Bangos ilgio padalijimo tankinimas

Ryšių pralaidumas yra tarsi spinta jūsų namuose – jums niekada negali būti pakankamai. Dėl interneto srauto ryšio pajėgumų paklausa auga greičiau nei paauglio, turinčio neribotą kredito kortelę, drabužių spinta. Kompaktiškas el. pašto žinutes pakeičia pralaidumą reikalaujantys megabaitai animacinės grafikos. Duomenų, vaizdo ir balso signalai pribloškia perdavimo sistemas, kurios vos prieš kelerius metus turėjo pakankamai vietos. Ryšių pramonei reikia erdvės atsikvėpti.

Būtent tai naujos kartos šviesolaidinės technologijos atneša į tinklus, tokius kaip taikliai pavadintas Project Oxygen. Neilas Tagare'as, CTR grupės Vudklifo ežere, N.J., įkūrėjas, pasirinko šį pavadinimą pasauliniam tinklui, nes manė, kad didžiulis naujųjų technologijų pralaidumas yra toks pat svarbus telekomunikacijoms, kaip deguonis pačiam gyvenimui. Siųsdamas 16 skirtingų bangų ilgių signalus per kiekvieną iš keturių optinių skaidulų porų, „Project Oxygen“ per visus vandenynus perneš 640 gigabitų per sekundę (Gbit/s). Tai prilygsta 10 milijonų vienu metu vykstančių telefono pokalbių – užtenka kiekvienam Vengrijos ar Belgijos gyventojui, kad tuo pačiu metu paskambintų į JAV.

Ši istorija buvo mūsų 1999 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Technologija, kuri leidžia naudoti šį naują dažnių juostos plotį, vadinama bangos ilgio dalijimosi tankinimu arba WDM, ir tai yra antra pagrindinė šviesolaidinė telekomunikacijų revoliucija. Pirmasis įvyko devintajame dešimtmetyje, kai telefonų kompanijos prijungė JAV ir kitas šalis šviesolaidžiais, kad sukurtų pasaulinį informacijos vamzdynų stuburą, galintį perduoti daug daugiau duomenų nei variniai laidai ir mikrobangų jungtys, kurias jos pakeitė. WDM pasinaudoja šiuo pranašumu milžinišku žingsniu, dar labiau padaugindamas kiekvieno pluošto potencialą, užpildydamas jį ne tik vienu, bet daugybe šviesos bangų ilgių, kurių kiekvienas gali perduoti atskirą signalą.

Bangos ilgio padalijimo tankinimas pasirodė gana patogus, nes senesni šviesolaidiniai kabeliai buvo užpildyti, sako Richard Mack, KMI Corp., Niuporte, R.I. įsikūrusios rinkos analitikų įmonės, besispecializuojančios šviesolaidžių srityje, viceprezidentas. Naudodamiesi WDM, tolimojo susisiekimo operatoriai, tokie kaip AT&T ir MCI, sugebėjo išvengti brangių naujų kabelių tiesimo; vietoj to jie tiesiog pumpuoja papildomų bangų ilgių per esamus pluoštus.

WDM revoliucija atėjo netikėtai greitai. Mackas pažymi, kad prieš dešimtmetį žmonės sakė, kad pluošto pajėgumų perteklius. Kad būtų erdvės plėtrai, telefonų bendrovės nutiesė kabelius, kuriuose buvo nuo 24 iki 36 skaidulų, daugelis jų buvo laikomi rezerve kaip tamsūs pluoštai. Kiekvienas pluoštas vienu bangos ilgiu pernešė šimtus megabitų per sekundę. Nuo tada nešėjai padidino duomenų perdavimo spartą iki 2,5 Gbit/s ir apšvietė didžiąją dalį tamsiųjų skaidulų. Tačiau nepaprastai išaugęs srautas perpildė šiuos kabelius, kurie kažkada atrodė tokie dideli. Atrodo, kad spintos sparčiai kraunasi iki gegnių – ir daiktai išsilieja ant grindų. Telefono naudojimas šiek tiek išaugo, įskaitant fakso aparatų ir mobiliųjų telefonų paplitimą. Tačiau labiausiai išaugo interneto srautas, kuris kiekvienais metais padvigubėja.

Taip pat aišku, kad didėjančios paklausos pabaigos nematyti, ypač jei, kaip mano daugelis ekspertų, dvipusis vaizdo ryšys tampa vis dažnesnis. Ryšių pramonė išgyvena pereinamąjį laikotarpį, kuris po kelerių metų suteiks mums skaitmeninį vaizdo įrašą, skirtą kasdieniam naudojimui namuose ir darbe, sako Shahab Etemad, vadovaujantis WDM perdavimo plėtrai Morristown, N.J. įsikūrusioje „Bell Communications Research“ arba „Bellcore“. (Iš pradžių buvo vietinių ir regioninių telefono kompanijų tyrimų padalinys, Bellcore dabar veikia kaip tinklo valdymo konsultavimo įmonė su įvairiais verslo klientais.) Etemad tikisi, kad perėjus nuo balso telefonijos prie skaitmeninių duomenų, kuriuose gausu vaizdo, reikės padauginti magistralinio perdavimo pajėgumus iš maždaug koeficientas yra 200 ir, jo teigimu, WDM turi atlikti pagrindinį vaidmenį patenkinant šią padidėjusią paklausą.

Dėl WDM metodų pažangos pluoštas padarė gerą darbą, kad neatsiliktų nuo šio sprogimo paklausos. Pasak Davido Clarko, MIT kompiuterių mokslo laboratorijos vyresniojo mokslo darbuotojo, gebėjimas nuimti skaidulą auga greičiau nei Moore'o įstatymas, kuris prognozuoja, kad skaičiavimo galia padvigubės kas 18 mėnesių. Šiuo metu, Clark pažymi, pluošto talpa padvigubėja kas 12 mėnesių.

Padaryti tai su Erbium

Terminas „bangos ilgio padalijimo tankinimas“ kvepia inžineriniu žargonu, tačiau koncepcija paprasta: vienu metu siųsti atskirus signalus per tą patį pluoštą skirtingais bangos ilgiais. Iš esmės ta pati idėja sudaro radijo ir televizijos transliavimo pagrindą, kai kiekviena stotis siunčia savo signalą priskirtu bangos ilgiu radijo dažnių spektre. Žinoma, dauguma žmonių galvoja apie dažnį, tačiau šios dvi reikšmės yra neatsiejamai susijusios su jų ryšiu su šviesos greičiu. (Pavyzdžiui, 100 megahercų FM ciferblate atitinka maždaug 3 metrų bangos ilgį.)

Tie patys principai veikia šviesą, einančią per optinį skaidulą, kaip ir radijo bangas, perduodamas oru. Optinės skaidulos geriausiai praleidžia nematomos, artimos infraraudonosios šviesos bangos ilgiui nuo 1,3 iki 1,6 mikrometro – maždaug dvigubai daugiau nei raudonos šviesos bangos ilgis.

Jei WDM yra ir paprastas dalykas, ir idėja, kuri buvo iškelta – kodėl ji tik neseniai tapo praktiška? Didžiausia kliūtis buvo tinkamų stiprintuvų trūkumas. Šviesos signalai, sklindantys net per skaidriausias optines skaidulas, po kelių šimtų kilometrų išnyksta iki neaptinkamo lygio. Didžiąją dalį laiko, kai buvo naudojama šviesolaidinė optika, vienintelis būdas aprėpti ilgesnius pluoštus buvo signalo regeneravimas optoelektroniniu procesu: fotodetektorius susilpnėjusių šviesos impulsų srautą paverstų įtampos signalu, kurį būtų galima sustiprinti elektroniniu būdu. ; šis sustiprintas signalas moduliavo lazerinį siųstuvą.

Problema ta, kad šviesos detektoriai neskiria bangos ilgių – jie maišo signalus skirtingomis spalvomis, panašiai kaip jūsų ausims sunku atskirti, kas sakoma, jei du žmonės kalba vienu metu. Kad optoelektroninės sistemos veiktų su keliais bangos ilgiais, jos turi turėti galimybę optiškai atskirti bangos ilgius, naudojant filtrus ar kitus panašius elementus, kad kiekvienas signalas galėtų praeiti per savo regeneratorių. Tačiau iki šiol tai pasirodė nepraktiška.

Šis apribojimas išnyko išradus techniką, skirtą tiesiogiai padidinti signalo šviesos intensyvumą, nereikalaujant tarpinio elektroninio žingsnio. Pagrindinis technologijos elementas yra vadinamasis erbiu legiruotas skaidulinis stiprintuvas. Šie įrenginiai, sukurti devintojo dešimtmečio pabaigoje, leido WDM revoliucijai.

Skirtingai nuo regeneratoriaus, skaidulinis stiprintuvas veikia tiesiai šviesoje. Šviesa silpname įvesties signale skatina sužadintus erbio atomus pluošte skleisti daugiau šviesos tuo pačiu bangos ilgiu. Optinių stiprintuvų grandinės gali sujungti signalus per tūkstančius kilometrų šviesolaidinio kabelio sausumoje arba po vandenynu be regeneratorių. Kadangi jie išsaugo optinių signalų bangos ilgį, erbio skaidulų įrenginiai gali vienu metu sustiprinti kelis skirtingų bangos ilgių kanalus, jų nešifruodami. Erbio stiprintuvai gerai veikia beveik infraraudonųjų spindulių spektro srityje, kurioje veikia šviesolaidinės sistemos.

Žemėje ir jūroje

Tolimojo telefono ryšio bendrovės pirmosios suprato, kad bangos ilgio padalijimas gali sumažinti pralaidumo sąnaudas. Pasak Dana Cooperson, optinio tinklo analitikė RHK Inc., rinkos konsultavimo įmonė Pietų San Franciske, palyginti su alternatyva pridėti naują skaidulą, WDM technologija suteikia daug veiksmingesnį būdą padidinti pajėgumą. Naujo kabelio klojimas yra brangus ir atima daug laiko. O užkasti naują kabelį tame pačiame maršrute, kurį jau užima senesnis kabelis, yra rizikinga – naujai kasant kabelis gali nutrūkti, dėl to visa sistema gali nebeveikti.

Telekomunikacijų operatorių noras taupyti laiką ir pinigus paskatino sparčią WDM technikos plėtrą. Dešimtojo dešimtmečio viduryje vežėjų bendrovės pradėjo naudoti sistemas, perduodančias keturiais bangos ilgiais, ir netrukus skaičių padidino iki aštuonių. Kūrėjai greitai dar smulkiau supjaustė spektrą, kad per vieną skaidulą išspaustų 16 bangos ilgio kanalų tam, kas tapo žinoma kaip tankus WDM.

Kai vežėjai pamatė poreikį, gamintojai taip pat greitai pajuto rinką. „Lucent Technologies“ iš Murray Hill, N.J., pritaikė technologiją, sukurtą jos dukterinėje įmonėje „Bell Labs“. Ciena, Linthicum, Md., įmonė, įkurta 1992 m., įsikrovė greičiau, pristatydama savo pirmąją komercinę 16 kanalų sistemą 1996 m. – beveik tuo pačiu metu, kaip ir AT&T spinoffas. Vėliau sekė kiti telekomunikacijų gigantai visame pasaulyje, įskaitant Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu ir Ericsson. Per pastaruosius dvejus ar trejus metus kelios įmonės, įskaitant Ciena, Lucent ir Nortel of Saint-Laurent, Que., pradėjo prekiauti sistemomis, kurios suskirsto erbio stiprintuvo spektrą į 32 arba 40 skilčių, kurių kiekviena yra tik 0,8 nanometro pločio. Praėjusį rugsėjį „Lucent“ pristatė savo pirmąją 80 kanalų sistemą AT&T. „Pirelli Cable“ iš Lexington, S.C., žadėjo 128 kanalų versiją, tačiau iki sausio vidurio aparatūros nepristatė.

Telekomunikacijų operatoriams šiandien nereikia visų tų kanalų, o dėl WDM būdingo moduliškumo jiems nereikia pirkti daugiau kanalų, kol jie nėra pasiruošę. WDM sistemą diegiantis operatorius gali pradėti nuo siųstuvų ir imtuvų, reikalingų keliems pradiniams kanalams. Vėliau, augant pajėgumų poreikiui, galima prijungti papildomą įrangą, kad būtų atverti nauji bangos ilgiai.

Norint išnaudoti visus WDM privalumus, dažnai reikia atnaujinti senesnius kabelius, pridedant komponentų, kurie kompensuoja varginantį efektą, vadinamą chromatine dispersija. Tai reiškia trumpo šviesos impulso tendenciją ištempti, kai jis sklinda per skaidulą dėl to, kad kai kurie bangos ilgiai sklinda greičiau nei kiti. Dispersija sutepa šviesos impulsus kartu ir todėl riboja perdavimo greitį. Šio reiškinio išvengti ypač svarbu povandeniniuose kabeliuose, kur šviesos signalai turi nukeliauti kelis tūkstančius kilometrų šviesolaidžio nuo kranto iki kranto. Nauji įrenginiai gali naudoti pluoštus, sukurtus optimaliam WDM našumui, neseniai sukurtus tiek Lucent, tiek Corning (Corning, N.Y.).

Praėjusiais metais pirmasis didelis povandeninis kabelis, skirtas daugiabangėms operacijoms, vadinamas Atlantic Crossing 1, pradėjo siųsti 2,5 Gbit/s keturiais bangos ilgio kanalais kiekvienoje iš keturių skaidulų porų. Šios sistemos pajėgumas gali būti padidintas iki 16 bangos ilgių viename pluošte esant tokiam greičiui, sako Patrickas R. Trischitta, „Tyco Submarine Systems Laboratories“ techninės rinkodaros direktorius Holmdelyje, NJ Tai žada iš viso 160 Gbit/s per laidą. kilpa, jungianti JAV su Britanija, Nyderlandais ir Vokietija.

Projektas Oxygen pakelia kartelę. Naujesnė WDM technologija per vandenyną per keturias skaidulų poras perduos 10 Gbit/s kiekviename iš 16 bangų ilgių, bendras 640 Gbit/s vieno kabelio pajėgumas. Tai daugiau nei 1000 kartų didesnė už pirmojo transatlantinio šviesolaidinio kabelio, kuris pradėtas eksploatuoti vos prieš dešimtmetį, pajėgumas. Visa sistema galiausiai apims 168 000 kilometrų kabelio, kurio pakaks keturis kartus aplink Žemės rutulį. Kitos grupės planuoja daugiau povandeninių kabelių sistemų, nors nė viena nėra tokia ambicinga. Nenuostabu, kad MIT Clarkas prognozuoja, kad mes paskęsime pluošte.

Žemėje regioninės telefono ryšio bendrovės ką tik pradėjo taikyti bangos ilgio multipleksavimą. Praėjusiais metais „Bell Atlantic“ pradėjo bandyti WDM ant 35 kilometrų ilgio kabelio tarp Brunswick ir Freehold, N.J., sako Robertas A. Gallo, Bell Atlantic inžinierius, atsakingas už bandymą. Kiekvienas iš keturių kanalų perduoda signalus iki 2,5 Gbit/s greičiu (didžiausias dažnis tarp įmonės perjungimo biurų), o Ciena sukurta sistema turi lizdus iki 16 bangos ilgio kanalų. Bell South išbandė tris iš 16 kanalų panašioje sistemoje kabeliu, besitęsiančiu 80 kilometrų tarp Grenados ir Grinvudo, Miss. Ekonomika aišku: pigiau pridėti WDM, nei pridėti naują skaidulą, sako RHK analitikas Cooperson.

Trumpesniems kabeliams, jungiantiems biurus su pagrindiniais verslo klientais, taikomos skirtingos taisyklės. Čia, vadinamojoje metro rinkoje, skaidulų skaičiaus didinimo kaina nėra tokia didelė problema, nes važiavimai yra daug trumpesni, aiškina Cooperson. Vis dėlto WDM pagerina signalo perdavimą kitais svarbiais būdais. Vienas iš jų yra perduoti signalus originaliais skaitmeniniais formatais, o ne konvertuoti juos į skaitmeninį kodavimą, naudojamą telefono tinkle. Kadangi tokiam konvertavimui reikalinga brangi elektronika, gali būti pigiau skirti bangos ilgį tiesioginiam perdavimui originaliu formatu.

Galimybė rūšiuoti signalus pagal bangos ilgį turėtų supaprastinti būsimų šviesolaidinių tinklų veikimą. Tradiciškai telefonų bendrovės organizuoja skaitmeninius signalus pagal bitų perdavimo spartos hierarchiją, sujungdamos daug mažos spartos intakų į galingas skaitmenines upes, tekančias gigabitus per sekundę. Tai efektyviai supakuoja bitus į perdavimo linijas, tačiau norint išgauti atskirus signalus, reikia išpakuoti visą bitų srautą. Tačiau jei signalai yra suskirstyti pagal bangos ilgį, paprasta optika gali išjungti norimo bangos ilgio kanalą, netrukdydama kitiems. Inžinieriai kalba apie naujo optinio sluoksnio įtraukimą į telekomunikacijų sistemą. Klientai gali išsinuomoti šio optinio sluoksnio bangos ilgį, o ne teisę perduoti tam tikra duomenų perdavimo sparta. Pavyzdžiui, televizijos stotis galėtų rezervuoti vieną bangos ilgį iš savo studijos siųstuvui, o kitą - vietinei kabelinės televizijos kompanijai ir perduoti abu signalus skaitmeniniais vaizdo formatais, kurie nenaudojami telefonų tinkle.

Ultimate Squeeze

Kadangi pralaidumo paklausa nerodo lėtėjimo ženklų, WDM sistemų kūrėjai jau galvoja, kaip į tą patį pluoštą supakuoti daugiau bangos ilgių. Šiuo metu tiriami du pagrindiniai metodai, kurių abiejų ribos yra akivaizdžios.

Vienas iš būdų yra sumažinti tarpą tarp bangų ilgių, pasirenkant bangų ilgius, kurie yra arčiau vienas kito, kad būtų galima perduoti daug signalų. Bangos ilgių pakavimas arčiau veikia gerai iki tam tikro taško, tačiau galiausiai prieštarauja pagrindinei fizikai. Didėjant bitų spartai, optiniai impulsai trumpėja ir, vadovaujantis Heisenbergo neapibrėžtumo principu, šis sutrumpinimas priverčia šviesos signalą skleisti platesniu bangos ilgių diapazonu. Šis sklaidymas gali sukelti trukdžius tarp glaudžiai išdėstytų kanalų. Didžiausios talpos „Lucent“ sistema apdoroja 10 Gbit/s bangos ilgio kanaluose, atskirtuose 0,8 nanometro atstumu, bet tik 2,5 Gbit/s, kai kanalų atstumas sumažėja perpus. Ir tik nedaugelis ekspertų mano, kad kanalus galima suspausti daug stipriau. Tarp pagrindinių pardavėjų tik „Hitachi Telecom“ iš Norcross, Ga., kalba apie atskirų kanalų moduliavimą 40 Gbit/s greičiu ir pripažįsta, kad šie signalai gali apimti tik ribotus atstumus.

Geresnės perspektyvos atrodo antrasis variantas: perdavimo bangų ilgių diapazono išplėtimas. Pavyzdžiui, „Pirelli“ naudoja tris erbio skaidulų stiprintuvus, optimizuotus atskiroms 1525–1605 nanometrų juostoms, kad išspaustų 128 bangos ilgio kanalus 10 Gbit/s greičiu į vieną skaidulą. „Lucent“ laboratorijoje pademonstravo panašaus diapazono erbio stiprintuvus, o praėjusiais metais pristatė naują optinį pluoštą, kuris atveria ilgai nepaisytą maždaug 1400 nanometrų spektro bloką. Gerų optinių stiprintuvų kitiems bangos ilgiams dar nėra.

Vis dėlto, kad WDM išnaudotų visą savo potencialą, reikės daugiau nei paprasčiausiai supakuoti papildomus bangos ilgius. Taip pat reikės sukurti geresnę įrangą, skirtą perjungti ir valdyti įvairius bangos ilgius, kai signalas išeina iš optinio vamzdžio. KMI analitikas Mackas sako, kad optiniai jungikliai priartėja prie praktinių komercinių pritaikymų. Tačiau jis priduria, kad norint visiškai imituoti tai, kas vyksta skaitmeniniuose kryžminiuose ryšiuose, turite perskirstyti ir priskirti bangos ilgius. Neįmanoma paskirstyti to paties bangos ilgio vienam klientui visoje sistemoje, nes didžiulis tinklas turi daug daugiau klientų nei turi bangos ilgių.

Žemiau esančioje iliustracijoje parodyta, kaip signalai iš San Francisko ir Cupertino į Palo Alto atkeliauja tuo pačiu bangos ilgiu, abu nukreipti į San Chosė. Palo Alto mazgas turi konvertuoti vieną signalą į kitą bangos ilgį paskutiniam kelionės etapui, kad jų perduodami pranešimai nebūtų beviltiškai supainioti. Bangos ilgio konvertavimas dabar turi būti taikomas tuo pačiu žiaurios jėgos metodu, kaip ir regeneratoriai, konvertuojant optinį signalą į elektroninį signalą, kuris gali valdyti siųstuvą išėjimo bangos ilgiu. Visiškai optiniai konversijos metodai, nors ir demonstruojami laboratorijoje, dar nepasiekė komercinio praktiškumo.

Net jei šios techninės problemos bus išspręstos, to nepakaks, kad technologija išties išskleistų sparnus. Dėl to kaina taip pat turės kristi – tokia trajektorija, kuri, anot ekspertų, jau tapo akivaizdi. Adelis Salehas, AT&T Labs plačiajuosčio ryšio prieigos tyrimų skyriaus vadovas Red Bank, NJ, projektų, kurių kaina vienam tinklo mazgui, kas penkerius metus sumažės 10 kartų, pradedant nuo 1 mln. USD 1995 m. Per ateinančius metus ar dvejus Jis sako, kad WDM bus ekonomiškas tik magistraliniams tinklams. Kai mazgo kaina nukris iki 100 000 USD, technologija taps prasminga didmiesčių ir regionų tinklams, pradedant nuo paslaugų didelėms įmonėms. Salehas tikisi, kad po to, kai maždaug 2005 m. kaštai nukris iki 10 000 USD už mazgą, „WDM“ pasieks individualius namus, kai išlaidos sumažės iki maždaug 1 000 USD 2010 m.

Tikroji WDM stiprybė slypi tame, kaip jis išplečia optinius kvėpavimo takus, kad kiekvienas galėtų įkvėpti daugiau informacijos deguonies. Radijo eros aušroje kiekvienas siųstuvas rėkė per visą radijo spektrą, blokuodamas kitus signalus savo transliacijos metu. Tada inžinieriai išmoko sukurti grandines, kurios suderintų kiekvieną siųstuvą pagal savo dažnį, atverdamos radijo spektrą daugeliui stočių, kurias girdime šiandien. Lygiai taip pat WDM pakeičia vieną nespalvotų bitų srautą daugybe skirtingų spalvų signalų.

WDM kuria didžiulius naujus informacijos kanalus, kurie užtikrins geresnes paslaugas mažesnėmis sąnaudomis. Tačiau tikroji informacinė revoliucija neįvyks tol, kol pigūs WDM vamzdynai nepasieks individualių gyvenamųjų vietų. Šiandieniniai modemo ryšiai tebėra kliūtis, verčiantys mus gurkšnoti duomenų srautą per elektroninį plono plastikinio šiaudelio atitikmenį. Tačiau pasiruoškite: kai pluoštas pasiekia namus, jūsų paties bangos ilgis gali sukelti burbuliuojantį bitų fontaną.

paslėpti