I cavi in fibra ottica costituiscono la spina dorsale delle comunicazioni moderne, trasportando dati e telefonate attraverso i paesi e sotto gli oceani. Ma una domanda in continua espansione di dati, dai film in streaming alle ricerche su Internet, sta facendo pressione su quella rete, perché ci sono limiti alla quantità di dati che possono essere spinti attraverso i cavi prima che il segnale si degradi e che i nuovi cavi sono costosi da costruire.
Contenuto relativo
- I ricercatori hanno finalmente capito come fermare le batterie al litio dalla combustione spontanea
- La FCC ha appena votato per preservare la neutralità della rete
Ora un team dell'Università della California, San Diego, potrebbe avere una soluzione prendendo in prestito una tecnica utilizzata in altri campi come strumento di misurazione: il pettine di frequenza. Questi dispositivi basati su laser hanno permesso al team di rimuovere le distorsioni che di solito compaiono prima che il segnale arrivasse alla fine di un cavo. I ricercatori hanno inviato i dati più che mai — 7.456 miglia — senza la necessità di aumentare il segnale lungo il percorso.
Se la loro tecnica sperimentale regge nel mondo reale, i cavi in fibra ottica avrebbero bisogno di meno ripetitori costosi per mantenere forti i segnali. Inoltre, una maggiore stabilità del segnale all'interno di un flusso di dati significherebbe che più canali potrebbero essere inseriti in una singola trasmissione. In questo momento, un compromesso fondamentale nelle fibre ottiche è la quantità maggiore di dati che si desidera trasmettere, minore è la distanza che è possibile inviarli.
I segnali in fibra ottica sono semplicemente luce codificata, generata da un laser o da un LED. Questa luce viaggia attraverso sottili cavi di vetro, riflettendosi dalle loro superfici interne fino a quando non esce dall'altra estremità. Proprio come le trasmissioni radio, un raggio laser avrà una certa larghezza di banda, o gamma di frequenze, copre, e un tipico filo di cavo in fibra ottica può trasportare più di un canale di larghezza di banda.
Ma i segnali non possono viaggiare per sempre e sono ancora decodificati a causa dei cosiddetti effetti non lineari, in particolare l'effetto Kerr. Perché la fibra ottica funzioni, la luce all'interno della fibra deve rifrangere o piegarsi di una certa quantità mentre viaggia. Ma i campi elettrici alterano la quantità di vetro che piega la luce e la luce stessa genera un piccolo campo elettrico. Il cambiamento nella rifrazione significa che ci sono piccoli cambiamenti nella lunghezza d'onda del segnale trasmesso. Inoltre, ci sono piccole irregolarità nel vetro della fibra, che non è un riflettore assolutamente perfetto.
Le piccole variazioni della lunghezza d'onda, chiamate jitter, si sommano e causano dialoghi incrociati tra i canali. Il jitter appare casuale perché una trasmissione in fibra ottica trasporta dozzine di canali e l'effetto su ciascun canale è leggermente diverso. Poiché l'effetto Kerr è non lineare, matematicamente parlando, se c'è più di un canale non puoi semplicemente sottrarlo, il calcolo è molto più complesso e quasi impossibile per le apparecchiature di elaborazione del segnale di oggi. Ciò rende i nervosismi difficili da prevedere e correggere.
"Ci siamo resi conto che la sfocatura, anche se così leggera, fa apparire il tutto come se non fosse deterministico", afferma Nikola Alic, ricercatrice dell'Istituto Qualcomm dell'UCSD e uno dei leader del lavoro sperimentale.
Nell'attuale configurazione in fibra ottica, le frequenze dei canali devono essere sufficientemente distanti da evitare che jitter e altri effetti di rumore si sovrappongano. Inoltre, poiché il jitter aumenta con la distanza, l'aggiunta di più potenza al segnale amplifica solo il rumore. L'unico modo per gestirlo è mettere sul dispositivo dispositivi costosi chiamati ripetitori per rigenerare il segnale e ripulire il rumore; un tipico cavo transatlantico ha ripetitori installati ogni 600 miglia circa, ha detto Alic, e ne hai bisogno uno per ogni canale .
I ricercatori dell'UCSD si sono chiesti se potevano trovare un modo per rendere il jitter meno casuale. Se sapessero esattamente quanto cambierebbe la lunghezza d'onda della luce in ogni canale, allora potrebbero compensarla quando il segnale arriva a un ricevitore. È qui che è arrivato il pettine di frequenza. Alic dice che l'idea gli è venuta dopo anni di lavoro in campi correlati con la luce. "È stata una specie di momento di chiarezza", afferma. Un pettine di frequenza è un dispositivo che genera luce laser a molte lunghezze d'onda molto specifiche. L'uscita sembra un pettine, con ogni "dente" a una data frequenza e ogni frequenza un multiplo esatto di quelli adiacenti. I pettini vengono utilizzati nella costruzione di orologi atomici, in astronomia e persino nella ricerca medica.
Alic e i suoi colleghi hanno deciso di scoprire cosa sarebbe successo se avessero usato un pettine di frequenza per calibrare i segnali in fibra ottica in uscita. Lo paragona a un direttore che suona un'orchestra. "Pensa al conduttore che usa un diapason per dire a tutti qual è la A centrale", dice. Il team ha creato sistemi in fibra ottica semplificati con tre e cinque canali. Quando usarono il pettine per calibrare le lunghezze d'onda del segnale in uscita, trovarono ancora jitter, ma questa volta tutti i canali stavano tremando allo stesso modo. Tale regolarità ha permesso di decodificare il segnale e inviarlo a una distanza record senza ripetitori. "Rende deterministico il processo", afferma Alic, il cui team riporta i risultati questa settimana su Science .
Sethumadhavan Chandrasekhar, illustre membro dello staff tecnico della società di telecomunicazioni globale Alcatel-Lucent, è uno dei tanti scienziati che hanno lavorato sul problema del jitter in fibra ottica per diversi anni. Il suo lavoro pubblicato prevede la trasmissione di segnali coniugati in fase, due segnali esattamente sfasati di 180 gradi l'uno con l'altro. Questa configurazione significa che uno qualsiasi degli effetti non lineari che causano il rumore verrà annullato.
Il lavoro dell'UCSD è importante, ma non è ancora una soluzione completa, afferma Chandrasekhar. "Ciò che manca è che la maggior parte dei sistemi ora ha una doppia polarizzazione", afferma, il che significa che i sistemi aumentano la capacità inviando segnali luminosi polarizzati in modo diverso. "La maggior parte dei sistemi oggi trasmettono informazioni nei due stati di polarizzazione della luce e il team UCSD deve dimostrare che la loro tecnica funziona anche in un simile scenario di trasmissione", afferma.
Alic afferma che la prossima serie di esperimenti del team affronterà proprio questo problema. Finora, pensano che questa tecnica possa essere adattata per l'uso nel mondo reale, anche se richiederà la costruzione e la distribuzione di nuovo hardware, che richiederà tempo. In entrambi i casi, aumentare la portata dei segnali consentirà un accumulo molto più aggressivo, producendo più dati e più distanza senza preoccupazioni per la perdita del segnale. "Non c'è motivo di avere più paura", dice.
