Fiberoptiske kabler utgjør ryggraden i moderne kommunikasjon, som fører data og telefonsamtaler over land og under hav. Men en stadig voksende etterspørsel etter data - fra streaming av film til internettsøk - legger press på nettverket, fordi det er grenser for hvor mye data som kan skyves gjennom kablene før signalet brytes ned, og nye kabler er dyre å bygge.
Relatert innhold
- Forskere har endelig funnet ut hvordan du kan stoppe litiumbatterier fra å forbrenne spontant
- FCC stemte nettopp for å bevare nettnøytralitet
Nå kan et team ved University of California, San Diego, ha en løsning ved å låne en teknikk som brukes på andre felt som måleverktøy: frekvenskammen. Disse laserbaserte enhetene tillot teamet å fjerne forvrengninger som vanligvis ville vises før signalet kom til enden av en kabel. Forskerne sendte data lenger enn noen gang før - 7456 mil - uten behov for å øke signalet underveis.
Hvis eksperimentell teknikk holder seg i den virkelige verden, ville fiberoptiske kabler trenge færre dyre repeatere for å holde signalene sterke. I tillegg vil større signalstabilitet i en datastrøm bety at flere kanaler kunne stikkes inn i en enkelt overføring. Akkurat nå er en grunnleggende avveining innen fiberoptikk jo mer data du vil overføre, jo kortere avstand kan du sende den.
Fiberoptiske signaler er ganske enkelt kodet lys, enten generert av en laser eller en LED. Dette lyset beveger seg nedover tynne glassledninger og reflekterer de indre overflatene til det kommer ut i den andre enden. Akkurat som radiosendinger, vil en laserstråle ha en viss båndbredde, eller frekvensområde, dekker den, og en typisk tråd med fiberoptisk kabel kan bære mer enn en båndbreddekanal.
Men signalene kan ikke bevege seg for alltid og avkodes fremdeles på grunn av såkalte ikke-lineære effekter, spesielt Kerr-effekten. For at fiberoptikk skal fungere, må lyset inne i fiberen bryte, eller bøye, en viss mengde når den beveger seg. Men elektriske felt vil endre hvor mye glass som bøyer lys, og lys i seg selv genererer et lite elektrisk felt. Endringen i brytning betyr at det er små endringer i bølgelengden til det sendte signalet. I tillegg er det små ujevnheter i glasset til fiberen, som ikke er en helt perfekt reflektor.
De små bølgelengdeforandringene, kalt jitter, legger opp og forårsaker kryss-snakk mellom kanalene. Jitteret virker tilfeldig fordi en fiberoptisk overføring bærer dusinvis av kanaler, og effekten på hver kanal er litt forskjellig. Siden Kerr-effekten er ikke-lineær, matematisk sett, hvis det er mer enn en kanal, kan du ikke bare trekke den fra - beregningen er mye mer kompleks og nesten umulig for dagens signalbehandlingsutstyr. Det gjør jitters vanskelig å forutsi og rette.
"Vi innså at uklarheten, aldri så liten, får hele saken til å virke som om den ikke er deterministisk, " sier Nikola Alic, forskningsforsker fra Qualcomm Institute ved UCSD og en av lederne for det eksperimentelle arbeidet.
I det nåværende fiberoptiske oppsettet må kanalfrekvensene være langt nok fra hverandre til at jitter og andre støyeffekter ikke får dem til å overlappe hverandre. Fordi jitteren øker med avstanden, legger du mer kraft til signalet bare forsterker støyen. Den eneste måten å takle det på er å sette dyre enheter som kalles repeatere på kabelen for å gjenopprette signalet og rydde opp i støyen - en typisk transatlantisk kabel har repeatere installert hver 600 mil eller så, sa Alic, og du trenger en for hver kanal .
UCSD-forskerne lurte på om de kunne finne en måte å få jitter til å se mindre tilfeldige ut. Hvis de visste nøyaktig hvor mye lysets bølgelengde i hver kanal ville endres, kunne de kompensere for det når signalet kom til en mottaker. Det var der frekvenskammen kom inn. Alic sier at ideen kom til ham etter mange års arbeid i beslektede felt med lys. "Det var et øyeblikk av klarhet, " sier han. En frekvenskam er en enhet som genererer laserlys ved mange veldig spesifikke bølgelengder. Utgangen ser ut som en kam, med hver "tann" på en gitt frekvens og hver frekvens et nøyaktig multippel av de tilstøtende. Kammene brukes til å bygge atomur, i astronomi og til og med i medisinsk forskning.
Alic og kollegene bestemte seg for å finne ut hva som ville skje hvis de brukte en frekvenskam for å kalibrere de utgående fiberoptiske signalene. Han likner det med en dirigent som stiller inn et orkester. "Tenk på konduktøren som bruker en tuninggaffel for å fortelle alle hva mellom A er, " sier han. Teamet bygde forenklede fiberoptiske systemer med tre og fem kanaler. Da de brukte kammen for å kalibrere de utgående signalbølgelengdene, fant de fremdeles jitter, men denne gangen pirret alle kanalene på samme måte. Den regelmessigheten gjorde at signalet ble dekodet og sendt på rekordavstand uten repeatere. "Det gjør prosessen deterministisk, " sier Alic, hvis team rapporterer resultatene denne uken i Science .
Sethumadhavan Chandrasekhar, kjent medlem av teknisk stab hos det globale teleselskapet Alcatel-Lucent, er en av mange forskere som har jobbet med fiberoptisk jitterproblematikk i en årrekke. Hans publiserte arbeid involverer overføring av fasekonjugerte signaler - to signaler som er nøyaktig 180 grader ut av fase med hverandre. Dette oppsettet betyr at noen av de ikke-lineære effektene som forårsaker støy, vil bli kansellert.
UCSD-arbeidet er viktig, men det er ikke en komplett løsning ennå, sier Chandrasekhar. "Det som mangler er at de fleste systemer nå har dobbel polarisering, " sier han, noe som betyr at systemene øker kapasiteten ved å sende lyssignaler som er polarisert annerledes. "De fleste systemer i dag overfører informasjon i de to polarisasjonstilstandene, og UCSD-teamet må demonstrere at teknikken deres fungerer like godt under et slikt transmisjonsscenario, " sier han.
Alic sier at teamets neste sett med eksperimenter vil ta opp akkurat dette problemet. Så langt tror de at denne teknikken kan tilpasses for bruk i den virkelige verden, selv om den vil kreve å bygge og distribuere ny maskinvare, som vil ta tid. Uansett vil øke rekkevidden til signaler gi mulighet for en mye mer aggressiv utbygging, og gir mer data og mer avstand uten å bekymre deg for signaltap. "Det er ingen grunn til å være redd lenger, " sier han.
