Opbygning af en bedre rygrad

På en kæmpe skærm på Corning Museum of Glass i upstate New York viser videobilleder nyhedsbilleder af en krig, en indvielse, et rumbillede, et spilshow sammen med realtidsprojektioner af museumsgængere, der stirrer op i undren. Kilden til alle disse billeder? En glasstreng, tyndere end et menneskehår, men alligevel bred nok til at bære mere information end tre millioner kobbertråde, teknologien den erstattede. Cor-ning er berettiget til at vise sin opfindelse frem: optisk fiberteknologi rangerer som et af det 20. århundredes teknologiske mirakler.

Ærgerligt, at vi konstant har brug for nye mirakler for at holde trit med de glubske netværkskrav, som dette århundrede stiller til disse tynde glasfibre. Fiberoptik er trods alt en præ-webteknologi; og meget af fiberen, der udover telefonsamtaler bærer dagens e-mail-beskeder, musikdownloads og videostreams, blev installeret, før de fleste mennesker overhovedet var klar over disse medier. Det, der før virkede som et skamløst spild af kapacitet, virker nu sørgeligt utilstrækkeligt. Vores appetit på båndbredde vokser med en eksponentiel hastighed, uden tegn på opbremsning. Tracey Vanik, teknisk direktør hos telekommunikationskonsulentfirmaet RHK, sammenligner internettet med Star Treks glubske Borg: Uanset hvilken båndbredde der stilles til rådighed, vil internettet sluge.

Optisk fiber fremstillet af Corning, Lucent Technologies og andre gigantiske telekommunikationsleverandører findes i hele telekommunikationssystemet og forbinder os, når vi gennemser vores yndlingswebsteder eller ringer til Tokyo. Men meget af den banebrydende forskning, der udføres i dag på fiberoptik, går til at forbedre kapaciteten af ​​systemets rygrad: det fedeste af de fede datarør, som pisker data på tværs af kontinenter og forbinder bycentre.

Rygrad er en praktisk metafor, men den giver et for pænt billede. En hvirveldyr har en enkelt rygrad, men det har telekommunikationssystemet ikke; ingen enkelt virksomhed ejer disse højkapacitets kabler mellem byerne, og ingen organisation sikrer, at de er op til udfordringen med at opfylde verdensomspændende båndbreddekrav. I nogle tilfælde vil telekommunikationsselskaber - WorldComs og Sprints og AT&T'er i verden - søge at dække højtrafikerede ruter med deres egne kabler, idet de lægger spaghetti-lignende tråde parallelt med hinanden langs motorveje og jernbaner, der forbinder storbyerne. sløjfer på tværs af kontinenter og oceaner. I andre tilfælde leaser transportører optiske fiberkabler fra andre transportører; nogle luftfartsselskaber beskæftiger sig faktisk udelukkende med at lease backbone-kapacitet.

Alle luftfartsselskaber står dog over for den samme udfordring: hvordan man kan være på forkant med båndbreddeefterspørgselskurven. Forskning hos Corning og andre steder viser, at enhver forbedring af ydeevnen har en pris; at opbygge en bedre rygrad synes at være et spørgsmål om at vælge de helt rigtige afvejninger.

Styrker optikken

Den enkleste løsning til at afstive rygraden er simpelthen at lægge mere kabel. Men det er også det dyreste alternativ: Hele 40 procent af omkostningerne ved et fiberoptisk system går til at købe vigerettigheder, få tilladelser og sætte kabel i jorden. (Det er en gammel joke i teleselskaber, at de gerne ville opgive nye teknologier, hvis nogen bare ville vise dem, hvordan man graver en billigere grøft.)

To andre måder at øge kapaciteten på undgår at grave op i gaderne, i stedet for at stole på avanceret udstyr installeret på telefonkontorerne, hvor de fiberoptiske tråde ender. Ingeniører kan udvikle metoder til at øge antallet af informationskanaler, hver fiberoptisk streng kan bære. Eller de kan udvikle måder at få data til at rejse hurtigere langs hver kanal.

Begge tilgange undgår de enorme omkostninger ved at installere nye linjer. Men hver strategi er vanskelig, da forbedringer på ét område ofte giver problemer på et andet. Der er en stærk afvejning mellem afstand og kapacitet, siger Roe Hemenway, leder af netværksudstyrsforskning hos Corning. Jo længere du kommer, jo lavere kapacitet. Vi bliver bedt om at sætte mere kapacitet på fiberen, gå længere distancer og gøre det med endnu højere kvalitet.

Hemenway arbejder i laboratoriet på Cornings Sullivan Park Research and Development Facility i upstate New York, hvor hylder rummer rækker af metalkasser, hver en laser, der genererer en infrarød stråle. Strålerne løber gennem modulatorer og multipleksere, forstærkere og filtre og rejser den samme sløjfe af fiberoptisk kabel igen og igen for at simulere afstand, meget som en digital racerbil på informations-supermotorvejsversionen af ​​en testbane. For enden af ​​systemet viser en computerskærm antallet af fejl produceret under løbeturen, og et oscilloskop viser grafisk, om signalet kom skarpt eller sløret ud.

Opsætningen giver Corning-ingeniører mulighed for at teste, hvordan hver komponent påvirker signaltransmission, og hvad en ændring i én gør ved systemet som helhed. Denne tilgang er afgørende for fiberoptisk design, fordi uanset hvilken løsning der udvikler sig for at gøre fiberoptik mere effektiv, vil den sandsynligvis omfatte en række teknologier, som hver især kan påvirke de andre.

I de sidste seks år er transmissionshastighederne i laboratorierne for den hurtigste fiberoptik firedoblet, og der forventes endnu en firedobling i år. Det mest presserende spørgsmål er, om den nuværende forbedringsrate kan opretholdes, givet alle afvejninger. Jeg kunne give dig et macho svar på, at vi vil fortsætte med at forbedre fiber, men helt ærligt, så ved jeg det ikke, siger Joseph Antos, teknologidirektør for fiberudvikling i Corning. Hver ny opfindelse [for at øge kapaciteten] bliver sværere og sværere.

Flere kanaler pr. fiber

Data bevæger sig langs optisk fiber gennem en række lysimpulser fra en laser, hvor offs og ons svarer til enerne og nullerne for digital kodning. Fiberoptiske systemer bruger det lysspektrum, der bevæger sig mest effektivt gennem glasset, bølgelængder mellem omkring 1.300 og 1.600 nanometer. Uden for disse bølgelængder har lys tendens til enten at blive absorberet og tabt eller strakt for langt til at give et brugbart signal. Og af det tilgængelige spektrum foregår det meste af transmissionen i det, der kaldes det centrale bånd, mellem 1.530 og 1.565 nanometer.

Ved at bryde signalet i forskellige bølgelængder, da et prisme adskiller farverne, der udgør hvidt lys, kan ingeniører sende mere end én strøm af lys langs en fiber på samme tid. Tidlige implementeringer opdelte lyset i fire eller otte separate kanaler, hvor hver fiber bærer omkring 10 gigabit-10 milliarder bits-per sekund. I dag kan nogle systemer bære 80 kanaler i det centrale bånd og er i stand til at skubbe mere end en halv billion bits i sekundet ned ad en enkelt fiber.

Men der er en grænse for, hvor mange kanaler der kan presses ind i det centrale bånd. Som tæt placerede stationer på din bilradio forårsager kanaler, der kommer for tæt på, forstyrrelser. I radioen lytter du måske til Alt taget i betragtning og pludselig får Backstreet Boys-eller statisk. Det samme sker med optiske signaler. For at reducere interferens kræver de nuværende state-of-the-art systemer en bufferzone på omkring 50 gigahertz (et mål for frekvensen på en milliard cyklusser pr. sekund) mellem kanalerne.

Som et resultat af disse begrænsninger er det centrale bånd nu stort set fuldt, og ingeniører søger at tilføje kanaler ved at flytte ud af den centrale del af spektret og ind i nyt territorium.

Breaking New Ground

For at gøre nye dele af spektret uden for det centrale bånd anvendelige, skal forskere udvikle nye versioner af enheder, der hjælper med at skubbe signaler langs optiske fibre. Tag forstærkerne, der hjælper med at booste signaler, som taber energi, når de hopper frem og tilbage mellem væggene i kernedelen af ​​fiberen. For at pumpe dem op igen, kan ingeniører bruge enheder kendt som erbium-dopet-fiberforstærkere. Disse er i det væsentlige løkker af fiber snøret med det sjældne jordarters element erbium. En laser exciterer erbium-atomerne, som overfører deres energi til det optiske signal, der passerer gennem forstærkeren, hvilket øger den afstand, den kan rejse. Uden forstærkning ville højhastighedssignaler ikke rejse langt nok til at være nyttige.

Den seneste udvikling gør det muligt for disse forstærkere at arbejde i det længere bølgelængdeområde på 1.570 til 1.625 nanometer, hvilket tilføjer en ny del af spektrum, hvorfra der kan udskilles yderligere datakanaler. Lucent Technologies har for eksempel udgivet et system, der klemmer 80 kanaler ind i det centrale bånd og udnytter erbium-forstærkere til at tilføje yderligere 80 kanaler i langbølgelængdeområdet, hvilket fordobler kapaciteten af ​​hver fiber.

Hver gang et signal løber gennem en erbiumforstærker, opfanger det dog støjelementer, der ikke var en del af det originale signal. Over langdistance backbones, hvor et signal skal boostes mange gange, skal fiberoptiske systemer spændes med regeneratorer, enheder, der rekonstruerer signaler, der har rejst gennem så mange forstærkere, at de er blevet forringet. Regeneratorer tager et lyssignal, konverterer det til et elektrisk signal og producerer derefter en ny lysstråle.

En ny teknik kaldet Raman-forstærkning ( se Fem patenter at se: Booster Shots , TR maj 2001 ) vil tillade et signal at blive forstærket uden at indføre støj, der fjerner behovet for regeneratorer og potentielt skabe en ny måde for ingeniører at øge kapaciteten. I modsætning til erbium-forstærkere, som kun virker ved bestemte bølgelængder, har Raman-forstærkning løftet om at gøre endnu flere nye kanaler tilgængelige. Et nyt firma, Xtera, fra Allen, TX, håber at drage fordel af Raman-forstærkning for at muliggøre langdistancetransmission af kortere bølgelængder af lys, end de nuværende optiske netværk kan understøtte. Det er en slags ny drejning på at bruge Raman-teknikker, siger Joe Oravetz, Xteras produktchef, som afslørede virksomhedens første nye produkt på optisk fiberkommunikationskonference og udstilling i marts i Anaheim, Californien.

Men at bruge det kortere bølgelængdebånd er en decideret langsigtet strategi, da det vil kræve installation af nyt udstyr på hvert punkt i netværket. Når man går ind i et nyt band, skal man udskifte alle komponenterne, siger Vladimir Kozlov, analytiker hos RHK. Du har brug for nye kilder. Du skal bruge nye forstærkere. Det kan være meget dyrt.

Fremskynde bits

Et alternativ til at tilføje kanaler er at få datastrømmen i hver kanal til at flyde hurtigere. Ligesom modemmerne i folks hjem er blevet hurtigere, har sendere i rygraden øget deres evne til at pumpe data, fra 100 millioner bits i sekundet for ti år siden til avancerede 10 milliarder bits (10 gigabits) i sekundet i dag.

Mens AT&T udsendte en pressemeddelelse, der annoncerede den første 10-gigabit-per-sekund kyst-til-kyst internetprotokol backbone i januar, er det allerede gamle nyheder: 40-gigabit-per-sekund-systemer er allerede blevet annonceret af Lucent Technologies, Fujitsu og NEC til salg senere i år. De ingeniørmæssige bedrifter, der er involveret i fremskridt som disse, er enorme: at øge den datahastighed, der kræves af ingeniører til at designe lasere, der pålideligt kan blinke til og fra 40 milliarder gange i sekundet, og modtagere, der kan vælge et blink fra det næste, når de kommer. i den overvældende hastighed.

Men navnet på spillet i rygraden forbliver afvejninger, og fremskyndelse af transmissionshastigheder forårsager nye komplikationer: at sætte flere bits i sekundet i en fiber kræver mere strøm, og ved højere kræfter øges interferensen mellem kanalerne. Også ved disse bemærkelsesværdige hastigheder begynder små fejl i selve glasset at forstyrre datastrømmen.

Ingeniører, der går efter hastighed, skal kompensere for sådanne effekter ved at øge bufferzonen for ubrugt spektrum mellem kanaler: en linjehastighed på 40 gigabit pr. sekund kan for eksempel kræve buffere på 100 gigahertz mellem kanalerne i stedet for 50 gigahertz. Matematikken er stadig gunstig: fibrene vil levere halvdelen af ​​kanalerne ved fire gange hastigheden, hvilket fordobler kapaciteten.

Indsatsen, der er involveret i at forbedre transmissionshastighederne i rygraden, er dog så stor, at der for hver forhindring er teams af ingeniører, der arbejder på at overvinde den. Forskere ved NEC America's Public Networks Group arbejder på en måde at presse kanaler sammen, selv ved høje hastigheder, ved at udnytte det faktum, at lys er polariseret. Forestil dig at flytte et hoppereb hurtigt op og ned for at lave bølger, som bevæger sig op mod loftet og ned mod gulvet. Sådanne bølger ville være lodret polariserede. Begynd nu at flytte hopperebet fra side til side, så bølgerne bevæger sig mod væggene. Dit hoppereb er blevet vandret polariseret. NEC-tilgangen opdeler en lysstråle i 160 kanaler, hver med 50 gigahertz fra hinanden, og giver nabokanaler forskellige polariseringer. To kanaler med samme polarisering er således stadig 100 gigahertz fra hinanden. Mens kanaler ved siden af ​​hinanden sandsynligvis vil forstyrre hinanden, når de har den samme polarisering, er kanaler med forskellige polariseringer det ikke. En sådan tilgang vil øge den samlede kapacitet pr. fiber til 6,4 billioner bit (6,4 terabit) pr. sekund og forventes at være tilgængelig om to til tre år.

Og forbedringer fortsætter i laboratorier verden over. I marts annoncerede forskere fra det franske firma Alcatel, som udvikler fiber og komponenter til både landbaserede og undersøiske optiske systemer, at de havde udviklet et system, der når 10,2 terabit pr. Også i marts annoncerede forskere ved NEC et eksperiment, hvor de justerede forstærkere for at få adgang til et bredere bølgelængdebånd, hvilket øgede transmissionshastighederne til 10,9 terabit per sekund.

Eller grave en rende

Alle disse teknologiske udviklinger står naturligvis over for denne udfordring: hvordan man kan fortsætte med at forbedre ydeevnen i forhold til linjer, der typisk blev designet, fremstillet og installeret mange år tidligere. De første fiberoptiske linjer i et offentligt netværk blev installeret under Chicagos centrum i 1977. I dag bæres det meste af verdens langdistancetrafik af optiske fiberkabler - mere end 370 millioner kilometer af tingene, alt sammen designet før dagens gennembrud i laboratorierne. Til sidst vil man ikke undgå behovet for at grave en ny rende.

Når først beslutningen om at lægge ny fiber er truffet, opstår der dog nye muligheder for at øge kapaciteten. Selve fibertrådene har udviklet sig til at klare stadig større kapaciteter. I dag er state-of-the-art ikke-nul-dispersion fiber, opfundet af Lucent Technologies og solgt af både Lucent og Corning. Denne version af fiber udvider det område, et signal bevæger sig igennem, hvilket giver det mere plads til at sprede sig og reducerer overlapning. Hvis du har et vandrør, og du vil lægge mere vand ned i det, er en af ​​måderne at gøre det på at udvide rørets område, og det er i bund og grund, hvad [denne teknologi] gør, siger Cornings Antos.

Næste generation af optikteknologi kan slippe af med glasset helt. Flere forskergrupper arbejder på at bygge en fiber ud af nye materialer kendt som fotoniske bånd-gap-krystaller ( se Den næste generation af optiske fibre , TR maj 2001 ). Sådanne krystaller har en atomstruktur, der gør det fysisk umuligt for lys at passere igennem eller blive absorberet, så lys, der rammer indersiden af ​​en fiber, ville hoppe tilbage ind i kernen. Doug Allen, en forskningsmedarbejder hos Corning, der arbejder på at udvikle et sådant materiale, foreslår, at kernen kunne fyldes med luft eller måske en inert gas. Ved at eliminere glas og dets forvrængende effekter, siger han, kan du sende flere bølgelængder uden at bekymre dig om, at de forstyrrer hinanden.

Alle disse nye udviklinger har ført forskning i laboratoriet langt ud over, hvad der i øjeblikket er tilgængeligt i jorden. Hvis rygraden kun var udstyret med udviklinger, der demonstreres i laboratorier lige nu, og som er i stand til at bære 160 kanaler over hver streng, med 40 gigabit pr. sekund - kunne den båndbredde, vi i øjeblikket bruger på en måned, overføres over vores netværk på mindre end et sekund. Det er, når vidtstrakte ideer begynder at blive virkelige, fra holografiske 3-D-videokonferencer, der efterligner det virkelige liv, til langdistancekirurgi, til øjeblikkelig adgang til bøger, der er gemt på ethvert bibliotek i verden.

Hvad der dog mangler at blive løst, er økonomien i et sådant netværk: Hvornår vil det være omkostningseffektivt at sætte disse udviklinger på plads? I noget så stort som det offentlige kommunikationsnetværk tager selv små opgraderinger årtier at blive implementeret universelt. Theodore Vail, første præsident for AT&T, lykkedes kun med at opbygge verdens første avancerede offentlige netværk ved at få Kongressen til at erklære hans virksomhed for et naturligt monopol. Det kommer ikke til at ske denne gang.

Raj Reddy, professor i datalogi ved Carnegie Mellon University og direktør for High Speed ​​Connectivity Consortium, et program finansieret af det amerikanske forsvarsministerium, er ikke desto mindre optimistisk over, at et netværk med meget høj båndbredde er uundgåeligt - at vi en dag vil have altid tændt, alt hvad du kan spise båndbredde, lige så let tilgængeligt som telefonsystemet er i dag. Det kommer helt sikkert til at ske om 30 år, siger han. [Men] hvad skal vi gøre, og hvad skal vi bruge for at gøre det om fem?

Og det, på trods af legioner af fiberoptiske ingeniører, dedikeret til at opdage de teknologiske mirakler, der vil drive vores næste generations netværk, er det spørgsmål, der venter på at blive besvaret. Men i betragtning af det bemærkelsesværdige spektrum af banebrydende arbejde, der udføres på rygraden, er det utvivlsomt der, at kapaciteten vil fortsætte med at stige med den hurtigste hastighed.

skjule