211service.com
Een betere ruggengraat bouwen
Op een gigantisch scherm in het Corning Museum of Glass in de staat New York flitsen videobeelden voorbij: nieuwsbeelden van een oorlog, een inauguratie, een ruimteopname, een spelshow, samen met realtime projecties van museumbezoekers die verwonderd opkijken. De bron van al deze afbeeldingen? Een streng glas, dunner dan een mensenhaar, maar toch breed genoeg om meer informatie te dragen dan drie miljoen koperdraden, de technologie die het verving. Corning mag met recht pronken met zijn uitvinding: glasvezeltechnologie geldt als een van de technologische wonderen van de 20e eeuw.
Jammer dat we constant nieuwe wonderen nodig hebben om bij te blijven met de vraatzuchtige netwerkeisen die deze eeuw op deze dunne glasvezels stelt. Glasvezel is immers een pre-webtechnologie; en veel van de glasvezel die - naast telefoongesprekken - de huidige e-mailberichten, muziekdownloads en videostreams bevat, werd geïnstalleerd voordat de meeste mensen zelfs maar op de hoogte waren van die media. Wat vroeger een schaamteloze verspilling van capaciteit leek, lijkt nu hopeloos ontoereikend. Onze honger naar bandbreedte groeit exponentieel, zonder tekenen van vertraging. Tracey Vanik, technisch directeur bij telecommunicatieadviesbureau RHK, vergelijkt internet met Star Trek's vraatzuchtige Borg: welke bandbreedte er ook beschikbaar wordt gemaakt, het internet zal slikken.
Glasvezel gemaakt door Corning, Lucent Technologies en andere gigantische telecomleveranciers is overal in het telecommunicatiesysteem te vinden en verbindt ons wanneer we onze favoriete websites bezoeken of naar Tokio bellen. Maar veel van het geavanceerde onderzoek dat tegenwoordig op glasvezel wordt gedaan, gaat naar het verbeteren van de capaciteit van de ruggengraat van het systeem: de dikste van de dikke datapijpen, die gegevens over continenten zwaaien en stedelijke centra met elkaar verbinden.
Backbone is een handige metafoor, maar het geeft een te netjes beeld. Een gewerveld organisme heeft een enkele ruggengraat, maar het telecomsysteem niet; geen enkel bedrijf is eigenaar van deze interstedelijke kabels met hoge capaciteit, en geen enkele organisatie zorgt ervoor dat ze de uitdaging aankunnen om te voldoen aan de wereldwijde vraag naar bandbreedte. In sommige gevallen zullen telecommunicatiebedrijven - de WorldComs en Sprints en AT&T's van de wereld - proberen om met hun eigen kabels drukke routes te bestrijken, door spaghetti-achtige strengen parallel aan elkaar te leggen langs snelwegen en spoorwegen, die de grootstedelijke lussen over continenten en oceanen. In andere gevallen leasen vervoerders glasvezelkabels van andere vervoerders; sommige vervoerders houden zich inderdaad uitsluitend bezig met het leasen van backbone-capaciteit.
Alle carriers staan echter voor dezelfde uitdaging: hoe de vraagcurve naar bandbreedte voor te blijven. Onderzoek bij Corning en elders toont aan dat elke prestatieverbetering een prijs heeft; het opbouwen van een betere ruggengraat lijkt een kwestie te zijn van het kiezen van de juiste afwegingen.
Optiek versterken
De eenvoudigste oplossing voor het verstevigen van de ruggengraat is simpelweg meer kabel leggen. Maar dat is ook het duurste alternatief: maar liefst 40 procent van de kosten van een glasvezelsysteem gaat naar het kopen van doorgangsrechten, het verkrijgen van vergunningen en het in de grond leggen van kabels. (Het is een oude grap bij telecombedrijven dat ze graag nieuwe technologieën zouden opgeven als iemand hen zou laten zien hoe ze een goedkopere greppel kunnen graven.)
Er zijn nog twee andere manieren om de capaciteit te vergroten: het graven van de straten is niet nodig, maar vertrouwt op de modernste apparatuur die is geïnstalleerd in de telefoonkantoren waar de glasvezelkabels eindigen. Ingenieurs kunnen methoden ontwikkelen om het aantal informatiekanalen te vergroten dat elke glasvezelstreng kan dragen. Of ze kunnen manieren ontwikkelen om de gegevens sneller langs elk kanaal te laten reizen.
Beide benaderingen vermijden de enorme kosten van het installeren van nieuwe lijnen. Maar elke strategie is lastig, omdat verbeteringen op het ene gebied vaak problemen veroorzaken op een ander gebied. Er is een sterke wisselwerking tussen afstand en capaciteit, zegt Roe Hemenway, manager netwerkapparatuuronderzoek bij Corning. Hoe verder je gaat, hoe lager de capaciteit. We worden gevraagd om meer capaciteit op de glasvezel te zetten, langere afstanden af te leggen en dat met nog hogere kwaliteit.
Hemenway werkt in het laboratorium van Corning's Sullivan Park Research and Development Facility in de staat New York, waar planken rijen metalen dozen bevatten, elk een laser die een infraroodstraal genereert. De bundels lopen door modulatoren en multiplexers, versterkers en filters, waarbij ze steeds weer dezelfde lus van glasvezelkabel afleggen om afstand te simuleren, net als een digitale raceauto op de informatie-supersnelwegversie van een testbaan. Aan het einde van het systeem geeft een computerscherm het aantal fouten weer dat tijdens de run is geproduceerd, en een oscilloscoop geeft grafisch weer of het signaal scherp of wazig was.
Dankzij de opstelling kunnen de technici van Corning testen hoe elk onderdeel de signaaloverdracht beïnvloedt en wat een verandering in een onderdeel doet met het systeem als geheel. Deze benadering is van cruciaal belang voor het ontwerp van glasvezel, omdat elke oplossing die wordt ontwikkeld om glasvezel efficiënter te maken, waarschijnlijk een aantal technologieën omvat, die elk van invloed kunnen zijn op de andere.
In de afgelopen zes jaar zijn de transmissiesnelheden in de laboratoria voor de snelste glasvezels verviervoudigd en dit jaar wordt nog een verviervoudiging verwacht. De meest prangende vraag is of, gezien alle afwegingen, het huidige tempo van verbetering kan worden vastgehouden. Ik zou je een macho antwoord kunnen geven dat we doorgaan met het verbeteren van vezels, maar eerlijk gezegd weet ik het niet, zegt Joseph Antos, technologiedirecteur voor vezelontwikkeling bij Corning. Elke nieuwe uitvinding [om de capaciteit te vergroten] wordt moeilijker en moeilijker.
Meer kanalen per vezel
Gegevens reizen langs optische vezels door een reeks lichtpulsen van een laser, de uit en aan die overeenkomen met de enen en nullen van digitale codering. Glasvezelsystemen gebruiken het lichtspectrum dat het meest efficiënt door het glas reist, golflengten tussen ongeveer 1.300 en 1.600 nanometer. Buiten deze golflengten heeft licht de neiging ofwel te worden geabsorbeerd en verloren of te ver uitgerekt om een bruikbaar signaal te maken. En van het beschikbare spectrum vindt de meeste transmissie plaats in wat de centrale band wordt genoemd, tussen 1.530 en 1.565 nanometer.
Door het signaal op te splitsen in verschillende golflengten, zoals een prisma de kleuren scheidt waaruit wit licht bestaat, kunnen ingenieurs meer dan één lichtstroom tegelijkertijd langs een vezel sturen. Vroege implementaties verdeelden het licht in vier of acht afzonderlijke kanalen, waarbij elke vezel ongeveer 10 gigabits-10 miljard bits per seconde droeg. Tegenwoordig kunnen sommige systemen 80 kanalen in de centrale band vervoeren en zijn ze in staat om meer dan een half biljoen bits per seconde door een enkele vezel te duwen.
Maar er is een limiet aan het aantal kanalen dat in de centrale band kan worden geperst. Net als dicht bij elkaar liggende zenders op uw autoradio, veroorzaken zenders die te dichtbij komen storing. Op de radio luister je misschien naar: Alles bij elkaar genomen en krijg plotseling de Backstreet Boys - of statisch. Hetzelfde gebeurt met optische signalen. Om interferentie te verminderen, vereisen de huidige state-of-the-art systemen een bufferzone van ongeveer 50 gigahertz (een maat voor de frequentie van een miljard cycli per seconde) tussen kanalen.
Als gevolg van deze beperkingen is de centrale band nu in wezen vol, en ingenieurs willen kanalen toevoegen door uit het centrale deel van het spectrum te gaan en naar een nieuw gebied te gaan.
Nieuwe wegen inslaan
Om nieuwe delen van het spectrum buiten de centrale band bruikbaar te maken, moeten onderzoekers nieuwe versies ontwikkelen van apparaten die signalen langs optische vezels helpen duwen. Neem de versterkers die helpen bij het versterken van signalen, die energie verliezen als ze heen en weer kaatsen tussen de wanden van het kerngedeelte van de vezel. Om ze weer op te pompen, kunnen ingenieurs apparaten gebruiken die bekend staan als erbium-gedoteerde vezelversterkers. Dit zijn in wezen lussen van vezels die zijn doorweven met het zeldzame aarde-element erbium. Een laser prikkelt de erbiumatomen, die hun energie overdragen aan het optische signaal dat door de versterker gaat, waardoor de afstand die het kan afleggen groter wordt. Zonder versterking zouden hogesnelheidssignalen niet ver genoeg reizen om nuttig te zijn.
Recente ontwikkelingen maken het voor deze versterkers mogelijk om te werken in het langere golflengtegebied van 1.570 tot 1.625 nanometer, wat een nieuw stuk spectrum toevoegt waaruit extra datakanalen kunnen worden gesneden. Lucent Technologies heeft bijvoorbeeld een systeem uitgebracht dat 80 kanalen in de centrale band perst en erbiumversterkers gebruikt om nog eens 80 kanalen in het lange-golflengtegebied toe te voegen, waardoor de capaciteit van elke vezel wordt verdubbeld.
Elke keer dat een signaal door een erbiumversterker gaat, pikt het echter ruiselementen op die geen deel uitmaakten van het oorspronkelijke signaal. Over lange afstanden waar een signaal vele malen moet worden versterkt, moeten glasvezelsystemen worden bespannen met regeneratoren, apparaten die signalen reconstrueren die door zoveel versterkers zijn gegaan dat ze zijn verslechterd. Regeneratoren nemen een lichtsignaal op, zetten het om in een elektrisch signaal en produceren dan een nieuwe lichtstraal.
Een nieuwe techniek genaamd Raman-amplificatie ( zien Vijf patenten om in de gaten te houden: boostershots , TR mei 2001 ) zal het mogelijk maken een signaal te versterken zonder ruis te introduceren, waardoor de noodzaak voor regeneratoren wordt weggenomen en mogelijk een nieuwe manier wordt gecreëerd voor ingenieurs om de capaciteit te vergroten. In tegenstelling tot erbiumversterkers, die alleen op bepaalde golflengten werken, belooft Raman-versterking nog meer nieuwe kanalen beschikbaar te maken. Een nieuw bedrijf, Xtera, uit Allen, TX, hoopt gebruik te kunnen maken van Raman-versterking om de transmissie over lange afstand van kortere golflengten van licht mogelijk te maken dan de huidige optische netwerken kunnen ondersteunen. Het is een soort nieuwe draai aan het gebruik van Raman-technieken, zegt Joe Oravetz, productmanager van Xtera, die het eerste nieuwe product van het bedrijf onthulde op de Optical Fiber Communication Conference and Exhibit in maart in Anaheim, CA.
Maar het gebruik van de kortere golflengteband is beslist een langetermijnstrategie, aangezien er op elk punt in het netwerk nieuwe apparatuur moet worden geïnstalleerd. Als je naar een nieuwe band gaat, moet je alle componenten vervangen, zegt Vladimir Kozlov, analist bij RHK. Je hebt nieuwe bronnen nodig. Je hebt nieuwe versterkers nodig. Het kan erg duur zijn.
Bits versnellen
Een alternatief voor het toevoegen van kanalen is om de datastroom in elk kanaal sneller te laten stromen. Net zoals de modems bij mensen thuis sneller zijn geworden, hebben zenders in de backbone hun vermogen om gegevens te pompen vergroot, van 100 miljoen bits per seconde tien jaar geleden tot een ultramoderne 10 miljard bits (10 gigabit) per seconde vandaag.
Hoewel AT&T in januari een persbericht uitgaf waarin de eerste 10-gigabit-per-seconde coast-to-coast internetprotocol-backbone werd aangekondigd, is het al oud nieuws: 40-gigabit-per-seconde systemen zijn al aangekondigd door Lucent Technologies, Fujitsu en NEC later dit jaar te koop. De technische hoogstandjes die bij dergelijke ontwikkelingen betrokken zijn, zijn enorm: het verhogen van de datasnelheid vereiste dat technici lasers moesten ontwerpen die 40 miljard keer per seconde betrouwbaar aan en uit kunnen flitsen, en ontvangers die de ene flits van de volgende kunnen onderscheiden, wanneer ze eraan komen. in dat overweldigende tempo.
Maar de naam van het spel in de backbone blijft compromissen, en het versnellen van transmissiesnelheden veroorzaakt nieuwe complicaties: meer bits per seconde in een vezel stoppen, vereist meer vermogen, en bij hogere vermogens neemt de interferentie tussen kanalen toe. Ook beginnen met deze opmerkelijke snelheden kleine foutjes in het glas zelf de gegevensstroom te verstoren.
Ingenieurs die voor snelheid kiezen, moeten dergelijke effecten compenseren door de bufferzone van ongebruikt spectrum tussen kanalen te vergroten: een lijnsnelheid van 40 gigabit per seconde kan bijvoorbeeld buffers van 100 gigahertz tussen kanalen vereisen in plaats van 50 gigahertz. De wiskunde is nog steeds gunstig: de vezels zullen de helft van de kanalen leveren met vier keer de snelheid, een verdubbeling van de capaciteit.
De inzet bij het verbeteren van de transmissiesnelheden in de backbone is echter zo groot dat er voor elk obstakel teams van ingenieurs zijn die eraan werken om het te overwinnen. Wetenschappers van NEC America's Public Networks Group werken aan een manier om kanalen samen te persen, zelfs bij hoge snelheden, door te profiteren van het feit dat licht gepolariseerd is. Stel je voor dat je een springtouw snel op en neer beweegt om golven te maken, die omhoog bewegen naar het plafond en naar beneden naar de vloer. Dergelijke golven zouden verticaal gepolariseerd zijn. Begin nu het springtouw heen en weer te bewegen, zodat de golven naar de muren bewegen. Je springtouw is horizontaal gepolariseerd. De NEC-benadering verdeelt een lichtstraal in 160 kanalen, elk 50 gigahertz uit elkaar, en geeft aangrenzende kanalen verschillende polarisaties. Twee kanalen met dezelfde polarisatie liggen dus nog 100 gigahertz uit elkaar. Terwijl kanalen naast elkaar waarschijnlijk met elkaar interfereren wanneer ze dezelfde polarisatie hebben, zijn kanalen met verschillende polarisaties dat niet. Een dergelijke aanpak zal de totale capaciteit per vezel verhogen tot 6,4 biljoen bits (6,4 terabit) per seconde en zal naar verwachting over twee tot drie jaar beschikbaar zijn.
En verbeteringen gaan door in laboratoria over de hele wereld. In maart kondigden onderzoekers van het Franse bedrijf Alcatel, dat vezels en componenten ontwikkelt voor optische systemen op het land en onder zee, aan dat ze een systeem hadden ontwikkeld met een snelheid van 10,2 terabits per seconde. Eveneens in maart kondigden onderzoekers van NEC een experiment aan waarin ze versterkers aanpasten om toegang te krijgen tot een bredere golflengteband, waardoor de transmissiesnelheden werden verhoogd tot 10,9 terabit per seconde.
Of een greppel graven
Al deze technologische ontwikkelingen staan natuurlijk voor deze uitdaging: hoe kunnen we de prestaties blijven verbeteren ten opzichte van lijnen die doorgaans vele jaren eerder werden ontworpen, vervaardigd en geïnstalleerd. De eerste glasvezellijnen in een openbaar netwerk werden in 1977 onder het centrum van Chicago geïnstalleerd. Tegenwoordig wordt het grootste deel van het langeafstandsverkeer in de wereld vervoerd door glasvezelkabels - meer dan 370 miljoen kilometer van het materiaal, allemaal ontworpen voordat de doorbraken van vandaag in de laboratoria. Uiteindelijk zal het niet meer voorkomen dat er een nieuwe greppel moet worden gegraven.
Maar zodra de beslissing is genomen om nieuwe vezels aan te leggen, ontstaan er nieuwe mogelijkheden om de capaciteit te vergroten. De vezelstrengen zelf zijn geëvolueerd om steeds grotere capaciteiten aan te kunnen. Tegenwoordig is de state-of-the-art niet-nul-dispersievezel, uitgevonden door Lucent Technologies en verkocht door zowel Lucent als Corning. Deze versie van glasvezel vergroot het gebied waar een signaal doorheen gaat, waardoor het meer ruimte krijgt om zich te verspreiden en overlap te verminderen. Als je een waterleiding hebt en je wilt er meer water in doen, dan is een van de manieren om dat te doen, het gebied van de pijp te vergroten, en dat is in wezen wat [deze technologie] doet, zegt Corning's Antos.
Optische technologie van de volgende generatie kan het glas helemaal wegwerken. Verschillende onderzoeksgroepen werken aan het bouwen van een vezel uit nieuwe materialen die bekend staan als fotonische-band-gap-kristallen ( zien De volgende generatie optische vezels , TR mei 2001 ). Dergelijke kristallen hebben een atomaire structuur die het fysiek onmogelijk maakt voor licht om er doorheen te gaan of te worden geabsorbeerd, dus licht dat de binnenkant van een vezel raakt, zou terugkaatsen in de kern. Doug Allen, een onderzoeksmedewerker bij Corning die werkt aan de ontwikkeling van zo'n materiaal, suggereert dat de kern kan worden gevuld met lucht, of misschien een inert gas. Door glas en zijn vervormende effecten te elimineren, zegt hij, kun je meer golflengten verzenden zonder je zorgen te maken dat ze elkaar storen.
Al deze nieuwe ontwikkelingen hebben het onderzoek in het laboratorium veel verder gestuwd dan wat momenteel in de grond beschikbaar is. Als de backbone alleen zou zijn uitgerust met ontwikkelingen die momenteel in laboratoria worden gedemonstreerd en die 160 kanalen over elke streng kunnen vervoeren, met een snelheid van 40 gigabit per seconde, zou de bandbreedte die we momenteel in een maand gebruiken, in minder dan een seconde over onze netwerken kunnen worden overgedragen. Dat is het moment waarop wijdverbreide ideeën werkelijkheid worden, van holografische 3D-videoconferenties die het echte leven nabootsen, tot operaties op afstand, tot onmiddellijke toegang tot boeken die zijn opgeslagen in elke bibliotheek ter wereld.
Wat echter nog moet worden opgelost, is de economie van zo'n netwerk: wanneer is het rendabel om deze ontwikkelingen door te voeren? In iets dat zo groot is als het openbare communicatienetwerk, duurt het tientallen jaren voordat zelfs kleine upgrades universeel worden geïmplementeerd. Theodore Vail, eerste president van AT&T, slaagde er alleen in om 's werelds eerste state-of-the-art openbare netwerk op te bouwen door het Congres ertoe te brengen zijn bedrijf tot een natuurlijk monopolie te verklaren. Dat gaat deze keer niet gebeuren.
Raj Reddy, hoogleraar computerwetenschappen aan de Carnegie Mellon University en directeur van het High Speed Connectivity Consortium, een programma dat wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Defensie, blijft niettemin optimistisch dat een netwerk met zeer hoge bandbreedte onvermijdelijk is - dat we op een dag altijd-aan, onbeperkte bandbreedte, net zo gemakkelijk toegankelijk als het huidige telefoonsysteem. Het gaat zeker gebeuren in 30 jaar, zegt hij. [Maar] wat moeten we doen en wat moeten we uitgeven om het in vijf minuten te doen?
En dat, ondanks de legioenen glasvezelingenieurs die zich toeleggen op het ontdekken van de technologische wonderen die onze netwerken van de volgende generatie zullen aandrijven, is de vraag die wacht om beantwoord te worden. Maar gezien het opmerkelijke spectrum van baanbrekend werk dat op de ruggengraat wordt gedaan, is het ongetwijfeld daar dat de capaciteit in het snelst tempo zal blijven toenemen.