Inžinieriai įveikia optinių komunikacijų galios ir atstumo barjerus

Elektros Inžinieriai įveikė pagrindinius barjerus, ribojančius atstumą, kurį optiniais ryšio kabeliais informacija gali nukeliauti ir vis dar tiksliai dešifruota imtuve. Kalifornijos universiteto San Diego'e fotonikos tyrėjai padidino maksimalią galią – taigi ir atstumą – kuria optiniai signalai gal būti siunčiami optiniais kabeliais. Ši pažanga gali padidinti duomenų perdavimą optinio pluošto kabeliais, kurie sudaro interneto, kabelinių komunikacijų, bevielių ir telefono linijų stuburą. Tyrimas publikuojamas Science žurnale.

Nauju tyrimu pateikiamas sprendimas senos optinių kabelių pralaidumo kliūties: didinant galią virš tam tikro lygio, papildoma galia didina nepataisomą optiniu kabeliu keliaujančios informacijos iškraipymą.

„Dabartinės optinių kabelių sistemos šiek tiek primena slankųjį smėlį. Slankiajame smėlyje, kuo daugiau judi, tuo greičiau grimzti. Optiniuose pluoštuose nuo tam tikro taško, kuo signalo galia didesnė, tuo labiau jis iškraipomas, tad toliau jo nusiųsti pasidaro nebeįmanoma. Mūsų būdas šią galios ribą pašalina, kas savo ruožtu, padidina atstumą, kurį signalas optiniu kabeliu gali nukeliauti be kartotuvo,“ sakė Nikola Alic, Qualcomm instituto mokslininkas, Science straipsnio autorius ir eksperimentų vadovas.

Laboratoriniuose eksperimentuose UC San Diego tyrėjai sėkmingai nuskaitė informaciją, nukeliavusią rekordinius 12 000 kilometrų optiniu kabeliu su standartiniais stiprintuvais ir be kartotuvų – elektroninių regeneratorių.

Naujasis atradimas iš esmės eliminuoja elektroninių regeneratorių, išdėstomų tam tikrais intervalais optinėje linijoje, naudojimo būtinybę. Šie regeneratoriai iš esmės yra superkompiuteriai ir turi apdoroti kiekvieną perdavimo kanalą. Elektroniniai regeneratoriai moderniose šviesos linijose, turinčiose 80 – 200 kanalų, reiškia didelius kaštus ir dar svarbiau, užkerta kelią skaidriems optiniams tinklams. Todėl elektroninių regeneratorių naudojimo atsisakymas drastiškai pakeis tinklo struktūros ekonomiką ir informacija galės būti perduodama pigiau ir efektyviau.

Šis tyrimo proveržis remiasi tyrėjų sukurtomis „dažnio šukomis“. Šiame darbe aprašytos dažnio šukos užtikrina, kad signalo iškraipymai – vadinamieji „kryžkalbiai“ (crosstalk) – atsirandantys tarp optinio pluošto gijomis toli sklindančios informacijos būtų nuspėjami, taigi ir atitaisomi imtuve.

„Kryžkalbiai tarp komunikacijos kanalų optiniuose kabeliuose paklūsta fiksuotiems fizikos dėsniams. Jie nėra atsitiktiniai. Dabar geriau suprantame kryžkalbių fiziką. Šiame tyrime pateikiame tvarkymosi su kryžkalba metodą, galintį pašalinti optinių kabelių galios barjerą,“ paaiškino Stojan Radic, UC San Diego Elektros ir kompiuterių inžinerijos departamento profesorius ir Science straipsnio vyr. autorius. „Mūsų būdas apdoroja dar net neišsiųstą informaciją, tad gavėjas gauna ją be Kerro efekto sukeliamos kryžkalbos.“

Fotonikos eksperimentu UC San Diego Qualcomm institute atlikto Photonics Systems Grouptyrėjai, vadovaujami Radic.

Idealus duomenų sąskambis

UC San Diego tyrėjų būdas primena koncertmeisterį, prieš koncertą suderinantį visų instrumentų skambesį. Optiniu pluoštu informacija perduodama daugeliu ryšio kanalų, veikiančių skirtingais dažniais. Elektros Inžinieriai dažnių šukomis sinchronizavo skirtingų optinės informacijos srautų, „optinių nešėjų“, dažnio variacijas. Taip iš anksto kompensuojama komunikacijos kanalų tame pačiame optiniame kabelyje kryžkalba. Dažnio šukos taip pat užtikrina, kad kryžkalba tarp komunikacijos kanalų būtų grįžtama.

„Padidinę siunčiamo signalo galią 20 kartų ir naudodami dažnio šukas, galėjome atkurti originalią informaciją,“ sakė UC San Diego elektros inžinerijos Ph. D. studentas Eduardo Temprana, pirmasis straipsnio autorius. Dažnio šukos užtikrino, kad sistemoje nesikauptų atsitiktiniai iškraipymai, kurių imtuve ištaisyti ir originalaus turinio gauti nebeįmanoma.

Laboratoriniame eksperimente buvo atliekami bandymai su trimis ir penkiais kanalais, sąveikaujančiais tarpusavyje silicio optinio pluošto kabeliuose. Tyrėjai pažymi, kad šis būdas gali būti naudojamas sistemose ir su daugiau ryšio kanalų. Daugumoje dabartinių optinio pluošto kabelių yra daugiau, nei 32 tokie tarpusavyje sąveikaujantys kanalai.

Science straipsnyje tyrėjai aprašo savo dažnių išankstinio netiesinių efektų, atsirandančių tarp ryšio kanalų optiniuose kanaluose, kompensavimo būdą. Informacija, prieš išsiunčiama optini kabeliu, iš anksto, grįžtamai, gerai žinomu būdu iškraipoma. Kitame optinės gijos gale dažnio šukomis informacija gali būti dešifruota ir visiškai atkurta.

„Mes iš anksto sukuriame iškraipymo efektus, kurie vyksta optiniame pluošte," sakė Bill Kuo, Qualcomm instituto tyrėjas, kuris grupėje buvo atsakingas už šukų kūrimą.

Ta pati tyrėjų grupė pernai publikavo teorinę medžiagą, nurodančią, kad jų dabar skelbiami eksperimentiniai rezultatai teoriškai įmanomi.

Daugiau informacijos: „Overcoming Kerr-induced capacity limit in optical fiber transmission,“ by E. Temprana, E. Myslivets, B. P.-P. Kuo, L. Liu, V. Ataie, N. Alic and S. Radic from the Department of Electrical and Computer Engineering at the UC San Diego Jacobs School of Engineering. N. Alic and S. Radic are also affiliated with the Qualcomm Institute at the University of California, San Diego. www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aab1781

Trumpa optinių komunikacijų istorija

Dabar daugiau nei 80 procentų pasaulio tolimųjų skambučių vyksta optiniais kabeliais, iš viso pasaulyje nutiesti ~25 milijonai Maurerio, Kecko ir Schultzo sukurto kabelio kilometrų.