Glasvezelkabels vormen de ruggengraat van moderne communicatie en voeren data- en telefoongesprekken door landen en onder oceanen. Maar een steeds groter wordende vraag naar gegevens - van streaming films tot internetzoekopdrachten - zet dat netwerk onder druk, omdat er grenzen zijn aan hoeveel gegevens door de kabels kunnen worden gepusht voordat het signaal verslechtert, en nieuwe kabels zijn duur om te bouwen.
gerelateerde inhoud
- Onderzoekers hebben eindelijk ontdekt hoe ze kunnen voorkomen dat lithiumbatterijen spontaan worden verbrand
- De FCC is net gestemd om de netneutraliteit te behouden
Nu kan een team van de Universiteit van Californië, San Diego, een oplossing hebben door een techniek te lenen die in andere velden wordt gebruikt als meetinstrument: de frequentiekam. Met deze op laser gebaseerde apparaten kon het team vervormingen verwijderen die meestal zouden optreden voordat het signaal het einde van een kabel had bereikt. De onderzoekers stuurden gegevens verder dan ooit tevoren - 7.456 mijl - zonder het signaal onderweg te moeten versterken.
Als hun experimentele techniek in de echte wereld standhoudt, zouden glasvezelkabels minder dure repeaters nodig hebben om signalen sterk te houden. Bovendien zou een grotere signaalstabiliteit in een gegevensstroom betekenen dat meer kanalen in een enkele transmissie kunnen worden gestopt. Op dit moment is een fundamentele afweging in glasvezel hoe meer gegevens u wilt verzenden, hoe korter de afstand die u kunt verzenden.
Vezeloptische signalen zijn eenvoudig gecodeerd licht, hetzij gegenereerd door een laser of een LED. Dit licht reist langs dunne glazen kabels en reflecteert op hun binnenoppervlakken totdat het aan de andere kant uitkomt. Net als radio-uitzendingen heeft een laserstraal een bepaalde bandbreedte of een bereik van frequenties dat hij bedekt, en een typische streng glasvezelkabel kan meer dan één bandbreedtekanaal dragen.
Maar de signalen kunnen niet voor altijd reizen en nog steeds worden gedecodeerd vanwege zogenaamde niet-lineaire effecten, met name het Kerr-effect. Om glasvezel te laten werken, moet het licht in de vezel tijdens het reizen een bepaalde hoeveelheid breken of buigen. Maar elektrische velden zullen veranderen hoeveel glas licht buigt en licht zelf genereert een klein elektrisch veld. De verandering in breking betekent dat er kleine veranderingen zijn in de golflengte van het verzonden signaal. Bovendien zijn er kleine onregelmatigheden in het glas van de vezel, wat geen absoluut perfecte reflector is.
De kleine golflengteveranderingen, jitter genoemd, tellen op en veroorzaken overspraak tussen de kanalen. De jitter lijkt willekeurig omdat een vezeloptische transmissie tientallen kanalen vervoert en het effect op elk kanaal een beetje anders is. Omdat het Kerr-effect wiskundig niet-lineair is, kunt u het, als er meer dan één kanaal is, niet zomaar aftrekken - de berekening is veel complexer en bijna onmogelijk voor de huidige apparatuur voor signaalverwerking. Dat maakt de kriebels moeilijk te voorspellen en te corrigeren.
"We realiseerden ons dat de fuzziness, hoe klein ook, ervoor zorgt dat het geheel lijkt alsof het niet deterministisch is", zegt Nikola Alic, een onderzoekswetenschapper van het Qualcomm Institute van UCSD en een van de leiders van het experimentele werk.
In de huidige glasvezelopstelling moeten kanaalfrequenties ver genoeg uit elkaar liggen zodat jitter en andere ruiseffecten ze niet overlappen. Omdat de jitter toeneemt met de afstand, versterkt het toevoegen van meer vermogen aan het signaal alleen de ruis. De enige manier om ermee om te gaan, is kostbare apparaten, repeaters genoemd, op de kabel zetten om het signaal te regenereren en de ruis op te ruimen - een typische transatlantische kabel heeft repeaters om de 600 mijl of zo geïnstalleerd, zei Alic, en je hebt er voor elk kanaal een nodig .
De UCSD-onderzoekers vroegen zich af of ze een manier konden vinden om jitter minder willekeurig te laten lijken. Als ze precies wisten hoeveel de golflengte van het licht in elk kanaal zou veranderen, konden ze dit compenseren wanneer het signaal een ontvanger kreeg. Dat is waar de frequentiekam binnenkwam. Alic zegt dat het idee bij hem opkwam na jarenlang met licht in verwante velden te hebben gewerkt. "Het was een soort moment van duidelijkheid", zegt hij. Een frequentiekam is een apparaat dat laserlicht genereert op veel zeer specifieke golflengten. De output ziet eruit als een kam, met elke "tand" op een gegeven frequentie en elke frequentie een exact veelvoud van de aangrenzende. De kammen worden gebruikt bij het bouwen van atoomklokken, in de astronomie en zelfs bij medisch onderzoek.
Alic en zijn collega's besloten te achterhalen wat er zou gebeuren als ze een frequentiekam gebruikten om de uitgaande optische vezelsignalen te kalibreren. Hij vergelijkt het met een dirigent die een orkest stemt. "Denk aan de dirigent die een stemvork gebruikt om iedereen te vertellen wat de middelste A is", zegt hij. Het team bouwde vereenvoudigde glasvezelsystemen met drie en vijf kanalen. Toen ze de kam gebruikten om de uitgaande signaalgolflengtes te kalibreren, vonden ze nog steeds jitter, maar deze keer jitterden alle kanalen op dezelfde manier. Door die regelmaat kon het signaal worden gedecodeerd en verzonden op een recordafstand zonder repeaters. "Het maakt het proces bepalend", zegt Alic, wiens team deze week de resultaten rapporteert in Science .
Sethumadhavan Chandrasekhar, voornaam lid van de technische staf van het wereldwijde telecombedrijf Alcatel-Lucent, is een van de vele wetenschappers die al een aantal jaren aan het probleem van de optische vezeljitter werken. Zijn gepubliceerde werk omvat het overbrengen van fase-geconjugeerde signalen - twee signalen die precies 180 graden uit fase met elkaar zijn. Deze instelling betekent dat alle niet-lineaire effecten die ruis veroorzaken, worden opgeheven.
Het UCSD-werk is belangrijk, maar het is nog geen complete oplossing, zegt Chandrasekhar. "Wat ontbreekt is dat de meeste systemen nu dubbele polarisatie hebben", zegt hij, wat betekent dat de systemen de capaciteit vergroten door lichtsignalen te verzenden die anders gepolariseerd zijn. "De meeste systemen verzenden tegenwoordig informatie in de twee polarisatietoestanden van licht, en het UCSD-team moet aantonen dat hun techniek ook werkt onder een dergelijk transmissiescenario, " zegt hij.
Alic zegt dat de volgende reeks experimenten van het team dat probleem zal aanpakken. Tot nu toe denken ze dat deze techniek kan worden aangepast voor real-world gebruik, hoewel hiervoor nieuwe hardware moet worden gebouwd en geïmplementeerd, wat tijd kost. Hoe dan ook, het vergroten van het bereik van signalen zal een veel agressievere opbouw mogelijk maken, wat meer gegevens en meer afstand oplevert zonder zorgen over signaalverlies. "Er is geen reden meer om bang te zijn", zegt hij.
