Инженеры «скрутили» свет в оптоволокне — новая технология ускорит передачу данных в сто раз +17



В октябре журнал Nature Communications опубликовал научную работу инженеров из Австралии, в которой описана технология передачи данных с помощью «скрученного в спираль» света.

Под катом обсуждаем принципы работы и перспективы решения.


/ Wikimedia / AZToshkov / CC BY-SA

В чем суть новинки


Современные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используют технологию спектрального уплотнения каналов для увеличения пропускной способности. В движении свет отражается от стенок волокна, по этой причине можно сказать, что информация передается как бы в двумерном пространстве.

Чтобы решить эту проблему, команда инженеров из технологического университета в Мельбурне — RMIT — под руководством профессора Мин Гу (Min Gu) предложила использовать невидимые человеческому глазу спектры и «закрутить» свет в спираль. Это позволило кодировать данные, используя спин фотона.

Отметим, что лазеры, способные генерировать подобные световые лучи, разработали ещё в 1992 году. Но команде профессора Мин Гу первой удалось создать наноэлектронный детектор небольших размеров, который бы улавливал «закрученный» свет и преобразовывал его в бинарные данные для обработки классическими компьютерными системами.

Как это работает


Решение инженеров из Австралии базируется на КМОП. Устройство улавливает состояния орбитального углового момента световых волн с помощью пленки из теллурида сурьмы (Sb2Te3) толщиной в сто нанометров.

Она используется для генерации так называемых поверхностных плазмон-поляритонов — коллективных возбуждений, вызываемых взаимодействием фотонов и колебаниями электронов. Плазмоны определяют оптические свойства металлов. Если свет ниже плазмонной частоты, то материал будет отражать свет, в противном случае экранирование не произойдет. Эта особенность позволяет плазмон-поляритонам кодировать данные и выступать в роли носителей информации.

Теллурид сурьмы обладает высокими показателями плазмонной частоты, что позволяет считывать спин фотона даже при уровне перекрестных помех (вызываемых влиянием оптоволоконных нитей друг на друга) равном ?20 дБ.

Пока что новую технологию тестируют в стенах университетской лаборатории. Но разработчики отмечают, что на рынок она может выйти уже в ближайшие два года. В RMIT надеются, что их открытие в будущем станет частью квантового интернета. Однако предварительно инженерам придется решить ряд задач.

Сперва нужно доработать тестовый образец и создать полнофункциональные прототипы устройства. Затем важно убедить производителей сетевого оборудования и интернет-провайдеров внедрить новое решение, чтобы провести полевые испытания. Только после этого появится шанс на массовое внедрение технологии. Низкая цена и высокая производительность помогут сделать детектор на базе теллурида сурьмы неотъемлемой частью оптоволокна нового поколения.


/ Flickr / Groman123 / CC BY-SA

Альтернативные оптоволоконные технологии


Компания Corning, где производят кварцевые и оптические волокна, использует для изготовления оптоволокна новое сверхпрозрачное стекло. Этот материал почти не поглощает свет, который проходит по кабелю. За счет этого световые лучи можно передавать на большие расстояния без ретрансляторов, чем при использовании стандартных материалов.

Кабель Corning имеет два слоя: световедущую жилу и ее оболочку. Причем стекло для жилы делают менее чистым по сравнению со стеклом для оболочки, чтобы последняя работала как зеркало — отражала свет и не пускала его наружу. Создатели нового материала надеются, что он станет мировым стандартом уже в ближайшие годы.

Еще одна новая разработка — кабели небольшого диаметра с ультравысокой плотностью оптических волокон от компании Fujikura. В таких кабелях волокна укладываются в специальную трубку из легкого и высокопрочного материала Wrapping Tube Cable, или WTC. Она позволяет «стянуть» и «упаковать» в полтора раза больше жил, чем в обычном оптоволокне.

Километровый WTC-кабель диаметром 11,7 мм весит всего 101 кг, что на 67% меньше веса классической оптики. Авторы проекта заявляют, что малые габариты разработки позволяет сократить расходы на хранение и транспортировку кабеля.

Технология уже нашла применение в Нью-Йорке. Новые кабели подключили устройствам, раздающим Wi-Fi в метро, чтобы пассажиры могли получить доступ к высокоскоростной сети. В планах у разработчиков — проложить WTC-кабели по всему городу.

Перечисленные оптоволоконные технологии находятся пока или на стадии тестирования или раннего прототипа. Поэтому о массовом их внедрении речи пока не идет. Но уже в ближайшее время можно ожидать, что некоторые из них найдут применение в сетевом оборудовании облачных поставщиков и интернет-провайдеров.



P.S. О чем мы пишем в нашем корпоративном блоге:


P.P.S. Пара статей из нашего Хабраблога:

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (25):

  1. AntonSor
    /#19739124

    Можно добавить, что сплав сурьма-теллур (и кадмий-ртуть-теллур) в настоящее время используют в фотоприемниках, но на инфракрасный диапазон. Так что основа для технологии увеличения пропускной способности уже имеется.

  2. I-denis
    /#19739616

    «ВОЛС используют только видимый спектр»…
    только сегодня в стойку смотрел — 1350/1550нм модули стоят. и как то они совсем не очень видимый свет генерят. 850нм это что-то из многомодовых ВОЛС

    • I-denis
      /#19739620

      хотя возможно в магистральных линиях все интереснее

      • MaxDamage
        /#19739870

        Вряд ли, два основных диапазона волс же обусловлены не какими то хотелками, а физическими свойствами стекла.

      • BoogieMan75
        /#19740068

        В магистралях все столь же скучно :) DWDM.
        Но, фраза о «видимом свете» резанула по глазам. И нехватка пропускной способности выглядит как легкий бред…

        • Slavik_Kenny
          /#19741942

          Почему нехватка пропускной способности для вас кажется бредом?
          Существует немало географически удаленных областей, где это весьма актуально.
          Я сам живу за полярным кругом, оптика до нас дотянулась только чуть больше года назад, (и это обошлось весьма не дешево) при этом конечному пользователю максимально доступный канал всего 7 Мб/с (цену даже озвучивать не буду дабы не шокировать :)).

          • BoogieMan75
            /#19742394

            Т.е. вы хотите сказать, что у вас медленный интернет из-за того, что вы столь далеко и протянутой оптике не хватает пропускной способности !?

            • Slavik_Kenny
              /#19742482

              Что-то я не понял, почему вы связали скорость инета с шириной канала?
              Для меня скорость это прежде всего время отклика (пинг, лаг — все по разному это называют), увеличение пропускной способности напрямую на это не влияет.
              Зато это повлияет на скорость скачивания например, видео можно будет смотреть в лучшем качестве и т.д.

              • Karroplan
                /#19742764

                эээ… расшифруйте, что вы сейчас сказали, пожалуйста.
                у канала связи всего две базовых характеристики — пропускная способность и задержка. Задержка равна, грубо — длина провода / скорость света в проводе. и никак это в лучшую сторону не поменять. можно только в худшую.

                • Slavik_Kenny
                  /#19743084

                  пропускная способность и задержка.

                  И я не знаю что из этого BoogieMan75 считает «скоростью интернета».
                  Речь шла про увеличение пропускной способности, нехватку которой он-же считает бредом, я-же просто сказал что в некоторых регионах было бы очень неплохо увеличить ширину канала.
                  О изменении задержек (что наверное и имел ввиду BoogieMan75 под скоростью, во всяком случае только это я могу назвать скоростью интернета) я не говорил ни слова.

                • Alexsandr_SE
                  /#19748904

                  Это мелочи в основном. Есть еще задержка сигнала на оборудовании. Последнее вносит большую часть задержек.

                  • Karroplan
                    /#19748944

                    вы правы лишь в ограниченном количестве случаев.
                    задержка передачи трафика состоит в основном из 3х частей:


                    1. задержка распространения — это как быстро сигнал прбежит все тысячи километров кабеля
                    2. задержка сериализации — это как быстро сигнал из памяти интерфейса попадет в линию. грубо говоря, если тактовая частота несущей сигнала 1кГц, то в линию можно передать лишь 1000бит/сек (пример грубый, не учитывается модуляция, помехоустойчивость)
                    3. задержка на оборудовании. называется она задержкой в очереди, на самом деле. т.к. если линия не перегружена, то и очереди нет и пакет с входного интерфейса очень быстро попадет в выходной.

                    так вот, queueing delay для нормального свитча или роутера около 300-500нс. а вот propogation delay для 50км оптоволокна — 2мс. так что, пардон, но вы правы лишь в ограниченном количестве случаев. для глубинки важно расстояние, а не "задержка на оборужовании".

                    • POPSuL
                      /#19749778

                      А не могли бы вы научно-популярно пояснить, почему на 50км волокна появляется задержка в 2мс? Я почему то всегда считал что тут должны влиять законы физики (скорость света), и за 2мс свет должен проходить около 400км в оптоволокне (если учитывать что в нем скорость света снижается ~30%).

                      • Karroplan
                        /#19749962

                        научно-популярно, учитывая ваши глубокие познания в физике — видимо это важно для вас, раз вы решили заострить на этом внимание, объясняю — да я ошибся, считаю не важным по каким причинам, вы правы свет распростроняется быстрее чем 50км за 2мс.

                        • POPSuL
                          /#19750262

                          Увы, мои познания в физике очень и очень плохие. Поэтому и попросил уточнить потому что посчитал что мои «рассчеты» видимо не правильные.

        • Virtual77
          /#19742430 / +1

          почему нехватка то бред? посмотрите статистику IX в москве 2011г среднегодовой траффик был около 500Гбит/с сейчас около 2Тб/с

          • BoogieMan75
            /#19743168

            там про wi-fi написано, при чем в метро

  3. MaxDamage
    /#19739912

    Так и как это работает, в чем преимущество перед классическими де/модуляторами? Он быстрее/более чувствительный или что-то еще?

    Причем стекло для жилы делают менее чистым по сравнению со стеклом для оболочки, чтобы последняя работала как зеркало — отражала свет и не пускала его наружу.
    Имеется ввиду, что допировали не оболочку, а сердцевину?

    • willyd
      /#19739940

      Используется разделение каналов по орбитальному угловому моменту. Сначала происходит модуляция каждого канала, затем мультиплексирование с помощью "скручивания".

  4. sim31r
    /#19739922

    Технология уже нашла применение в Нью-Йорке. Новые кабели подключили устройствам, раздающим Wi-Fi в метро, чтобы пассажиры могли получить доступ к высокоскоростной сети. В планах у разработчиков — проложить WTC-кабели по всему городу.

    Wi-Fi роутеры вроде бы не требуют нового оптоволокна, так как главное ограничение конечный частотный диапазон, хватит и стандартного с многократным запасом.
    Ценность, как я понимаю, для магистральных линий, межконтинентальных, несколько процентов снижения стоимости обернутся миллиардными прибылями.

  5. stalinets
    /#19744242

    Во-первых, мне очень интересно, как это будет работать на многочисленных сростках и мех.соединениях оптического волокна.
    Я знаю, что и с существующими сегодня DWDM на 100G у провайдеров возникают проблемы. Несколько механических коннекторов в линии или пара плохих сварок — и всё, связь не поднимается.
    С этим борются как получится.
    Один оператор сделал изврат в виде транзитного проваривания пары волокон от кросса до кросса, чтобы избежать механических соединений. Надо ли говорить, что это грязный хак и обслуживаемость такой линии падает.
    Другой оператор поставил на эти волокна хитрые пигтейлы, адаптеры и патч-корды редкого и дорогого стандарта E2000, да ещё и E2000/APC (с косой полировкой). Да, оно работает, вот только каждый такой пигтейл, патч-корд или розетка стоит около 1000...2000 рублей и доступен только в крупных городах, и в основном под заказ.

    Это я к тому, какие проблемы создаёт уже существующая быстрая технология.
    А что будет при внедрении этой системы?

    Ну и во-вторых, в статье немало неточностей.

    В движении свет отражается от стенок волокна, по этой причине можно сказать, что информация передается как бы в двумерном пространстве.
    Вообще-то в одномодовом волокне, каких на магистралях сейчас 100%, распространяется только одна мода сигнала. Это не похоже на «зеркальную трубку», где свет просто отражается от стенок.

    Компания Corning, где производят кварцевые и оптические волокна, использует для изготовления оптоволокна новое сверхпрозрачное стекло. Этот материал почти не поглощает свет, который проходит по кабелю. За счет этого световые лучи можно передавать на большие расстояния без ретрансляторов, чем при использовании стандартных материалов.
    Ну это звучит как-то несерьёзно. В любые времена, начиная с конца 80-х, можно было написать, что «учёные изобрели новое сверхчистое стекло, которое пропускает почти весь свет и позволяет передавать на большее расстояние». Где конкретика — про смещённую дисперсию, уменьшенные поляризационно-модовые искажения, новые окна прозрачности волокна, новые гибкие волокна, в которых загиб не вызывает больших потерь, и прочие подробности?

    Кабель Corning имеет два слоя: световедущую жилу и ее оболочку. Причем стекло для жилы делают менее чистым по сравнению со стеклом для оболочки, чтобы последняя работала как зеркало — отражала свет и не пускала его наружу.

    То же самое. На уровне новости для утренней передачи на радио для домохозяек.
    Как минимум — не менее чистое стекло, а с другим показателем преломления, за счёт этого и происходит полное отражение. И в чём новизна, если это с 80-х годов работает, разве что поначалу был многомод с толстым сердечником (ступенчатым или градиентным), а сейчас почти везде одномод с тонким сердечником (9 мкм сердечник, 125 мкм внешнее стекло)?

    • BoogieMan75
      /#19744966

      Вы описываете проблему именно DWDM 100G? Т.е. на скоростях 10G они отсутствуют !?

      • click0
        /#19747968

        Присутствует, только не так заметно. На 10G больше шансов подняться линии, чем на 100G.

      • stalinets
        /#19748542

        Я затрудняюсь сказать, какое именно оборудование было на описанных линиях, что я видел и сам проваривал: я работаю в обслуживании самого волокна, устраняю аварии, делаю объезды, измерения и т.п. А в железе провайдера не особо разбираюсь (если сильно понадобится — можно, конечно, загуглить по названию блоков, но обычно не до того).

        • BoogieMan75
          /#19748760

          Вот вы займитесь самообразованием в этом смысле (для гугла платформа Т8)