Оптичните кабели представляват основата на съвременните комуникации, пренасящи данни и телефонни разговори в страни и под океаните. Но непрекъснато нарастващото търсене на данни - от поточно предаване на филми до търсене в Интернет - оказва натиск върху тази мрежа, тъй като има ограничения за това колко данни могат да бъдат изтласкани през кабелите, преди сигналът да се влоши, а новите кабели са скъпи за изграждане.
Свързано съдържание
- Най-накрая изследователите са измислили как да спрат литиевите батерии от спонтанно изгаряне
- FCC току-що гласува, за да запази нетната неутралност
Сега екип от Калифорнийския университет в Сан Диего може да има решение, като заимства техника, използвана в други области като инструмент за измерване: честотният гребен. Тези устройства, базирани на лазер, позволяват на екипа да премахва изкривявания, които обикновено се появяват преди сигналът да стигне до края на кабела. Изследователите изпратиха данни по-далеч от всякога - 7 456 мили - без да е необходимо усилването на сигнала по пътя.
Ако тяхната експериментална техника се задържа в реалния свят, оптичните кабели ще се нуждаят от по-малко скъпи ретранслатори, за да поддържат сигналите силни. В допълнение, по-голямата стабилност на сигнала в потока от данни би означавала, че повече канали могат да бъдат запълнени в едно предаване. В момента основен компромис с оптичните влакна е колкото повече данни искате да предадете, толкова по-кратко разстояние можете да го изпратите.
Оптичните сигнали са просто кодирана светлина, генерирана от лазер или светодиод. Тази светлина се движи по тънки стъклени кабели, отразявайки се от вътрешните им повърхности, докато излезе от другия край. Подобно на радиопредаванията, лазерният лъч ще има определена честотна лента или диапазон от честоти, които покрива, а типичната верига от оптичен кабел може да пренася повече от един канал на честотна лента.
Но сигналите не могат да пътуват завинаги и все още се декодират поради така наречените нелинейни ефекти, по-специално ефектът на Kerr. За да работи оптичната влакно, светлината във влакното трябва да пречупва или огъва определено количество, докато пътува. Но електрическите полета ще променят колко стъклото огъва светлина, а самата светлина генерира малко електрическо поле. Промяната на пречупването означава, че има малки промени в дължината на вълната на предавания сигнал. Освен това има малки нередности в стъклото на влакното, което не е абсолютно перфектен отражател.
Малките промени в дължината на вълната, наречени трептене, добавят и предизвикват кръстосано говорене между каналите. Трептенето изглежда произволно, защото оптичното предаване с оптични влакна носи десетки канали и ефектът върху всеки канал е малко по-различен. Тъй като ефектът на Kerr е нелинеен, математически погледнато, ако има повече от един канал, не можете просто да го извадите - изчислението е много по-сложно и почти невъзможно за днешното оборудване за обработка на сигнали. Това прави тревогите трудни за предвиждане и коригиране.
„Разбрахме, че неясността, която е толкова малка, кара цялото нещо да изглежда така, сякаш не е детерминирано“, казва Никола Алич, изследовател от Института Qualcomm в UCSD и един от ръководителите на експерименталната работа.
В настоящата настройка на оптичните влакна, честотите на каналите трябва да са достатъчно далеч, така че трептенето и другите шумови ефекти не ги правят да се припокриват. Също така, тъй като трептенето се увеличава с разстояние, добавянето на повече мощност към сигнала само усилва шума. Единственият начин да се справите с това е да поставите скъпи устройства, наречени повторители на кабела, за да регенерират сигнала и да пречистите шума - типичният трансатлантически кабел има ретранслатори, инсталирани на всеки 600 мили или около, каза Алич, и имате нужда от такъв за всеки канал,
Изследователите на UCSD се чудеха дали могат да намерят начин да направят трептенето да изглежда по-малко случайно. Ако знаеха точно колко ще се промени дължината на вълната на светлината във всеки канал, тогава биха могли да го компенсират, когато сигналът стигне до приемник. Оттам дойде честотният гребен. Алич казва, че идеята му се е появила след години работа в свързани области със светлина. „Това беше нещо като момент на яснота“, казва той. Честотен гребен е устройство, което генерира лазерна светлина на много много специфични дължини на вълната. Изходът изглежда като гребен, като всеки "зъб" е с дадена честота и всяка честота е точно кратно на съседните. Гребените се използват за изграждане на атомни часовници, в астрономията и дори при медицински изследвания.
Алич и неговите колеги решиха да разберат какво ще се случи, ако използват честотен гребен за калибриране на изходящите оптични сигнали. Той го сравнява с диригент, който настройва оркестър. „Помислете за диригента, използвайки настройка, за да кажете на всички какво е средния А“, казва той. Екипът изгради опростени оптични системи с три и пет канала. Когато използваха гребена, за да калибрират дължината на вълната на изходящия сигнал, те все още намериха трептене, но този път всички канали трептяха по същия начин. Тази редовност позволи сигнала да бъде декодиран и изпратен на рекордно разстояние без повторители. „Това прави процеса детерминиран“, казва Алич, чийто екип отчита резултатите за тази седмица в Science .
Сетумадхаван Чандрасехар, изтъкнат член на техническия персонал в глобалната телекомуникационна компания Alcatel-Lucent, е един от многото учени, които работят от проблема с трептенето на оптичните влакна от няколко години. Публикуваната му работа включва предаване на фазо-свързани сигнали - два сигнала, които са точно на 180 градуса извън фаза един с друг. Тази настройка означава, че всеки от нелинейните ефекти, които причиняват шум, ще бъде отменен.
Работата с UCSD е важна, но все още не е цялостно решение, казва Чандрасехар. "Това, което липсва, е, че повечето системи сега имат двойна поляризация", казва той, което означава, че системите увеличават капацитета, като изпращат светлинни сигнали, които са поляризирани по различен начин. „Повечето системи днес предават информация в двете поляризационни състояния на светлината и екипът на UCSD трябва да демонстрира, че тяхната техника работи също при такъв сценарий на предаване“, казва той.
Алич казва, че следващият набор от експерименти на екипа ще реши този проблем. Засега те смятат, че тази техника може да бъде адаптирана за реална употреба, въпреки че ще изисква изграждане и внедряване на нов хардуер, което ще отнеме време. Така или иначе, увеличаването на обхвата на сигналите ще позволи много по-агресивно изграждане, давайки повече данни и повече разстояние, без да се притеснявате от загубата на сигнал. "Няма причина да се страхуваме повече", казва той.
