 miliardów razy na sekundę, oraz odbiorników, które mogą wybrać jeden błysk od drugiego, gdy nadejdą w tym przytłaczającym tempie.

Ale nazwa gry w sieci szkieletowej pozostaje kompromisem, a przyspieszenie szybkości transmisji powoduje nowe komplikacje: wprowadzenie większej liczby bitów na sekundę do światłowodu wymaga większej mocy, a przy wyższych mocach zwiększają się zakłócenia między kanałami. Ponadto, przy tych niezwykłych szybkościach, drobne skazy w samym szkle zaczynają zakłócać przepływ danych.

Inżynierowie dążący do szybkości muszą kompensować takie efekty, zwiększając strefę buforową niewykorzystanego widma między kanałami: na przykład prędkość linii 40 gigabitów na sekundę może wymagać buforów 100 gigaherców między kanałami zamiast 50 gigaherców. Matematyka jest nadal korzystna: włókna dostarczają połowę kanałów z czterokrotnie większą prędkością, podwajając wydajność.

Stawka włożona w poprawę szybkości transmisji w sieci szkieletowej jest jednak tak duża, że ​​nad każdą przeszkodą pracują zespoły inżynierów, które pracują nad jej pokonaniem. Naukowcy z NEC America’s Public Networks Group pracują nad sposobem na ściśnięcie kanałów, nawet przy dużych prędkościach, wykorzystując fakt, że światło jest spolaryzowane. Wyobraź sobie szybkie poruszanie się skakanką w górę iw dół, tworząc fale, które poruszają się w górę w kierunku sufitu i w dół w kierunku podłogi. Takie fale byłyby spolaryzowane pionowo. Teraz zacznij przesuwać skakankę z boku na bok, aby fale płynęły w kierunku ścian. Twoja skakanka została spolaryzowana poziomo. Podejście NEC dzieli wiązkę światła na 160 kanałów, każdy oddalony o 50 gigaherców, i nadaje sąsiednim kanałom różne polaryzacje. Dwa kanały o tej samej polaryzacji są więc oddalone od siebie o 100 gigaherców. Podczas gdy kanały znajdujące się obok siebie mogą zakłócać się nawzajem, gdy mają taką samą polaryzację, kanały o różnych polaryzacjach nie. Takie podejście zwiększy całkowitą przepustowość na światłowód do 6,4 biliona bitów (6,4 terabitów) na sekundę i przewiduje się, że będzie dostępne za dwa do trzech lat.

A udoskonalenia są kontynuowane w laboratoriach na całym świecie. W marcu naukowcy z francuskiej firmy Alcatel, która opracowuje włókna i komponenty do systemów optycznych zarówno naziemnych, jak i podmorskich, ogłosili, że opracowali system osiągający 10,2 terabita na sekundę. Również w marcu naukowcy z NEC ogłosili eksperyment, w którym dostroili wzmacniacze, aby uzyskać dostęp do szerszego pasma długości fal, zwiększając szybkość transmisji do 10,9 terabita na sekundę.

Albo wykop rów

Wszystkie te osiągnięcia technologiczne stawiają oczywiście czoła temu wyzwaniu: jak dalej poprawiać wydajność w stosunku do linii, które były zwykle projektowane, produkowane i instalowane wiele lat wcześniej. Pierwsze linie światłowodowe w sieci publicznej zainstalowano pod centrum Chicago w 1977 roku. Obecnie większość ruchu dalekobieżnego na świecie odbywa się za pomocą kabli światłowodowych — ponad 370 milionów kilometrów tego materiału, a wszystko to zostało zaprojektowane wcześniej. dzisiejsze przełomy w laboratoriach. W końcu nie da się uniknąć konieczności wykopania nowego rowu.

Kiedy jednak zostanie podjęta decyzja o ułożeniu nowego włókna, pojawiają się nowe możliwości zwiększenia jego pojemności. Same pasma włókien ewoluowały, aby obsługiwać coraz większe pojemności. Obecnie najnowocześniejszym jest włókno o niezerowej dyspersji, wynalezione przez Lucent Technologies i sprzedawane zarówno przez Lucent, jak i Corning. Ta wersja światłowodu poszerza obszar, przez który przechodzi sygnał, dając mu więcej miejsca na rozprzestrzenianie się i zmniejszając nakładanie się. Jeśli masz fajkę wodną i chcesz wlać do niej więcej wody, jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest poszerzenie obszaru rury, i to właśnie robi [ta technologia], mówi Antos z Corninga.

Technologia optyczna nowej generacji może całkowicie pozbyć się szkła. Kilka grup badawczych pracuje nad budową włókna z nowych materiałów znanych jako kryształy fotonicznej przerwy energetycznej ( zobaczyć Nowa generacja światłowodów , TR maj 2001 ). Takie kryształy mają strukturę atomową, która fizycznie uniemożliwia przechodzenie lub pochłanianie światła, więc światło uderzające do wnętrza włókna odbija się z powrotem do rdzenia. Doug Allen, pracownik naukowy w Corning pracujący nad opracowaniem takiego materiału, sugeruje, że rdzeń może być wypełniony powietrzem lub gazem obojętnym. Eliminując szkło i jego zniekształcające efekty, mówi, można wysyłać więcej długości fal, nie martwiąc się o to, że będą one wzajemnie zakłócać.

Wszystkie te nowe osiągnięcia pchnęły badania w laboratorium daleko poza to, co jest obecnie dostępne w ziemi. Gdyby szkielet był wyposażony tylko w rozwiązania demonstrowane w laboratoriach, które są w stanie przenosić 160 kanałów przez każdą nić, z prędkością 40 gigabitów na sekundę, przepustowość, z której obecnie korzystamy w ciągu miesiąca, mogłaby zostać przeniesiona przez nasze sieci w mniej niż sekundę. To właśnie wtedy dalekosiężne pomysły zaczynają się urzeczywistniać, od holograficznych wideokonferencji 3D, które naśladują prawdziwe życie, przez operacje wykonywane na odległość, po natychmiastowy dostęp do książek przechowywanych w dowolnej bibliotece na świecie.

Pozostaje jednak do rozwiązania kwestia ekonomii takiej sieci: kiedy będzie opłacalne wprowadzenie tych zmian w życie? W czymś tak rozległym, jak publiczna sieć komunikacyjna, nawet niewielkie ulepszenia trwają dziesiątki lat, zanim zostaną powszechnie wdrożone. Theodore Vail, pierwszy prezes AT&T, zdołał zbudować pierwszą na świecie najnowocześniejszą sieć publiczną tylko dzięki temu, że Kongres ogłosił, że jego firma jest naturalnym monopolistą. Tym razem tak się nie stanie.

Raj Reddy, profesor informatyki na Carnegie Mellon University i dyrektor High Speed ​​Connectivity Consortium, programu finansowanego przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, pozostaje jednak optymistą, że sieć o bardzo dużej przepustowości jest nieunikniona – że pewnego dnia będziemy mieć zawsze dostępna, nieograniczona przepustowość, tak łatwo dostępna, jak dzisiejszy system telefoniczny. Mówi, że na pewno stanie się to za 30 lat. [Ale] co mamy zrobić i co wydać, żeby to zrobić w pięć?

I to, pomimo legionów inżynierów światłowodów, oddanych odkrywaniu cudów technologicznych, które będą zasilać nasze sieci nowej generacji, jest pytaniem, które czeka na odpowiedź. Ale biorąc pod uwagę niezwykłe spektrum najnowocześniejszych prac wykonywanych w sieci szkieletowej, niewątpliwie tam pojemność będzie nadal rosnąć w najszybszym tempie.

ukryć