Bygga en bättre ryggrad

På en gigantisk skärm på Corning Museum of Glass i delstaten New York, visar videobilder av nyheter från ett krig, en invigning, en rymdbild, en spelshow tillsammans med realtidsprojektioner av museumsbesökare som stirrar upp i förundran. Källan till alla dessa bilder? En glassträng, tunnare än ett människohår, men ändå tillräckligt bred för att bära mer information än tre miljoner koppartrådar, tekniken som den ersatte. Cor-ning är berättigad att visa upp sin uppfinning: optisk fiberteknik rankas som ett av 1900-talets tekniska mirakel.

Synd att vi ständigt är i behov av nya mirakel för att hålla jämna steg med de glupska nätverkskrav som detta århundrade ställer på dessa tunna glasfibrer. Fiberoptik är trots allt en pre-webteknologi; och mycket av fibern som bär - förutom telefonsamtal - dagens e-postmeddelanden, musiknedladdningar och videoströmmar installerades innan de flesta människor ens var medvetna om dessa medier. Det som tidigare verkade som ett skamlöst slöseri med kapacitet verkar nu bedrövligt otillräckligt. Vår aptit på bandbredd växer i en exponentiell takt, utan några tecken på att avta. Tracey Vanik, teknisk direktör på telekommunikationskonsultföretaget RHK, jämför Internet med Star Treks glupska Borg: Oavsett vilken bandbredd som görs tillgänglig kommer Internet att svälja.

Optisk fiber tillverkad av Corning, Lucent Technologies och andra gigantiska telekomleverantörer finns i hela telekommunikationssystemet och ansluter oss när vi surfar på våra favoritwebbplatser eller ringer till Tokyo. Men mycket av den spetsforskning som görs idag om fiberoptik går till att förbättra kapaciteten hos systemets ryggrad: det fetaste av de feta datarören, som sprider data över kontinenter och kopplar samman stadscentra.

Backbone är en bekväm metafor - men den ger en för snygg bild. En ryggradsdjursorganism har en enda ryggrad, men det har inte telekomsystemet; inget enskilt företag äger dessa högkapacitetskablar mellan städer, och ingen organisation ser till att de klarar utmaningen att möta världsomspännande bandbreddskrav. I vissa fall kommer telekommunikationsföretagen – WorldComs och Sprints och AT&Ts i världen – att försöka täcka högtrafikerade rutter med sina egna kablar, lägga spagettiliknande strängar parallellt med varandra längs väg- och järnvägsrätter, som förbinder storstadsområden slingor över kontinenter och hav. I andra fall hyr operatörer optiska fiberkablar från andra operatörer; Vissa operatörer sysslar faktiskt enbart med att hyra stamkapacitet.

Alla operatörer ställs dock inför samma utmaning: hur man håller sig före efterfrågekurvan för bandbredd. Forskning på Corning och på andra håll visar att varje förbättring av prestanda har ett pris; att bygga en bättre ryggrad verkar vara en fråga om att välja precis rätt avvägningar.

Förstärker optiken

Den enklaste lösningen för att förstyva stommen är helt enkelt att lägga mer kabel. Men det är också det dyraste alternativet: så mycket som 40 procent av kostnaden för ett fiberoptiskt system går till att köpa vägrätter, få tillstånd och sätta kabel i marken. (Det är ett gammalt skämt i telebolag att de gärna skulle ge upp ny teknik om någon bara skulle visa dem hur man gräver ett billigare dike.)

Två andra sätt att öka kapaciteten undviker att gräva upp gatorna, utan förlitar sig i stället på toppmodern utrustning installerad i telefonkontoren där de fiberoptiska trådarna slutar. Ingenjörer kan utveckla metoder för att öka antalet informationskanaler som varje fiberoptisk tråd kan bära. Eller så kan de utveckla sätt att få data att resa snabbare längs varje kanal.

Båda metoderna undviker de enorma kostnaderna för att installera nya linjer. Men varje strategi är knepig, eftersom att göra förbättringar på ett område ofta orsakar problem på ett annat. Det finns en stark avvägning mellan avstånd och kapacitet, säger Roe Hemenway, chef för nätverksutrustningsforskning på Corning. Ju längre du kommer, desto lägre kapacitet. Vi uppmanas att lägga mer kapacitet på fibern, åka längre sträckor och göra det med ännu högre kvalitet.

Hemenway arbetar i laboratoriet vid Cornings Sullivan Park Research and Development Facility i delstaten New York, där hyllor rymmer rader av metalllådor, var och en en laser som genererar en infraröd stråle. Strålarna går genom modulatorer och multiplexorer, förstärkare och filter och färdas i samma slinga av fiberoptisk kabel om och om igen för att simulera avstånd, ungefär som en digital racerbil på informationsmotorvägsversionen av en testbana. I slutet av systemet visar en datorskärm antalet fel som skapats under körningen, och ett oscilloskop visar grafiskt om signalen kom ut skarpt eller suddigt.

Installationen tillåter Corning-ingenjörer att testa hur varje komponent påverkar signalöverföringen och vad en förändring i en gör med systemet som helhet. Detta tillvägagångssätt är avgörande för fiberoptisk design, eftersom vilken lösning som än utvecklas för att göra fiberoptik mer effektiv kommer sannolikt att inkludera ett antal tekniker, som var och en kan påverka de andra.

Under de senaste sex åren har överföringshastigheterna i labben för den snabbaste fiberoptiken fyrdubblats, och ytterligare en fyrfaldig ökning förväntas i år. Den mest angelägna frågan är om, med tanke på alla avvägningar, den nuvarande förbättringstakten kan bibehållas. Jag skulle kunna ge dig ett macho svar om att vi kommer att fortsätta att förbättra fiber, men helt ärligt så vet jag inte, säger Joseph Antos, teknologichef för fiberutveckling på Corning. Varje ny uppfinning [för att öka kapaciteten] blir svårare och svårare.

Fler kanaler per fiber

Data färdas längs optisk fiber genom en serie ljuspulser från en laser, varvid offs och ons motsvarar ettorna och nollorna för digital kodning. Fiberoptiska system använder det ljusspektrum som färdas mest effektivt genom glaset, våglängder mellan cirka 1 300 och 1 600 nanometer. Utanför dessa våglängder tenderar ljus att antingen absorberas och förloras eller sträckas ut för långt för att skapa en användbar signal. Och av det tillgängliga spektrumet sker den mesta överföringen i det som kallas centralbandet, mellan 1 530 och 1 565 nanometer.

Genom att bryta signalen i olika våglängder, eftersom ett prisma separerar färgerna som utgör vitt ljus, kan ingenjörer skicka mer än en ström av ljus längs en fiber samtidigt. Tidiga implementeringar delade upp ljuset i fyra eller åtta separata kanaler, där varje fiber bär cirka 10 gigabit-10 miljarder bitar per sekund. Idag kan vissa system bära 80 kanaler i det centrala bandet och kan trycka ner mer än en halv biljon bitar per sekund ner i en enda fiber.

Men det finns en gräns för hur många kanaler som kan klämmas in i det centrala bandet. Som tätt placerade stationer på din bilradio orsakar kanaler som kommer för nära störningar. På radion kanske du lyssnar på Med alla saker i åtanke och plötsligt får Backstreet Boys-eller statisk. Samma sak händer med optiska signaler. För att minska störningar kräver nuvarande toppmoderna system en buffertzon på cirka 50 gigahertz (ett frekvensmått på en miljard cykler per sekund) mellan kanalerna.

Som ett resultat av dessa begränsningar är det centrala bandet nu i princip fullt, och ingenjörer letar efter att lägga till kanaler genom att flytta ut från den centrala delen av spektrumet och in på nytt territorium.

Bryter ny mark

För att göra nya delar av spektrumet – utanför det centrala bandet användbara, måste forskare utveckla nya versioner av enheter som hjälper till att driva signaler längs optiska fibrer. Ta förstärkarna som hjälper till att förstärka signalerna, som förlorar energi när de studsar fram och tillbaka mellan väggarna i fiberns kärnsektion. För att pumpa upp dem kan ingenjörer använda enheter som kallas erbiumdopade fiberförstärkare. Dessa är i huvudsak öglor av fiber spetsade med det sällsynta jordartsmetallelementet erbium. En laser exciterar erbiumatomerna, som överför sin energi till den optiska signalen som passerar genom förstärkaren, vilket ökar avståndet den kan färdas. Utan förstärkning skulle höghastighetssignaler inte färdas tillräckligt långt för att vara användbara.

Den senaste utvecklingen gör det möjligt för dessa förstärkare att arbeta i den längre våglängdsregionen på 1 570 till 1 625 nanometer, vilket lägger till en ny bit spektrum för att skapa ytterligare datakanaler. Lucent Technologies, till exempel, har släppt ett system som klämmer in 80 kanaler i det centrala bandet och utnyttjar erbiumförstärkare för att lägga till ytterligare 80 kanaler i långvågsområdet, vilket fördubblar kapaciteten för varje fiber.

Varje gång en signal går genom en erbiumförstärkare, plockar den dock upp bruselement som inte var en del av den ursprungliga signalen. Över långväga stamnät där en signal behöver förstärkas många gånger, måste fiberoptiska system spännas med regeneratorer, enheter som rekonstruerar signaler som har färdats genom så många förstärkare att de har försämrats. Regeneratorer tar en ljussignal, omvandlar den till en elektrisk signal och producerar sedan en ny ljusstråle.

En ny teknik som kallas Raman-förstärkning ( ser Fem patent att titta på: Booster Shots , TR maj 2001 ) kommer att tillåta en signal att förstärkas utan att introducera brus som eliminerar behovet av regeneratorer och potentiellt skapa ett nytt sätt för ingenjörer att öka kapaciteten. Till skillnad från erbiumförstärkare, som bara fungerar vid vissa våglängder, har Ramanförstärkning löftet att göra ännu fler nya kanaler tillgängliga. Ett nytt företag, Xtera, i Allen, TX, hoppas kunna dra fördel av Raman-förstärkningen för att möjliggöra långdistansöverföring av kortare våglängder av ljus än vad nuvarande optiska nätverk kan stödja. Det är en slags ny vändning på att använda Raman-tekniker, säger Joe Oravetz, Xteras produktchef, som presenterade företagets första nya produkt vid kommunikationskonferensen och utställningen för optisk fiber i mars i Anaheim, Kalifornien.

Men att använda det kortare våglängdsbandet är en avgjort långsiktig strategi, eftersom det kommer att kräva installation av ny utrustning vid varje punkt i nätverket. Går man in i ett nytt band måste man byta ut alla komponenter, säger Vladimir Kozlov, analytiker på RHK. Du behöver nya källor. Du behöver nya förstärkare. Det kan bli väldigt dyrt.

Påskynda bitar

Ett alternativ till att lägga till kanaler är att få dataströmmen i varje kanal att flöda snabbare. Precis som modemen i människors hem har blivit snabbare har sändare i ryggraden ökat sin förmåga att pumpa data, från 100 miljoner bitar per sekund för ett decennium sedan till toppmoderna 10 miljarder bitar (10 gigabit) per sekund i dag.

Medan AT&T publicerade ett pressmeddelande som tillkännager det första 10-gigabit-per-sekund-ryggraden för internetprotokoll från kust till kust i januari, är det redan gamla nyheter: 40-gigabit-per-sekund-system har redan tillkännagivits av Lucent Technologies, Fujitsu och NEC till försäljning senare i år. De tekniska bedrifterna som är involverade i framsteg som dessa är enorma: att öka datahastigheten som krävs för att ingenjörer ska designa lasrar som på ett tillförlitligt sätt kan blinka på och av 40 miljarder gånger per sekund, och mottagare som kan välja ut en blixt från nästa, när de kommer i den överväldigande takten.

Men namnet på spelet i ryggraden förblir avvägningar, och att snabba upp överföringshastigheterna orsakar nya komplikationer: att lägga in fler bitar per sekund i en fiber kräver mer kraft, och vid högre effekter ökar interferensen mellan kanalerna. Dessutom, med dessa anmärkningsvärda hastigheter, börjar små skavanker i själva glaset att störa dataflödet.

Ingenjörer som går för hastighet måste kompensera för sådana effekter genom att öka buffertzonen för oanvänt spektrum mellan kanaler: en linjehastighet på 40 gigabit per sekund kan till exempel kräva buffertar på 100 gigahertz mellan kanaler istället för 50 gigahertz. Matematiken är fortfarande gynnsam: fibrerna kommer att leverera hälften av kanalerna med fyra gånger hastigheten, vilket fördubblar kapaciteten.

Insatserna som är involverade i att förbättra överföringshastigheterna i ryggraden är dock så stora att för varje hinder finns det team av ingenjörer som arbetar för att övervinna det. Forskare vid NEC America's Public Networks Group arbetar på ett sätt att klämma ihop kanaler, även vid höga hastigheter, genom att dra fördel av det faktum att ljuset är polariserat. Föreställ dig att flytta ett hopprep snabbt upp och ner för att skapa vågor, som rör sig upp mot taket och ner mot golvet. Sådana vågor skulle vara vertikalt polariserade. Börja nu flytta hopprepet från sida till sida, så att vågorna rör sig mot väggarna. Ditt hopprep har blivit horisontellt polariserat. NEC-metoden delar upp en ljusstråle i 160 kanaler, var och en med 50 gigahertz från varandra, och ger närliggande kanaler olika polarisationer. Två kanaler med samma polarisation är alltså fortfarande 100 gigahertz från varandra. Medan kanaler bredvid varandra sannolikt kommer att störa varandra när de har samma polarisation, är det inte kanaler med olika polarisation. Ett sådant tillvägagångssätt kommer att öka den totala kapaciteten per fiber till 6,4 biljoner bitar (6,4 terabit) per sekund och beräknas vara tillgänglig om två till tre år.

Och förbättringar fortsätter i labb över hela världen. I mars meddelade forskare från det franska företaget Alcatel, som utvecklar fiber och komponenter för både landbaserade och undervattens optiska system, att de hade utvecklat ett system som når 10,2 terabit per sekund. Också i mars tillkännagav forskare vid NEC ett experiment där de finjusterade förstärkare för att få tillgång till ett bredare våglängdsband, vilket ökade överföringshastigheterna till 10,9 terabit per sekund.

Eller gräv ett dike

Alla dessa tekniska utvecklingar står naturligtvis inför denna utmaning: hur man kan fortsätta att förbättra prestandan jämfört med linjer som vanligtvis designades, tillverkades och installerades många år tidigare. De första fiberoptiska ledningarna i ett allmänt nätverk installerades i centrala Chicago 1977. Idag transporteras det mesta av världens långdistanstrafik av optiska fiberkablar - mer än 370 miljoner kilometer av grejerna, allt designat tidigare dagens genombrott i labbet. Så småningom kommer man inte att undvika behovet av att gräva ett nytt dike.

När beslutet är fattat att lägga ny fiber uppstår dock nya möjligheter att öka dess kapacitet. Fibersträngarna i sig har utvecklats för att klara allt större kapaciteter. Idag är den senaste tekniken icke-noll-dispersion fiber, uppfunnen av Lucent Technologies och säljs av både Lucent och Corning. Denna version av fiber vidgar området genom vilket en signal färdas, vilket ger den mer utrymme att sprida och minskar överlappning. Om du har ett vattenrör och du vill lägga ner mer vatten i det, är ett av sätten att göra det att bredda rörets yta, och det är i huvudsak vad [denna teknik] gör, säger Cornings Antos.

Nästa generations optikteknik kan bli av med glaset helt och hållet. Flera forskargrupper arbetar med att bygga en fiber av nya material som kallas fotoniska band-gap-kristaller ( ser Nästa generation optiska fibrer , TR maj 2001 ). Sådana kristaller har en atomstruktur som gör det fysiskt omöjligt för ljus att passera igenom eller absorberas, så ljus som träffar insidan av en fiber skulle studsa tillbaka in i kärnan. Doug Allen, en forskarassistent vid Corning som arbetar med att utveckla ett sådant material, föreslår att kärnan kan fyllas med luft, eller kanske en inert gas. Genom att eliminera glas och dess snedvridande effekter, säger han, kan du skicka fler våglängder utan att oroa dig för att de ska störa varandra.

Alla dessa nya utvecklingar har drivit forskning i labbet långt utöver vad som för närvarande är tillgängligt i marken. Om ryggraden bara var utrustad med utvecklingar som demonstreras i laboratorier just nu och som kan bära 160 kanaler över varje sträng, med 40 gigabit per sekund - den bandbredd vi för närvarande använder på en månad skulle kunna överföras över våra nätverk på mindre än en sekund. Det är då långtgående idéer börjar bli verkliga, från holografiska 3D-videokonferenser som efterliknar det verkliga livet, till långdistanskirurgi, till omedelbar tillgång till böcker som lagras på alla bibliotek i världen.

Vad som återstår att lösa är dock ekonomin i ett sådant nätverk: när kommer det att vara kostnadseffektivt att sätta denna utveckling på plats? I något så stort som det offentliga kommunikationsnätverket tar det decennier innan även små uppgraderingar implementeras universellt. Theodore Vail, första president för AT&T, lyckades bygga världens första toppmoderna offentliga nätverk endast genom att få kongressen att förklara hans företag som ett naturligt monopol. Det kommer inte att hända den här gången.

Raj Reddy, professor i datavetenskap vid Carnegie Mellon University och chef för High Speed ​​Connectivity Consortium, ett program som finansieras av det amerikanska försvarsdepartementet, är ändå optimistisk att ett nätverk med mycket hög bandbredd är oundvikligt - att vi en dag kommer att ha alltid påslagen bandbredd, lika lättillgänglig som telefonsystemet är idag. Det kommer definitivt att hända om 30 år, säger han. [Men] vad måste vi göra, och vad måste vi spendera, för att göra det om fem?

Och det, trots legioner av fiberoptikingenjörer som är dedikerade till att upptäcka de tekniska mirakel som kommer att driva våra nästa generations nätverk, är frågan som väntar på att bli besvarad. Men med tanke på det anmärkningsvärda spektrum av banbrytande arbete som görs på ryggraden, är det utan tvekan där som kapaciteten kommer att fortsätta att öka i den snabbaste takten.

Dölj