Kabely z optických vláken tvoří páteř moderní komunikace, přenášející data a telefonní hovory napříč zeměmi a pod oceány. Stále rostoucí poptávka po datech - od streamování filmů po vyhledávání na internetu - však vyvíjí tlak na tuto síť, protože existují omezení, kolik dat lze skrz kabely tlačit před tím, než se signál sníží, a stavět nové kabely je nákladné.
Související obsah
- Vědci konečně přišli na to, jak zastavit lithiové baterie před spontánním spalováním
- FCC právě hlasovala pro zachování neutrality sítě
Tým na kalifornské univerzitě v San Diegu by nyní mohl mít řešení půjčením techniky používané v jiných oborech jako měřicího nástroje: frekvenční hřeben. Tato laserová zařízení umožnila týmu odstranit zkreslení, která by se obvykle objevila před tím, než se signál dostane na konec kabelu. Vědci posílali data dále než kdykoli předtím - 7 456 mil - bez nutnosti zesílení signálu podél cesty.
Pokud by jejich experimentální technika obstála ve skutečném světě, pro udržení silných signálů by kabely s optickými vlákny potřebovaly méně drahých opakovačů. Kromě toho by větší stabilita signálu v datovém proudu znamenala, že by bylo možné do jediného přenosu zaplnit více kanálů. V současné době je zásadním kompromisem v optické optice čím více dat chcete přenášet, tím kratší vzdálenost můžete odeslat.
Signály z optických vláken jsou jednoduše kódované světlo, buď generované laserem nebo LED. Toto světlo prochází tenkými skleněnými kabely a odráží jejich vnitřní povrchy, až vyjde na druhý konec. Stejně jako rozhlasové vysílání bude mít laserový paprsek určitou šířku pásma nebo rozsah kmitočtů, které pokrývá, a typický pramen optického kabelu může nést více než jeden kanál šířky pásma.
Signály však nemohou cestovat navždy a stále je možné je dekódovat kvůli takzvaným nelineárním efektům, konkrétně Kerrovmu efektu. Aby vláknová optika fungovala, musí se světlo uvnitř vlákna lomit, nebo ohýbat, určité množství, jak se pohybuje. Elektrická pole však změní to, kolik skla ohýbá světlo, a samotné světlo vytváří malé elektrické pole. Změna lomu znamená, že dochází k malým změnám vlnové délky vysílaného signálu. Kromě toho jsou ve skle vlákna malé nepravidelnosti, což není absolutně dokonalý reflektor.
Malé vlnové délky se mění, nazývané jitter, sčítají se a způsobují křížovou komunikaci mezi kanály. Jitter se zdá náhodný, protože přenos z optických vláken přenáší desítky kanálů a účinek na každý kanál je trochu jiný. Protože Kerrov efekt je nelineární, matematicky vzato, pokud existuje více než jeden kanál, nemůžete jej pouze odečíst - pro dnešní zařízení na zpracování signálu je výpočet mnohem složitější a téměř nemožný. Díky tomu je nervozita těžko předvídatelná a správná.
„Uvědomili jsme si, že tato moudrost, vždy tak nepatrná, způsobuje, že se celá věc jeví jako by nebyla deterministická, “ říká Nikola Alic, výzkumný pracovník z Qualcomm Institute v UCSD a jeden z vůdců experimentální práce.
V současném nastavení optických vláken musí být kanálové frekvence dostatečně daleko od sebe, aby jitter a další šumové efekty nezpůsobily jejich překrývání. Také proto, že se jitter zvyšuje se vzdáleností, přidání většího výkonu signálu pouze zesiluje šum. Jediným způsobem, jak se s tím vypořádat, je dát na kabel nákladná zařízení zvaná opakovače, aby se regeneroval signál a vyčistil hluk - v typickém transatlantickém kabelu jsou nainstalovány zesilovače každých 600 kilometrů, řekl Alic, a potřebujete jeden pro každý kanál .
Vědci UCSD přemýšleli, zda by mohli najít způsob, jak by chvění vypadalo méně náhodně. Kdyby přesně věděli, jak moc se změní vlnová délka světla v každém kanálu, mohli by to kompenzovat, když se signál dostane do přijímače. To je místo, kde přišel hřeben frekvence. Alic říká, že myšlenka k němu přišla po letech práce v souvisejících oborech se světlem. "Byl to jakýsi okamžik jasnosti, " říká. Frekvenční hřeben je zařízení, které generuje laserové světlo na mnoha velmi specifických vlnových délkách. Výstup vypadá jako hřeben, s každým „zubem“ při dané frekvenci a každou frekvencí přesný násobek sousedních. Hřebeny se používají při stavbě atomových hodin, v astronomii a dokonce i ve lékařském výzkumu.
Alic a jeho kolegové se rozhodli zjistit, co by se stalo, kdyby ke kalibraci odchozích optických signálů používali hřeben frekvence. Přirovnává to k dirigentovi, který naladí orchestr. "Přemýšlejte o dirigentovi pomocí ladičky, abyste každému řekli, co je prostřední A, " říká. Tým vytvořil zjednodušené optické systémy se třemi a pěti kanály. Když použili hřeben ke kalibraci vlnových délek odchozích signálů, stále našli jitter, ale tentokrát všechny kanály jitterly stejným způsobem. Tato pravidelnost umožňovala dekódování a odesílání signálu na rekordní vzdálenost bez opakovačů. "Je to proces deterministický, " říká Alic, jehož tým podává zprávy o výsledcích tento týden ve vědě .
Sethumadhavan Chandrasekhar, významný pracovník technického personálu v globální telekomunikační společnosti Alcatel-Lucent, je jedním z mnoha vědců, kteří již řadu let pracují na problému s chvěním optických vláken. Jeho publikovaná práce zahrnuje přenos fázově konjugovaných signálů - dva signály, které jsou přesně o 180 stupňů mimo fázi. Toto nastavení znamená, že by byly zrušeny všechny nelineární efekty, které způsobují hluk.
Práce UCSD je důležitá, ale zatím to není kompletní řešení, říká Chandrasekhar. „Co chybí je, že většina systémů má nyní duální polarizaci, “ říká, což znamená, že systémy zvyšují kapacitu vysíláním světelných signálů, které jsou polarizovány odlišně. „Většina systémů dnes přenáší informace ve dvou polarizačních stavech světla a tým UCSD musí prokázat, že jejich technika funguje i v takovém scénáři přenosu, “ říká.
Alic říká, že další soubor experimentů týmu se bude touto otázkou zabývat. Doposud si myslí, že tuto techniku lze přizpůsobit pro použití v reálném světě, bude však vyžadovat vybudování a nasazení nového hardwaru, což bude vyžadovat čas. Ať tak či onak, zvýšení dosahu signálů umožní mnohem agresivnější sestavení, poskytnutí více dat a větší vzdálenost bez obav ze ztráty signálu. „Už není důvod se bát, “ říká.
