Budování lepší páteře

Na obří obrazovce v Corning Museum of Glass v severní části státu New York se videoobrazy zobrazují jako zpravodajské záběry z války, inaugurace, vesmírného snímku, herní show – spolu s projekcemi návštěvníků muzea v reálném čase, kteří hledí v úžasu vzhůru. Zdroj všech těchto obrázků? Pramínek skla, tenčí než lidský vlas, ale dostatečně široký, aby nesl více informací než tři miliony měděných drátů, technologie, kterou nahradil. Cor-ning má právo předvést svůj vynález: technologie optických vláken patří k technologickým zázrakům 20. století.

Škoda, že neustále potřebujeme nové zázraky, abychom udrželi krok s nenasytnými požadavky sítě, které toto století klade na tato tenká skleněná vlákna. Vláknová optika je koneckonců předwebovou technologií; a velká část vlákna, která přenáší – kromě telefonních hovorů – dnešní e-mailové zprávy, stahování hudby a video streamy, byla instalována dříve, než si většina lidí o těchto médiích vůbec uvědomovala. To, co se dříve zdálo jako nestoudné plýtvání kapacitou, se nyní zdá být žalostně nedostatečné. Naše chuť na šířku pásma roste exponenciální rychlostí, bez známek zpomalení. Tracey Vanik, technický ředitel telekomunikační poradenské firmy RHK, přirovnává internet k nenasytnému Borgu ze Star Treku: Ať je k dispozici jakákoliv šířka pásma, internet pohltí.

Optické vlákno vyrobené společnostmi Corning, Lucent Technologies a dalšími obřími dodavateli telekomunikací se nachází v celém telekomunikačním systému a spojuje nás, když prohlížíme naše oblíbené webové stránky nebo voláme do Tokia. Ale velká část nejmodernějšího výzkumu, který se dnes provádí v oblasti vláknové optiky, směřuje ke zlepšení kapacity páteře systému: nejtlustšího z tlustých datových kanálů, které bičují data napříč kontinenty a spojují městská centra.

Páteř je příhodná metafora – ale dává příliš úhledný obrázek. Organismus obratlovců má jedinou páteř, ale telekomunikační systém ne; žádná jediná společnost nevlastní tyto vysokokapacitní meziměstské kabely a žádná organizace nezajišťuje, že jsou schopny splnit celosvětové požadavky na šířku pásma. V některých případech se telekomunikační společnosti – WorldComs a Sprints a AT&Ts z celého světa – budou snažit pokrýt trasy s velkým provozem vlastními kabely, pokládat špagetovitá vlákna paralelně k sobě podél dálnic a železničních předností, spojujících metropolitní smyčky napříč kontinenty a oceány. V ostatních případech si dopravci pronajímají kabely s optickými vlákny od jiných dopravců; někteří dopravci se skutečně zabývají pouze pronájmem kapacity páteřní sítě.

Všichni operátoři však čelí stejné výzvě: jak si udržet náskok před křivkou poptávky po šířce pásma. Výzkum v Corningu a jinde ukazuje, že každé zlepšení výkonu má svou cenu; vybudování lepší páteře se zdá být otázkou výběru těch správných kompromisů.

Posílení optiky

Nejjednodušším řešením pro vyztužení páteře je jednoduše položit více kabelů. Ale to je také nejdražší alternativa: celých 40 procent nákladů na optický systém jde na nákup práv na cestu, získání povolení a zavedení kabelu do země. (V telekomunikačních společnostech je starý vtip, že by se rádi vzdali nových technologií, kdyby jim někdo ukázal, jak vykopat levnější příkop.)

Dva další způsoby, jak zvýšit kapacitu, se vyhnout rozkopávání ulic, místo toho se spoléhají na nejmodernější vybavení instalované v telefonních kancelářích, kde končí vlákna optických vláken. Inženýři mohou vyvinout metody pro zvýšení počtu informačních kanálů, které může nést každé vlákno optického vlákna. Nebo mohou vyvinout způsoby, jak zrychlit přenos dat každým kanálem.

Oba přístupy se vyhýbají enormním nákladům na instalaci nových linek. Ale každá strategie je ošidná, protože zlepšení v jedné oblasti často způsobuje problémy v jiné. Mezi vzdáleností a kapacitou existuje silný kompromis, říká Roe Hemenway, manažer výzkumu síťových zařízení ve společnosti Corning. Čím dále, tím nižší je kapacita. Žádáme nás, abychom dali větší kapacitu na vlákno, šli na delší vzdálenosti a dělali to s ještě vyšší kvalitou.

Hemenway pracuje v laboratoři v Corning’s Sullivan Park Research and Development Facility v severní části státu New York, kde police drží řady kovových krabic, z nichž každá je laserem, který generuje infračervený paprsek. Paprsky procházejí modulátory a multiplexory, zesilovači a filtry a putují stále stejnou smyčkou optického kabelu, aby simulovaly vzdálenost, podobně jako digitální závodní auto na testovací dráze ve verzi pro informační superdálnici. Na konci systému počítačová obrazovka zobrazuje počet chyb vzniklých během běhu a osciloskop graficky ukazuje, zda byl signál ostrý nebo rozmazaný.

Nastavení umožňuje inženýrům společnosti Corning otestovat, jak každá součást ovlivňuje přenos signálu a co změna v jedné udělá se systémem jako celkem. Tento přístup je kritický pro návrh optických vláken, protože jakékoli řešení, které se vyvine za účelem zefektivnění vláknové optiky, bude pravděpodobně zahrnovat řadu technologií, z nichž každá může ovlivnit ostatní.

Za posledních šest let se přenosové rychlosti v laboratořích pro nejrychlejší optická vlákna zčtyřnásobily a letos se očekává další čtyřnásobný nárůst. Nejpalčivější otázkou je, zda lze vzhledem ke všem kompromisům udržet současné tempo zlepšování. Mohl bych vám dát macho odpověď, že budeme pokračovat ve zlepšování vláken, ale upřímně řečeno, nevím, říká Joseph Antos, technologický ředitel pro vývoj vláken ve společnosti Corning. Každý nový vynález [pro zvýšení kapacity] je těžší a těžší.

Více kanálů na vlákno

Data putují po optickém vláknu řadou světelných pulzů z laseru, přičemž off a on odpovídají jedničkám a nulám digitálního kódování. Systémy s optickými vlákny využívají světelné spektrum, které nejefektivněji prochází sklem, vlnové délky mezi asi 1300 a 1600 nanometry. Mimo tyto vlnové délky má světlo tendenci být buď absorbováno a ztraceno, nebo příliš roztaženo, aby vytvořilo použitelný signál. A z dostupného spektra se většina přenosu odehrává v takzvaném centrálním pásmu, mezi 1 530 a 1 565 nanometry.

Rozdělením signálu na různé vlnové délky, kdy hranol odděluje barvy, které tvoří bílé světlo, mohou inženýři vysílat více než jeden světelný proud podél vlákna současně. Rané implementace rozdělovaly světlo do čtyř nebo osmi samostatných kanálů, přičemž každé vlákno přenášelo asi 10 gigabitů – 10 miliard bitů za sekundu. Dnes mohou některé systémy přenášet 80 kanálů v centrálním pásmu a jsou schopny protlačit více než půl bilionu bitů za sekundu do jediného vlákna.

Existuje však limit, kolik kanálů lze vtěsnat do centrálního pásma. Stejně jako blízko umístěné stanice na vašem autorádiu, kanály, které se přiblíží příliš blízko, způsobují rušení. V rádiu možná posloucháte Konec konců a najednou dostanu Backstreet Boys-neboli statické. Totéž se děje s optickými signály. Aby se snížilo rušení, vyžadují současné nejmodernější systémy mezi kanály vyrovnávací zónu asi 50 gigahertzů (míra frekvence miliardy cyklů za sekundu).

V důsledku těchto omezení je nyní centrální pásmo v podstatě plné a inženýři chtějí přidat kanály přesunem z centrální části spektra do nového území.

Breaking New Ground

Aby byly nové části spektra - mimo centrální pásmo - použitelné, musí výzkumníci vyvinout nové verze zařízení, která pomáhají posouvat signály podél optických vláken. Vezměte zesilovače, které pomáhají zesilovat signály, které ztrácejí energii, když se odrážejí tam a zpět mezi stěnami jádrové části vlákna. K jejich napumpování mohou inženýři použít zařízení známá jako zesilovače s vlákny dopovanými erbiem. Jedná se v podstatě o smyčky vláken protkané prvkem vzácných zemin erbiem. Laser excituje atomy erbia, které předávají svou energii optickému signálu procházejícímu zesilovačem, čímž se zvyšuje vzdálenost, kterou může urazit. Bez zesílení by vysokorychlostní signály necestovaly dostatečně daleko, aby byly užitečné.

Nedávný vývoj umožňuje těmto zesilovačům pracovat v oblasti delších vlnových délek 1 570 až 1 625 nanometrů, což přidává nový kus spektra, ze kterého lze získávat další datové kanály. Společnost Lucent Technologies například vydala systém, který vmáčkne 80 kanálů do centrálního pásma a využívá erbiové zesilovače k ​​přidání dalších 80 kanálů v oblasti dlouhých vln, čímž zdvojnásobí kapacitu každého vlákna.

Pokaždé, když signál prochází erbiovým zesilovačem, zachytí šumové prvky, které nebyly součástí původního signálu. Na dálkových páteřních sítích, kde je třeba signál mnohokrát zesílit, musí být optické systémy navlečeny regenerátory, zařízeními, která rekonstruují signály, které prošly tolika zesilovači, že se degradovaly. Regenerátory přijímají světelný signál, převádějí jej na elektrický signál a poté vytvářejí nový světelný paprsek.

Nová technika zvaná Ramanova amplifikace ( vidět Pět patentů, které je třeba sledovat: Booster Shots , TR květen 2001 ) umožní zesílení signálu, aniž by došlo k odstranění šumu s potřebou regenerátorů a potenciálně vytvoření nového způsobu pro inženýry ke zvýšení kapacity. Na rozdíl od erbiových zesilovačů, které pracují pouze na určitých vlnových délkách, má Ramanovo zesílení příslib zpřístupnění ještě více nových kanálů. Nová společnost, Xtera, z Allen, TX, doufá, že využije Ramanovo zesílení k umožnění dálkového přenosu kratších vlnových délek světla, než mohou podporovat současné optické sítě. Je to trochu nový obrat v používání Ramanových technik, říká Joe Oravetz, produktový manažer Xtera, který představil první nový produkt společnosti na konferenci a výstavě optických vláken v březnu v Anaheimu v Kalifornii.

Ale použití pásma kratších vlnových délek je rozhodně dlouhodobá strategie, protože bude vyžadovat instalaci nového zařízení v každém bodě sítě. Když jdeš do nové kapely, musíš vyměnit všechny komponenty, říká Vladimir Kozlov, analytik RHK. Potřebujete nové zdroje. Potřebujete nové zesilovače. Mohlo by to být velmi drahé.

Zrychlení bitů

Alternativou k přidávání kanálů je zrychlení toku dat v každém kanálu. Stejně jako se modemy v domácnostech lidí zrychlily, vysílače v páteřní síti zvýšily svou schopnost pumpovat data ze 100 milionů bitů za sekundu před deseti lety na nejmodernějších 10 miliard bitů (10 gigabitů) za sekundu. dnes.

Zatímco AT&T v lednu vydalo tiskovou zprávu oznamující první 10gigabitovou páteřní internetovou síť mezi pobřežím a pobřežím, je to již stará zpráva: systémy s rychlostí 40 gigabitů za sekundu již oznámily společnosti Lucent Technologies, Fujitsu a NEC k prodeji koncem tohoto roku. Inženýrské výkony spojené s pokroky, jako je tento, jsou ohromné: zvýšení rychlosti přenosu dat vyžadovalo inženýry, aby navrhli lasery, které dokážou spolehlivě zapnout a vypnout 40 miliardkrát za sekundu, a přijímače, které dokážou vybrat jeden záblesk od druhého, když přicházejí. tím ohromným tempem.

Ale název hry v páteři zůstává kompromisem a zrychlení přenosových rychlostí způsobuje nové komplikace: vkládání více bitů za sekundu do vlákna vyžaduje více energie a při vyšších výkonech se zvyšuje interference mezi kanály. Také při těchto pozoruhodných rychlostech začnou toku dat narušovat drobné nedostatky v samotném skle.

Technici, kteří chtějí rychlost, musí kompenzovat tyto efekty zvýšením vyrovnávací zóny nevyužitého spektra mezi kanály: například rychlost linky 40 gigabitů za sekundu může vyžadovat vyrovnávací paměti 100 gigahertzů mezi kanály místo 50 gigahertzů. Matematika je stále příznivá: vlákna dodají polovinu kanálů čtyřnásobnou rychlostí, čímž zdvojnásobí kapacitu.

Sázky na zlepšení přenosových rychlostí v páteřní síti jsou však tak velké, že pro každou překážku existují týmy inženýrů, které se ji snaží překonat. Vědci z NEC America’s Public Networks Group pracují na způsobu, jak spojit kanály dohromady, a to i při vysokých rychlostech, s využitím skutečnosti, že světlo je polarizované. Představte si rychlý pohyb švihadlem nahoru a dolů, abyste vytvořili vlny, které se pohybují nahoru ke stropu a dolů k podlaze. Takové vlny by byly vertikálně polarizované. Nyní začněte přesouvat švihadlo ze strany na stranu, aby se vlny pohybovaly směrem ke stěnám. Vaše švihadlo se horizontálně polarizovalo. Přístup NEC rozděluje světelný paprsek na 160 kanálů, každý 50 gigahertzů od sebe, a dává sousedním kanálům různé polarizace. Dva kanály se stejnou polarizací jsou tak stále 100 gigahertzů od sebe. Zatímco kanály vedle sebe se pravděpodobně vzájemně ruší, pokud mají stejnou polarizaci, kanály s různými polarizacemi nikoli. Takový přístup zvýší celkovou kapacitu na vlákno na 6,4 bilionu bitů (6,4 terabitů) za sekundu a předpokládá se, že bude dostupný za dva až tři roky.

A zlepšení pokračují v laboratořích po celém světě. V březnu výzkumníci z francouzské společnosti Alcatel, která vyvíjí vlákna a komponenty pro pozemní i podmořské optické systémy, oznámili, že vyvinuli systém dosahující rychlosti 10,2 terabitů za sekundu. V březnu také výzkumníci z NEC oznámili experiment, ve kterém vylepšili zesilovače, aby získali přístup k širšímu pásmu vlnových délek, čímž zvýšili přenosovou rychlost na 10,9 terabitů za sekundu.

Nebo kopat příkop

Všechny tyto technologické pokroky samozřejmě čelí této výzvě: jak pokračovat ve zlepšování výkonu oproti linkám, které byly typicky navrženy, vyrobeny a instalovány před mnoha lety. První optické linky ve veřejné síti byly instalovány pod centrem Chicaga v roce 1977. Dnes je většina světového dálkového provozu přenášena kabely z optických vláken – více než 370 milionů kilometrů materiálu, vše navrženo dříve. dnešní objevy v laboratořích. Nakonec se nevyhne potřebě kopat nový příkop.

Jakmile však dojde k rozhodnutí položit nové vlákno, objeví se nové možnosti zvýšení jeho kapacity. Samotné prameny vláken se vyvinuly tak, aby zvládaly stále větší kapacity. Dnes je nejmodernější vlákno s nenulovou disperzí, vynalezené společností Lucent Technologies a prodávané společnostmi Lucent i Corning. Tato verze vlákna rozšiřuje oblast, kterou signál prochází, dává mu více prostoru pro šíření a snižuje překrývání. Pokud máte vodní dýmku a chcete do ní dát více vody, jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je rozšířit oblast potrubí, a to je v podstatě to, co [tato technologie] dělá, říká Antos z Corningu.

Technologie optiky nové generace se může skla úplně zbavit. Několik výzkumných skupin pracuje na sestavení vlákna z nových materiálů známých jako krystaly fotonického pásma ( vidět Nová generace optických vláken , TR květen 2001 ). Takové krystaly mají atomovou strukturu, která fyzicky znemožňuje průchod světla nebo jeho absorpci, takže světlo dopadající dovnitř vlákna by se odrazilo zpět do jádra. Doug Allen, výzkumný pracovník v Cor-ning pracující na vývoji takového materiálu, navrhuje, že jádro by mohlo být naplněno vzduchem nebo možná inertním plynem. Odstraněním skla a jeho zkreslujících efektů, říká, můžete vysílat více vlnových délek, aniž byste se museli obávat, že se budou navzájem rušit.

Všechny tyto novinky posunuly výzkum v laboratoři daleko za to, co je v současnosti dostupné v zemi. Pokud by páteř byla vybavena pouze vývojem, který je nyní demonstrován v laboratořích – schopný přenášet 160 kanálů přes každý řetězec rychlostí 40 gigabitů za sekundu – šířka pásma, kterou v současnosti používáme za měsíc, by mohla být přenášena našimi sítěmi za méně než sekundu. Tehdy se začínají realizovat dalekosáhlé myšlenky, od holografických, 3D videokonferencí, které napodobují skutečný život, přes operace na dlouhé vzdálenosti až po okamžitý přístup ke knihám uloženým v jakékoli knihovně na světě.

Co však zbývá vyřešit, je ekonomika takové sítě: kdy bude nákladově efektivní zavést tento vývoj? V něčem tak rozsáhlém, jako je veřejná komunikační síť, trvá i malé upgrady desítky let, než budou univerzální. Theodore Vail, první prezident AT&T, uspěl ve vybudování první nejmodernější veřejné sítě na světě pouze tím, že přiměl Kongres, aby prohlásil jeho společnost za přirozený monopol. To se tentokrát nestane.

Raj Reddy, profesor informatiky na Carnegie Mellon University a ředitel konsorcia pro vysokorychlostní připojení, programu financovaného ministerstvem obrany USA, nicméně zůstává optimistou, že síť s velmi vysokou šířkou pásma je nevyhnutelná – že jednoho dne budeme mít vždy zapnutá, neomezená šířka pásma, stejně snadno dostupná jako dnešní telefonní systém. Určitě se to stane za 30 let, říká. [Ale] co musíme udělat a co musíme utratit, abychom to stihli za pět?

A to je otázka, která čeká na odpověď, navzdory zástupům inženýrů z optických vláken, kteří se věnují objevování technologických zázraků, které budou pohánět naše sítě nové generace. Ale vzhledem k pozoruhodnému spektru špičkové práce, která se provádí na páteři, je to nepochybně tam, kde bude kapacita i nadále narůstat nejrychlejším tempem.

skrýt