Glasfaserkabel bilden das Rückgrat der modernen Kommunikation, die Daten und Telefongespräche in verschiedenen Ländern und unter Ozeanen überträgt. Die stetig wachsende Nachfrage nach Daten - vom Streaming von Filmen bis zur Internetsuche - übt jedoch Druck auf das Netzwerk aus, da die Datenmenge, die durch die Kabel übertragen werden kann, bevor das Signal beeinträchtigt wird, begrenzt ist und die Herstellung neuer Kabel teuer ist.
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Jetzt könnte ein Team an der Universität von Kalifornien in San Diego eine Lösung finden, indem es sich eine Technik leiht, die in anderen Bereichen als Messinstrument verwendet wird: den Frequenzkamm. Diese laserbasierten Geräte ermöglichten es dem Team, Verzerrungen zu beseitigen, die normalerweise auftreten, bevor das Signal das Ende eines Kabels erreicht. Die Forscher sendeten Daten weiter als je zuvor - 7.456 Meilen -, ohne dass das Signal dabei verstärkt werden musste.
Wenn ihre experimentelle Technik in der realen Welt Bestand hat, benötigen Glasfaserkabel weniger teure Repeater, um die Signale stark zu halten. Darüber hinaus würde eine größere Signalstabilität innerhalb eines Datenstroms bedeuten, dass mehr Kanäle in eine einzelne Übertragung gestopft werden könnten. Im Moment ist ein grundlegender Kompromiss bei Glasfaserkabeln, dass je mehr Daten Sie übertragen möchten, desto kürzer die Entfernung ist, über die Sie diese senden können.
Lichtleitersignale sind einfach codiertes Licht, das entweder von einem Laser oder einer LED erzeugt wird. Dieses Licht wandert über dünne Glaskabel und reflektiert deren Innenflächen, bis es am anderen Ende austritt. Genau wie bei Radiosendungen hat ein Laserstrahl eine bestimmte Bandbreite oder einen Frequenzbereich, den er abdeckt, und ein typischer Glasfaserkabelstrang kann mehr als einen Bandbreitenkanal übertragen.
Die Signale können sich jedoch nicht für immer ausbreiten und können aufgrund sogenannter nichtlinearer Effekte, insbesondere des Kerr-Effekts, dennoch decodiert werden. Damit Lichtwellenleiter funktionieren, muss das Licht im Inneren der Faser auf seinem Weg eine bestimmte Menge brechen oder biegen. Elektrische Felder verändern jedoch, wie viel Glas Licht verbiegt, und Licht selbst erzeugt ein kleines elektrisches Feld. Die Änderung der Brechung bedeutet, dass es kleine Änderungen in der Wellenlänge des übertragenen Signals gibt. Darüber hinaus gibt es kleine Unregelmäßigkeiten im Glas der Faser, was kein absolut perfekter Reflektor ist.
Die kleinen Wellenlängenänderungen, Jitter genannt, addieren sich und verursachen ein Übersprechen zwischen den Kanälen. Der Jitter erscheint zufällig, da eine Glasfaserübertragung Dutzende von Kanälen überträgt und die Auswirkungen auf jeden Kanal etwas unterschiedlich sind. Da der Kerr-Effekt mathematisch gesehen nicht linear ist, können Sie ihn nicht einfach subtrahieren, wenn es mehr als einen Kanal gibt. Die Berechnung ist viel komplexer und für die heutigen Signalverarbeitungsgeräte nahezu unmöglich. Das macht es schwierig, die Jitters vorherzusagen und zu korrigieren.
"Wir haben festgestellt, dass die noch so geringe Unschärfe dazu führt, dass das Ganze nicht deterministisch wirkt", sagt Nikola Alic, ein Forscher vom Qualcomm-Institut am UCSD und einer der Leiter der experimentellen Arbeit.
In der aktuellen Glasfaserkonfiguration müssen die Kanalfrequenzen so weit voneinander entfernt sein, dass Jitter und andere Rauscheffekte sie nicht überlappen lassen. Da der Jitter mit der Entfernung zunimmt, wird durch Hinzufügen von mehr Leistung zum Signal nur das Rauschen verstärkt. Die einzige Möglichkeit, mit dem Problem umzugehen, besteht darin, kostspielige Geräte, sogenannte Repeater, an das Kabel anzuschließen, um das Signal zu regenerieren und das Rauschen zu beseitigen. Ein typisches Transatlantik-Kabel hat etwa alle 100 km einen Repeater installiert, und Sie brauchen einen für jeden Kanal .
Die UCSD-Forscher fragten sich, ob sie einen Weg finden könnten, Jitter weniger zufällig aussehen zu lassen. Wenn sie genau wüssten, wie stark sich die Wellenlänge des Lichts in jedem Kanal ändern würde, könnten sie dies ausgleichen, wenn das Signal zu einem Empfänger gelangt. Hier kam der Frequenzkamm ins Spiel. Alic sagt, die Idee sei ihm gekommen, nachdem er jahrelang in verwandten Bereichen mit Licht gearbeitet hatte. "Es war eine Art Moment der Klarheit", sagt er. Ein Frequenzkamm ist ein Gerät, das Laserlicht mit vielen sehr spezifischen Wellenlängen erzeugt. Die Ausgabe sieht aus wie ein Kamm, mit jedem "Zahn" bei einer bestimmten Frequenz und jeder Frequenz ein genaues Vielfaches der benachbarten. Die Kämme werden im Bau von Atomuhren, in der Astronomie und sogar in der medizinischen Forschung eingesetzt.
Alic und seine Kollegen beschlossen herauszufinden, was passieren würde, wenn sie die ausgehenden Glasfasersignale mit einem Frequenzkamm kalibrieren würden. Er vergleicht es mit einem Dirigenten, der ein Orchester stimmt. „Denken Sie daran, dass der Dirigent mit einer Stimmgabel jedem sagt, wie hoch das mittlere A ist“, sagt er. Das Team baute vereinfachte Glasfasersysteme mit drei und fünf Kanälen. Als sie den Kamm verwendeten, um die Wellenlängen des ausgehenden Signals zu kalibrieren, stellten sie immer noch Jitter fest, aber dieses Mal jitterten alle Kanäle auf die gleiche Weise. Diese Regelmäßigkeit ermöglichte es, das Signal in einer Rekordentfernung ohne Repeater zu decodieren und zu senden. "Es macht den Prozess deterministisch", sagt Alic, dessen Team diese Woche in Science über die Ergebnisse berichtet.
Sethumadhavan Chandrasekhar, angesehener technischer Mitarbeiter des globalen Telekommunikationsunternehmens Alcatel-Lucent, ist einer von vielen Wissenschaftlern, die sich seit mehreren Jahren mit dem Problem des Glasfaserjitters befassen. In seiner veröffentlichten Arbeit überträgt er phasenkonjugierte Signale - zwei Signale, die genau um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind. Diese Einstellung bedeutet, dass alle nichtlinearen Effekte, die Rauschen verursachen, aufgehoben werden.
Die UCSD-Arbeit ist wichtig, aber es ist noch keine vollständige Lösung, sagt Chandrasekhar. "Was fehlt, ist, dass die meisten Systeme jetzt eine doppelte Polarisation haben", sagt er. Das bedeutet, dass die Systeme die Kapazität steigern, indem sie Lichtsignale senden, die unterschiedlich polarisiert sind. "Die meisten Systeme übertragen heute Informationen in den beiden Polarisationszuständen des Lichts, und das UCSD-Team muss nachweisen, dass ihre Technik auch unter einem solchen Übertragungsszenario funktioniert", sagt er.
Alic sagt, dass die nächsten Experimente des Teams genau dieses Problem angehen werden. Bisher glauben sie, dass diese Technik für den realen Gebrauch angepasst werden kann, obwohl das Erstellen und Bereitstellen neuer Hardware einige Zeit in Anspruch nehmen wird. In beiden Fällen wird durch Erhöhen der Reichweite von Signalen eine wesentlich aggressivere Ausdehnung erzielt, wodurch mehr Daten und eine größere Entfernung erzielt werden, ohne dass ein Signalverlust zu befürchten ist. "Es gibt keinen Grund mehr, Angst zu haben", sagt er.
