Geresnio stuburo kūrimas

Milžiniškame Korningo stiklo muziejaus ekrane Niujorko valstijoje rodomi vaizdo įrašai su naujienomis apie karą, inauguraciją, kadrą iš kosmoso, žaidimo šou, taip pat realiu laiku stebimų muziejaus lankytojų projekcijomis. Visų šių vaizdų šaltinis? Stiklo sruogelė, plonesnė už žmogaus plauką, tačiau pakankamai plati, kad perneštų daugiau informacijos nei trys milijonai varinių laidų – technologija, kurią ji pakeitė. Cor-ning pagrįstai demonstruoja savo išradimą: optinio pluošto technologija yra vienas iš XX amžiaus technologinių stebuklų.

Gaila, kad mums nuolat reikia naujų stebuklų, kad galėtume neatsilikti nuo aistringų tinklo reikalavimų, kuriuos šis šimtmetis kelia šiems ploniems stiklo pluoštams. Galų gale, šviesolaidinė technologija yra išankstinė žiniatinklio technologija; ir didžioji dalis pluošto, kuriuo, be pokalbių telefonu, šiandien siunčiami el. pašto pranešimai, muzikos atsisiuntimai ir vaizdo įrašų srautai, buvo įdiegta anksčiau, nei dauguma žmonių net nežinojo apie šias laikmenas. Tai, kas anksčiau atrodė begėdiškas pajėgumų švaistymas, dabar atrodo apgailėtinai neadekvatu. Mūsų apetitas pralaidumui auga eksponentiniu greičiu ir nėra jokių lėtėjimo ženklų. Telekomunikacijų konsultacinės įmonės RHK techninė direktorė Tracey Vanik palygina internetą su „Star Trek“ aistringu „Borg“: kad ir koks pralaidumas būtų prieinamas, internetas prarys.

„Corning“, „Lucent Technologies“ ir kitų milžiniškų telekomunikacijų tiekėjų pagamintas optinis pluoštas yra visoje telekomunikacijų sistemoje, jungiantis mus, kai naršome mėgstamas svetaines arba skambiname į Tokiją. Tačiau didžioji dalis šiuo metu atliekamų pažangiausių šviesolaidinių tyrimų yra skirta sistemos stuburo pajėgumų gerinimui: riebiausiam iš riebalų duomenų vamzdžių, kurie perduoda duomenis žemynuose ir jungia miestų centrus.

Stuburas yra patogi metafora, tačiau ji suteikia pernelyg tvarkingą vaizdą. Stuburinis organizmas turi vieną stuburą, bet telekomunikacijų sistema neturi; Nė vienai įmonei nepriklauso šie didelės talpos tarpmiestiniai kabeliai, ir nė viena organizacija neužtikrina, kad jos atitiktų pasaulinius pralaidumo reikalavimus. Kai kuriais atvejais telekomunikacijų bendrovės – pasaulio pasauliniai „WorldComs“, „Sprints“ ir „AT&T“ – sieks savo kabeliais uždengti intensyvaus eismo maršrutus, lygiagrečiai viena kitai nutiesdamos į spagečius panašias gijas išilgai greitkelio ir geležinkelio, jungiančios didmiesčius. kilpos per žemynus ir vandenynus. Kitais atvejais vežėjai nuomoja šviesolaidžius iš kitų vežėjų; iš tiesų, kai kurie vežėjai užsiima tik magistralinių pajėgumų nuoma.

Vis dėlto visi operatoriai susiduria su tuo pačiu iššūkiu: kaip neatsilikti nuo pralaidumo paklausos kreivės. „Corning“ ir kitur atlikti tyrimai rodo, kad kiekvienas našumo pagerinimas turi savo kainą; Atrodo, kad norint sukurti geresnį stuburą, reikia pasirinkti tik tinkamus kompromisus.

Optikos tobulinimas

Paprasčiausias sprendimas stuburui sutvirtinti – tiesiog nutiesti daugiau kabelio. Tačiau tai taip pat pati brangiausia alternatyva: net 40 procentų šviesolaidinės sistemos kainos skiriama pirmumo teisių įsigijimui, leidimų gavimui ir kabelio įvedimui į žemę. (Senas pokštas telekomunikacijų bendrovėse, kad jos mielai atsisakytų naujų technologijų, jei kas tiesiog parodytų, kaip iškasti pigesnį griovį.)

Kiti du būdai, kaip padidinti pajėgumus, nereikalauja gatvių kasimo, o pasikliauti naujausia įranga, sumontuota telefonų biuruose, kur baigiasi šviesolaidinės gijos. Inžinieriai gali sukurti metodus, kaip padidinti informacijos kanalų, kuriuos gali nešti kiekviena šviesolaidinė grandinė, skaičių. Arba jie gali sukurti būdus, kaip pagreitinti duomenų judėjimą kiekviename kanale.

Abiem būdais išvengiama milžiniškų naujų linijų įrengimo išlaidų. Tačiau kiekviena strategija yra sudėtinga, nes patobulinus vieną sritį, dažnai kyla problemų kitoje. Yra didelis kompromisas tarp atstumo ir pajėgumų, sako Roe Hemenway, Corning tinklo įrangos tyrimų vadovas. Kuo toliau, tuo mažesnė talpa. Mūsų prašoma padidinti šviesolaidžio talpą, nuvažiuoti didesnius atstumus ir padaryti tai dar kokybiškiau.

Hemenway dirba Korningo Sulivano parko tyrimų ir plėtros centro Niujorko valstijoje esančioje laboratorijoje, kur lentynose yra eilės metalinių dėžių, kurių kiekviena yra lazeris, generuojantis infraraudonųjų spindulių spindulį. Spinduliai eina per moduliatorius ir tankintuvus, stiprintuvus ir filtrus, vėl ir vėl keliauja ta pačia šviesolaidinio kabelio kilpa, kad imituotų atstumą, panašiai kaip skaitmeninis lenktyninis automobilis informaciniame greitkelyje bandomojoje trasoje. Sistemos pabaigoje kompiuterio ekrane rodomas paleidimo metu padarytų klaidų skaičius, o osciloskopas grafiškai parodo, ar signalas buvo ryškus ar neryškus.

Sąranka leidžia „Corning“ inžinieriams išbandyti, kaip kiekvienas komponentas veikia signalo perdavimą ir kokį jo pasikeitimą daro visai sistemai. Šis metodas yra labai svarbus šviesolaidžio projektavimui, nes kad ir koks sprendimas būtų tobulinamas, kad šviesolaidinis pluoštas būtų efektyvesnis, greičiausiai bus taikoma daugybė technologijų, kurių kiekviena gali turėti įtakos kitoms.

Per pastaruosius šešerius metus sparčiausių šviesolaidžių perdavimo spartos laboratorijose išaugo keturis kartus, o šiais metais tikimasi dar keturis kartus padidinti. Svarbiausias klausimas yra tai, ar, atsižvelgiant į visus kompromisus, galima išlaikyti dabartinį pagerėjimo tempą. Galėčiau jums duoti macho atsakymą, kad ketiname ir toliau tobulinti pluoštą, bet atvirai kalbant, aš nežinau, sako Josephas Antosas, „Corning“ pluošto plėtros technologijų direktorius. Kiekvienas naujas išradimas [padidinti pajėgumą] tampa vis sunkesnis ir sunkesnis.

Daugiau kanalų viename pluošte

Duomenys keliauja optiniu pluoštu per šviesos impulsų seriją iš lazerio, išjungimų ir įjungimų, atitinkančių skaitmeninio kodavimo vienetus ir nulius. Skaidulinės optikos sistemos naudoja efektyviausiai per stiklą sklindantį šviesos spektrą, kurio bangos ilgis yra nuo 1300 iki 1600 nanometrų. Už šių bangos ilgių šviesa paprastai būna absorbuojama ir prarandama arba ištempiama per toli, kad būtų galima naudoti signalą. Ir iš turimo spektro dauguma perdavimo vyksta vadinamojoje centrinėje juostoje, nuo 1 530 iki 1 565 nanometrų.

Suskaidydami signalą į skirtingus bangos ilgius, nes prizmė atskiria spalvas, sudarančias baltą šviesą, inžinieriai gali siųsti daugiau nei vieną šviesos srautą išilgai pluošto tuo pačiu metu. Ankstyvieji diegimai padalijo šviesą į keturis ar aštuonis atskirus kanalus, kurių kiekvienoje skaiduloje buvo apie 10 gigabitų – 10 milijardų bitų per sekundę. Šiandien kai kurios sistemos gali perduoti 80 kanalų centrinėje juostoje ir vienu pluoštu gali nustumti daugiau nei pusę trilijono bitų per sekundę.

Tačiau yra riba, kiek kanalų galima įspausti į centrinę juostą. Kaip ir glaudžiai išdėstytos automobilio radijo stotys, per arti esantys kanalai sukelia trikdžius. Galbūt klausotės per radiją Viskas laikoma ir staiga gauti Backstreet Boys arba statinį. Tas pats atsitinka ir su optiniais signalais. Siekiant sumažinti trikdžius, dabartinėse moderniausiose sistemose tarp kanalų reikia maždaug 50 gigahercų buferinės zonos (milijono ciklų per sekundę dažnio matas).

Dėl šių suvaržymų centrinė juosta dabar iš esmės pilna, o inžinieriai nori pridėti kanalų, iškeldami iš centrinės spektro dalies į naują teritoriją.

Breaking New Ground

Kad būtų galima naudoti naujas spektro dalis, esančias už centrinės juostos ribų, mokslininkai turi sukurti naujas įrenginių versijas, kurios padėtų stumti signalus išilgai optinių skaidulų. Paimkite stiprintuvus, kurie padeda sustiprinti signalus, kurie praranda energiją, kai jie šokinėja pirmyn ir atgal tarp pluošto pagrindinės dalies sienelių. Norėdami juos pakelti, inžinieriai gali naudoti įrenginius, vadinamus erbio legiruoto pluošto stiprintuvais. Iš esmės tai yra pluošto kilpos, surištos retųjų žemių elementu erbiu. Lazeris sužadina erbio atomus, kurie perduoda savo energiją optiniam signalui, praeinančiam per stiprintuvą, padidindami atstumą, kurį jis gali nukeliauti. Be stiprinimo didelės spartos signalai nenukeliautų pakankamai toli, kad būtų naudingi.

Dėl naujausių pokyčių šie stiprintuvai gali veikti ilgesnio bangos ilgio – 1570–1625 nanometrų – srityje, pridedant naują spektro dalį, iš kurios galima iškirpti papildomus duomenų kanalus. Pavyzdžiui, „Lucent Technologies“ išleido sistemą, kuri išspaudžia 80 kanalų į centrinę juostą ir naudoja erbio stiprintuvus, kad pridėtų dar 80 kanalų ilgo bangos ilgio srityje, padvigubinant kiekvieno pluošto pajėgumą.

Tačiau kiekvieną kartą, kai signalas praeina per erbio stiprintuvą, jis paima triukšmo elementus, kurie nebuvo pradinio signalo dalis. Tolimojo magistralėse, kur signalą reikia stiprinti daug kartų, šviesolaidinės sistemos turi būti sujungtos su regeneratoriais – įrenginiais, atkuriančiais signalus, kurie nukeliavo per tiek daug stiprintuvų, kad jie susilpnėjo. Regeneratoriai paima šviesos signalą, paverčia jį elektriniu signalu ir sukuria naują šviesos spindulį.

Nauja technika, vadinama Ramano amplifikacija ( matyti Penki patentai, kuriuos reikia žiūrėti: „Boster Shots“. , TR 2001 m. gegužės mėn ) leis sustiprinti signalą nesukeliant triukšmo, todėl nebereikės regeneratorių ir galbūt sukurs naują būdą inžinieriams padidinti pajėgumą. Skirtingai nuo erbio stiprintuvų, kurie veikia tik tam tikruose bangos ilgiuose, Ramano stiprinimas žada padaryti dar daugiau naujų kanalų. Nauja įmonė Xtera iš Allen, TX, tikisi pasinaudoti Ramano stiprinimo pranašumais, kad būtų galima perduoti trumpesnio bangos ilgio šviesą, nei gali palaikyti dabartiniai optiniai tinklai. Tai savotiškas naujas Ramano metodų naudojimo posūkis, sako Joe Oravetz, Xtera produktų vadovas, kuris pristatė pirmąjį bendrovės produktą optinio pluošto komunikacijos konferencijoje ir parodoje kovo mėnesį Anaheime, Kalifornijoje.

Tačiau trumpesnio bangos ilgio juostos naudojimas yra neabejotinai ilgalaikė strategija, nes reikės įdiegti naują įrangą kiekviename tinklo taške. Eidami į naują juostą, turite pakeisti visus komponentus, sako Vladimiras Kozlovas, RHK analitikas. Jums reikia naujų šaltinių. Reikia naujų stiprintuvų. Tai gali būti labai brangu.

Greitinimo bitai

Alternatyva kanalų pridėjimui yra pagreitinti duomenų srautą kiekviename kanale. Lygiai taip pat, kaip žmonių namuose naudojami modemai tapo greitesni, stuburo siųstuvai padidino jų gebėjimą siurbti duomenis nuo 100 milijonų bitų per sekundę prieš dešimtmetį iki naujausių 10 milijardų bitų (10 gigabitų) per sekundę. šiandien.

Nors AT&T sausio mėnesį paskelbė pranešimą spaudai, kuriame paskelbė apie pirmąjį 10 gigabitų per sekundę spartos interneto protokolo pagrindą nuo kranto iki kranto, tai jau sena naujiena: 40 gigabitų per sekundę spartos sistemas jau paskelbė Lucent Technologies, Fujitsu ir NEC parduodamas vėliau šiais metais. Su tokia pažanga susiję inžineriniai žygdarbiai yra milžiniški: didinant duomenų perdavimo spartą, reikalaujama, kad inžinieriai sukurtų lazerius, galinčius patikimai įsijungti ir išjungti 40 milijardų kartų per sekundę, ir imtuvus, kurie, kai jie artėja, atskiria vieną blykstę iš kitos. tokiu didžiuliu greičiu.

Tačiau žaidimo pavadinimas stubure išlieka kompromisais, o spartėjantis perdavimo greitis sukelia naujų komplikacijų: norint į skaidulą įdėti daugiau bitų per sekundę, reikia daugiau galios, o esant didesnei galiai, didėja trukdžiai tarp kanalų. Be to, esant tokiam nuostabiam greičiui, smulkūs paties stiklo trūkumai pradeda trukdyti duomenų srautui.

Inžinieriai, siekiantys greičio, turi kompensuoti tokius efektus padidindami nepanaudoto spektro buferinę zoną tarp kanalų: pavyzdžiui, 40 gigabitų per sekundę linijos greičiui gali prireikti 100 gigahercų buferių tarp kanalų, o ne 50 gigahercų. Matematika vis dar palanki: skaidulos tieks pusę kanalų keturis kartus didesniu greičiu, padvigubindamos pajėgumą.

Tačiau statymas, susijęs su perdavimo spartos gerinimu, yra toks didelis, kad dėl kiekvienos kliūties yra inžinierių komandos, kurios stengiasi ją įveikti. NEC America's Public Networks Group mokslininkai ieško būdų, kaip suspausti kanalus, net esant dideliam greičiui, pasinaudojant šviesos poliarizacijos pranašumu. Įsivaizduokite, kaip greitai judinate šokdynę aukštyn ir žemyn, kad kiltų bangos, kurios juda aukštyn link lubų ir žemyn link grindų. Tokios bangos būtų vertikaliai poliarizuotos. Dabar pradėkite judinti šokdynę iš vienos pusės į kitą, kad bangos judėtų link sienų. Jūsų šokinėjimo virvė tapo horizontaliai poliarizuota. NEC metodas padalija šviesos spindulį į 160 kanalų, kurių kiekvienas yra 50 gigahercų atstumu, ir suteikia kaimyniniams kanalams skirtingą poliarizaciją. Taigi du kanalai su ta pačia poliarizacija vis dar yra 100 gigahercų atstumu. Nors vienas šalia kito esantys kanalai gali trukdyti vienas kitam, kai jų poliarizacija yra tokia pati, kanalai su skirtinga poliarizacija – ne. Toks metodas padidins bendrą skaidulų pajėgumą iki 6,4 trilijono bitų (6,4 terabito) per sekundę ir numatoma, kad jis bus prieinamas per dvejus ar trejus metus.

Ir toliau tobulinami laboratorijos visame pasaulyje. Kovo mėnesį mokslininkai iš Prancūzijos bendrovės „Alcatel“, kuriančios šviesolaidžius ir komponentus tiek sausumoje, tiek povandeninėms optinėms sistemoms, paskelbė sukūrę sistemą, pasiekiančią 10,2 terabito per sekundę. Taip pat kovo mėnesį NEC mokslininkai paskelbė apie eksperimentą, kurio metu jie patobulino stiprintuvus, kad gautų prieigą prie platesnės bangos ilgio juostos, padidindami perdavimo greitį iki 10,9 terabito per sekundę.

Arba iškaskite tranšėją

Žinoma, visi šie technologiniai pasiekimai susiduria su šiuo iššūkiu: kaip toliau gerinti linijų, kurios paprastai buvo projektuojamos, gaminamos ir sumontuotos prieš daugelį metų, našumą. Pirmosios šviesolaidinės linijos viešajame tinkle buvo įrengtos Čikagos centre 1977 m. Šiandien didžioji pasaulio tolimojo srauto dalis vyksta šviesolaidiniais kabeliais – daugiau nei 370 milijonų kilometrų, visa tai sukurta anksčiau. šiandieniniai laimėjimai laboratorijose. Galų gale nebus išvengta būtinybės kasti naują tranšėją.

Tačiau nusprendus kloti naują pluoštą, atsiranda naujų galimybių padidinti jo pajėgumą. Pačios pluošto gijos išsivystė taip, kad atlaikytų vis didesnius pajėgumus. Šiandien moderniausias yra nenulinės dispersijos pluoštas, kurį išrado Lucent Technologies ir parduoda tiek Lucent, tiek Corning. Ši pluošto versija praplečia plotą, per kurį sklinda signalas, suteikiant jam daugiau erdvės plisti ir sumažinant persidengimą. Jei turite vandens vamzdį ir norite į jį nuleisti daugiau vandens, vienas iš būdų tai padaryti yra išplėsti vamzdžio plotą, ir iš esmės tai [ši technologija] ir daro, sako Corning's Antos.

Naujos kartos optikos technologija gali visiškai atsikratyti stiklo. Kelios mokslinių tyrimų grupės dirba kurdamos pluoštą iš naujų medžiagų, žinomų kaip fotoninės juostos tarpo kristalai. matyti Naujos kartos optiniai pluoštai , TR 2001 m. gegužės mėn ). Tokie kristalai turi atominę struktūrą, dėl kurios šviesa fiziškai negali prasiskverbti arba būti absorbuojama, todėl šviesa, patekusi į pluošto vidų, atsimuštų atgal į šerdį. Dougas Allenas, „Cor-ning“ mokslinis bendradarbis, dirbantis kuriant tokią medžiagą, teigia, kad šerdis galėtų būti užpildyta oru arba galbūt inertinėmis dujomis. Pasak jo, pašalinus stiklą ir jo iškreipiantį poveikį, galite siųsti daugiau bangų ilgių, nesijaudindami, kad jie trukdys vienas kitam.

Visi šie nauji pokyčiai paskatino tyrimus laboratorijoje daug daugiau, nei šiuo metu galima rasti žemėje. Jei stuburas būtų aprūpintas tik dabar laboratorijose demonstruojamais patobulinimais, galinčiais pernešti 160 kanalų per kiekvieną grandinę, esant 40 gigabitų per sekundę greičiui, pralaidumas, kurį šiuo metu naudojame per mėnesį, mūsų tinklais galėtų būti perkeltas greičiau nei per sekundę. Tada tolimos idėjos pradeda realizuotis – nuo ​​holografinių, 3-D vaizdo konferencijų, imituojančių realų gyvenimą, iki tolimų operacijų ir momentinės prieigos prie knygų, saugomų bet kurioje pasaulio bibliotekoje.

Tačiau dar reikia išspręsti tokio tinklo ekonomiką: kada bus ekonomiškai efektyvu įdiegti šiuos pokyčius? Tokiame didžiuliame dalyke kaip viešasis ryšių tinklas net ir nedideliems atnaujinimams prireikia dešimtmečių, kol jie bus visuotinai įdiegti. Teodorui Vailui, pirmajam AT&T prezidentui, pavyko sukurti pirmąjį pasaulyje moderniausią viešąjį tinklą tik privertus Kongresą paskelbti jo įmonę natūralia monopolija. Šį kartą taip neatsitiks.

Rajas Reddy, Carnegie Mellon universiteto kompiuterių mokslų profesorius ir JAV gynybos departamento finansuojamos programos High Speed ​​Connectivity Consortium direktorius, vis dėlto išlieka optimistiškai nusiteikęs, kad labai didelio pralaidumo tinklas yra neišvengiamas – vieną dieną mes turėsime. visada įjungtas, neribotas pralaidumas, toks pat lengvai pasiekiamas kaip ir šiandieninė telefono sistema. Tai tikrai įvyks po 30 metų, sako jis. [Bet] ką mes turime padaryti ir ką turime išleisti, kad padarytume tai penkiese?

Ir tai, nepaisant daugybės šviesolaidinių inžinierių, pasiryžusių atrasti technologinius stebuklus, kurie maitins mūsų naujos kartos tinklus, laukia atsakymo. Tačiau, atsižvelgiant į nepaprastą pažangiausių darbų spektrą, atliekamą stuburo srityje, neabejotinai pajėgumai ir toliau didės sparčiausiai.

paslėpti