Τα καλώδια οπτικών ινών αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των σύγχρονων επικοινωνιών, μεταφέροντας δεδομένα και τηλεφωνήματα σε χώρες και κάτω από τους ωκεανούς. Αλλά μια συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση δεδομένων - από τη ροή ταινιών σε αναζητήσεις στο Διαδίκτυο - ασκεί πίεση στο δίκτυο αυτό, επειδή υπάρχουν όρια για το πόσα δεδομένα μπορούν να ωθηθούν μέσω των καλωδίων προτού το σήμα υποβαθμιστεί και νέα καλώδια είναι δαπανηρά για την κατασκευή.
σχετικό περιεχόμενο
- Οι ερευνητές έχουν τελικά καταλάβει πώς να σταματήσουν οι μπαταρίες λιθίου από την αυθόρμητη καύση
- Το FCC μόλις ψήφηκε για να διατηρήσει την καθαρή ουδετερότητα
Τώρα μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Σαν Ντιέγκο μπορεί να έχει μια λύση, δανείζοντας μια τεχνική που χρησιμοποιείται σε άλλους τομείς ως εργαλείο μέτρησης: τη χτένα συχνότητας. Αυτές οι συσκευές που βασίζονται σε λέιζερ επέτρεψαν στην ομάδα να αφαιρέσει τις στρεβλώσεις που συνήθως θα εμφανιστούν πριν το σήμα φτάσει στο τέλος ενός καλωδίου. Οι ερευνητές έστειλαν δεδομένα περισσότερο από ποτέ - 7, 456 μίλια - χωρίς να χρειάζεται να ενισχύσουν το σήμα κατά μήκος του δρόμου.
Εάν η πειραματική τεχνική τους συγκρατεί στον πραγματικό κόσμο, τα καλώδια οπτικών ινών θα χρειάζονταν λιγότερους ακριβάς αναμεταδότες για να κρατούν τα σήματα ισχυρά. Επιπλέον, μεγαλύτερη σταθερότητα σήματος μέσα σε μια ροή δεδομένων θα σήμαινε ότι περισσότεροι δίαυλοι θα μπορούσαν να γεμιστούν σε μία μόνο μετάδοση. Αυτή τη στιγμή, ένα θεμελιώδες εμπόδιο στις οπτικές ίνες είναι τα περισσότερα δεδομένα που θέλετε να μεταδώσετε, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση που μπορείτε να την στείλετε.
Τα οπτικά σήματα οπτικών ινών είναι απλά κωδικοποιημένα φως, είτε παράγονται από ένα λέιζερ είτε από ένα LED. Αυτό το φως ταξιδεύει κάτω από λεπτά γυάλινα καλώδια, αντανακλώντας τις εσωτερικές τους επιφάνειες μέχρι να βγει από το άλλο άκρο. Ακριβώς όπως οι ραδιοφωνικές εκπομπές, μια ακτίνα λέιζερ θα έχει ένα συγκεκριμένο εύρος ζώνης ή ένα φάσμα συχνοτήτων, καλύπτει και ένα τυπικό σκέλος καλωδίου οπτικών ινών μπορεί να μεταφέρει περισσότερα από ένα κανάλι εύρους ζώνης.
Αλλά τα σήματα δεν μπορούν να ταξιδεύουν για πάντα και ακόμα να αποκωδικοποιούνται λόγω των αποκαλούμενων μη γραμμικών επιδράσεων, συγκεκριμένα του αποτελέσματος Kerr. Για να λειτουργούν οι οπτικές ίνες, το φως μέσα στην ίνα πρέπει να διαθλάσει ή να κάμψει ένα συγκεκριμένο ποσό καθώς ταξιδεύει. Αλλά τα ηλεκτρικά πεδία θα αλλάξουν πόσο γυαλί κάμπτει το φως, και το ίδιο το φως παράγει ένα μικρό ηλεκτρικό πεδίο. Η αλλαγή στη διάθλαση σημαίνει ότι υπάρχουν μικρές μεταβολές στο μήκος κύματος του μεταδιδόμενου σήματος. Επιπλέον, υπάρχουν μικρές ανωμαλίες στο γυαλί της ίνας, που δεν είναι απολύτως τέλειο ανακλαστήρα.
Οι μικρές αλλαγές μήκους κύματος, που ονομάζονται jitter, προστίθενται και προκαλούν διασταυρούμενη συζήτηση μεταξύ των καναλιών. Το jitter εμφανίζεται τυχαία επειδή μια μετάδοση οπτικών ινών μεταφέρει δεκάδες κανάλια και το αποτέλεσμα σε κάθε κανάλι είναι λίγο διαφορετικό. Δεδομένου ότι το αποτέλεσμα του Kerr είναι μη γραμμικό, από μαθηματική άποψη, αν υπάρχουν περισσότερα από ένα κανάλια, δεν μπορείτε απλά να το αφαιρέσετε - ο υπολογισμός είναι πολύ πιο πολύπλοκος και σχεδόν αδύνατος για τον σημερινό εξοπλισμό επεξεργασίας σημάτων. Αυτό κάνει τα jitters δύσκολο να προβλεφθούν και να διορθωθούν.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι η ασάφεια, τόσο μικρή, προκαλεί την εμφάνιση ολόκληρου του αντικειμένου σαν να μην είναι ντετερμινιστικό», λέει ο Nikola Alic, ερευνητής του Ινστιτούτου Qualcomm στο UCSD και ένας από τους ηγέτες του πειραματικού έργου.
Στην τρέχουσα εγκατάσταση οπτικών ινών, οι συχνότητες των καναλιών πρέπει να είναι αρκετά μακριά, ώστε το jitter και τα άλλα φαινόμενα θορύβου να μην τις επικαλύπτουν. Επίσης, επειδή το jitter αυξάνεται με την απόσταση, η προσθήκη περισσότερης ισχύος στο σήμα ενισχύει μόνο το θόρυβο. Ο μόνος τρόπος για να το αντιμετωπίσετε είναι να τοποθετήσετε δαπανηρές συσκευές που καλούνται αναμεταδότες στο καλώδιο για να αναδημιουργήσετε το σήμα και να καθαρίσετε το θόρυβο - ένα τυπικό υπερατλαντικό καλώδιο έχει τοποθετήσει επαναλήπτες κάθε 600 μίλια περίπου, δήλωσε ο Alic και χρειάζεστε ένα για κάθε κανάλι .
Οι ερευνητές του UCSD αναρωτήθηκαν αν μπορούσαν να βρουν έναν τρόπο να κάνουν το jitter να φαίνεται λιγότερο τυχαίο. Εάν ήξεραν ακριβώς πόσο θα άλλαζε το μήκος κύματος του φωτός σε κάθε κανάλι, τότε θα μπορούσαν να το αντισταθμίσουν όταν το σήμα πήρε σε ένα δέκτη. Εκεί έφτασε η χτένα συχνότητας. Ο Alic λέει ότι η ιδέα ήρθε σε τον μετά από χρόνια εργασίας σε σχετικά πεδία με το φως. «Ήταν μια στιγμή της σαφήνειας», λέει. Μια χτένα συχνότητας είναι μια συσκευή που παράγει φως λέιζερ σε μέρη πολύ συγκεκριμένων μηκών κύματος. Η έξοδος μοιάζει με χτένα, με κάθε "δόντι" σε δεδομένη συχνότητα και κάθε συχνότητα ακριβές πολλαπλάσιο των παρακείμενων. Οι χτένες χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ατομικών ρολογιών, στην αστρονομία και ακόμη και στην ιατρική έρευνα.
Ο Alic και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να μάθουν τι θα συνέβαινε εάν χρησιμοποιούσαν μια χτένα συχνότητας για να βαθμονομήσουν τα εξερχόμενα σήματα οπτικών ινών. Το μοιάζει με έναν αγωγό που συντονίζει μια ορχήστρα. "Σκεφτείτε τον αγωγό χρησιμοποιώντας ένα πιρούνι συντονισμού για να πει σε όλους τι είναι η μέση Α", λέει. Η ομάδα δημιούργησε απλοποιημένα συστήματα οπτικών ινών με τρία και πέντε κανάλια. Όταν χρησιμοποίησαν τη χτένα για να βαθμονομήσουν τα μήκη κύματος εξερχόμενου σήματος, βρήκαν ακόμα jitter, αλλά αυτή τη φορά, όλα τα κανάλια ήταν jittering με τον ίδιο τρόπο. Αυτή η κανονικότητα επέτρεψε την αποκωδικοποίηση του σήματος και την αποστολή σε απόσταση ρεκόρ χωρίς επαναλήπτες. "Κάνει τη διαδικασία ντετερμινιστική", λέει ο Alic, η ομάδα του οποίου αναφέρει τα αποτελέσματα αυτής της εβδομάδας στην επιστήμη .
Ο Sethumadhavan Chandrasekhar, διακεκριμένος μέλος του τεχνικού προσωπικού της παγκόσμιας τηλεπικοινωνιακής εταιρείας Alcatel-Lucent, είναι ένας από τους πολλούς επιστήμονες που εργάζονται εδώ και πολλά χρόνια στο πρόβλημα της οπτικής ίνας. Η δημοσιευμένη εργασία του περιλαμβάνει τη μετάδοση σημάτων συζευγμένων φάσεων - δύο σήματα που είναι ακριβώς 180 μοίρες εκτός φάσης μεταξύ τους. Αυτή η ρύθμιση σημαίνει ότι οποιαδήποτε από τις μη γραμμικές επιπτώσεις που προκαλούν θόρυβο θα ακυρωθεί.
Η δουλειά του UCSD είναι σημαντική, αλλά δεν είναι ακόμα μια ολοκληρωμένη λύση, λέει ο Chandrasekhar. "Αυτό που λείπει είναι ότι τα περισσότερα συστήματα έχουν τώρα διπλή πόλωση", λέει, πράγμα που σημαίνει ότι τα συστήματα αυξάνουν την χωρητικότητα στέλνοντας φωτεινά σήματα τα οποία είναι διαφορετικά πολωμένα. "Τα περισσότερα συστήματα μεταδίδουν σήμερα πληροφορίες στις δύο καταστάσεις φωτός της πόλωσης και η ομάδα του UCSD πρέπει να αποδείξει ότι η τεχνική τους λειτουργεί και σε ένα τέτοιο σενάριο μετάδοσης", λέει.
Ο Alic λέει ότι η επόμενη ομάδα πειραμάτων της ομάδας θα αντιμετωπίσει αυτό το πολύ θέμα. Μέχρι στιγμής, θεωρούν ότι αυτή η τεχνική μπορεί να προσαρμοστεί στην πραγματική χρήση, αν και θα απαιτήσει την κατασκευή και την ανάπτυξη νέου υλικού, κάτι που θα χρειαστεί χρόνος. Είτε έτσι είτε αλλιώς, η αύξηση της εμβέλειας των σημάτων θα επιτρέψει μια πολύ πιο επιθετική κατασκευή, αποδίδοντας περισσότερα δεδομένα και μεγαλύτερη απόσταση χωρίς ανησυχίες για την απώλεια σήματος. "Δεν υπάρχει λόγος να φοβάστε πια", λέει.
