Kaip šukuojami optiniai kabeliai

Per 50 platesnio naudojimo metų optiniai kabeliai tapo neatskiriama šiuolaikinio pasaulio dalimi, ne be jų pagalbos daug kas vyksta, galima sakyt, šviesos greičiu. O šiais metais padarytas išradimas dar priartino taip prie realybės.

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

1854
Johnas Tyndallas Karališkajai bendrijai parodė, kad šviesa gali sklisti lenkta vandens srove, taip įrodydamas, kad šviesos signalas gali būti sulenktas.
1880
Alexander Graham Bell išrado „fotofoną“, garso signalą perdavusį šviesos spinduliu. Bellas fokusavo saulės šviesą veidrodžiu ir kalbėjo į mechanizmą, kuris tą veidrodį atitinkamai vibravo. Kitame gale imtuvas perimdavo vibruojantį spindulį ir dekoduodavo jį į garsą taip pat, kaip vyksta telefone su elektriniu signalu. Daug dalykų – pavyzdžiui, debesys – galėjo fotofonui sukliudyti, tad Bellas daugiau šio savo išradimo nebenagrinėjo.
1880
Williamas Wheeleris išrado šviesos vamzdžių sistemą. Vamzdžių vidus buvo padengtas gerai šviesą atspindinčia medžiaga ir jais šviesa iš rūsyje esančios elektros lanko lempos sklisdavo po visus namus.
1888
Medicinos daktaro Rothi ir profesoriaus Reuss iš Vienos komanda naudojo lenktas stiklo lazdeles kūno ertmių apšvietimui.
1895
Prancūzų inžinierius Henry Saint-Rene sukūrė lenktų stiklo lazdelių sistemą vaizdų perdavimui ankstyvuosiuose televizijos bandymuose.
1898
Amerikietis Davidas Smithas pateikė lenktos stiklo lazdelės įrenginio, naudojamo kaip chirurginė lempa, patentą.XX a. 3 dešimtmetis
Anglas Johnas Logie Bairdas ir amerikietis Clarence'as W. Hansellis užpatentavo permatomų lazdelių panaudojimą vaizdų perdavimui televizijoje ir faksuose atitinkamai.
Pluošto optika yra šviesos perdavimas ilgomis stiklo arba plastiko gijomis. šviesa sklinda dėl vidinio atspindžio. Gijos šerdies šviesos lūžio rodiklis didesnis, nei jį supančios medžiagos. Todėl šviesa vis atspindima atgal į šerdį, kur gali keliauti pluoštu tolyn. Pluošto optikos kabeliai naudojami balso, vaizdo ir kitų duomenų perdavimui beveik šviesos greičiu.

Visiško atspindžio efekto iliustravimas

1930
Vokietis medicinos studentas Heinrich Lamm buvo pirmasis žmogus sudėję gijų pluoštą ir perdavęs jomis vaizdą. Lammo tikslas buvo nepasiekiamų kūno ertmių apžiūra. Eksperimentuodamas jis pranešė perdavęs lemputės laizdą. Tačiau atvaizdo kokybė buvo prasta. Jo išradimą patentuoti atsisakė dėl Hansellio britiško patento.
1954
Olandų mokslininkas Abrahamas Van Heelas ir britų mokslininkas Harold. H. Hopkins atskirai parašė straipsnius apie vaizdų perdavimo pluoštais. Hopkinsas rašė apie vaizdų perdavimą niekuo nepadengtomis gijomis, tuo tarpu Van Heelas rašė apie padengtų gijų pluoštus. Jis padengė pluoštą skaidria, mažesnio refrakcijos indekso medžiaga. Taip apsaugojo pluošto atspindžio paviršių nuo išorinių trikdžių ir smarkiai sumažino gijų tarpusavio interferenciją. Tuo metu didžiausias optinio pluošto panaudojimo iššūkis buvo kuo labiau sumažinti signalo (šviesos) nuostolius.
1961
Elias Snitzer iš American Optical publikavo teorinį vienos modos gijų aprašymą, gijos, kurios šerdis tokia maža, kad ja gali sklisti tik vienos modos šviesos banga. Snitzerio idėja tiko medicinos instrumentams, kuriais apžiūrimas žmogaus vidus, bet gijos šviesos nuotoliai buvo po vieną decibelą per metrą. Ryšių priemonės turėjo veikti daug didesniais nuotoliais ir reikėjo, kad šviesos nuostoliai neviršytų 10 – 20 dB/km.
1964
Dr. C.K. Kao nustatė tolimo nuotolio komunikacijos prietaisų, 10 – 20 dB/km šviesos stiprio praradimo, standarto kritines (ir teorines) specifikacijas. Kao taip pat parodė grynesnio stiklo, kuris padėtų sumažinti šviesos nuostolius, poreikį.
1970
Tyrėjų komanda pradėjo eksperimentuoti su lydytu silicio oksidu, medžiaga, kurią galima padaryti itin gryną, kurios aukšta lydymosi temperatūra ir žemas lūžio rodiklis. Corning Glass tyrėjai Robertas Maureris, Donaldas Keckas ir Peteris Schultzas išrado optines gijas arba „Optinio bangolaidžio pluoštą“ (patentas #3,711,262), kuriuo galima perduoti 65 000 kartų daugiau duomenų, nei variniu laidu, ir kuriuo šviesos bangomis perduodama informacija gali būti dekoduojama net už tūkstančio mylių. Komanda išsprendė Dr. Kao pateiktas problemas.
1975
JAV vyriausybė nusprendė sujungti kompiuterius NORAD būstinėje Cheyenne kalne, optiniu kabeliu, kad sumažintų trukdžius.
1977
Maždaug už pustrečio kilometro nuo Čikagos centro įrengta pirmoji telefono ryšio sistema ir kiekviena optine gija buvo perduodama 672 balso kanalai.

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


div.pbg {width: 5%; height: 100%; background: ;position: absolute; right:0%}

   

Facebook komentarai