Ein besseres Rückgrat aufbauen

Auf einer riesigen Leinwand im Corning Museum of Glass im Bundesstaat New York blitzen Videobilder neben Nachrichtenmaterial eines Krieges, einer Einweihung, einer Weltraumaufnahme, einer Spielshow auf – zusammen mit Echtzeitprojektionen von Museumsbesuchern, die staunend in die Höhe blicken. Die Quelle all dieser Bilder? Ein Glasstrang, dünner als ein menschliches Haar, aber breit genug, um mehr Informationen zu transportieren als drei Millionen Kupferdrähte, die Technologie, die er ersetzte. Corning prahlt zu Recht mit seiner Erfindung: Die Lichtwellenleitertechnik gilt als eines der technischen Wunderwerke des 20. Jahrhunderts.

Schade, dass wir ständig neue Wunder brauchen, um mit den unersättlichen Netzwerkanforderungen Schritt zu halten, die dieses Jahrhundert an diese dünnen Glasfasern stellt. Glasfaser ist schließlich eine Pre-Web-Technologie; und ein Großteil der Glasfaser, die neben Telefongesprächen auch die heutigen E-Mail-Nachrichten, Musikdownloads und Videostreams transportiert, wurde installiert, bevor die meisten Menschen überhaupt von diesen Medien wussten. Was früher wie eine schamlose Kapazitätsverschwendung schien, scheint jetzt erbärmlich unzulänglich. Unser Appetit auf Bandbreite wächst exponentiell und ohne Anzeichen einer Verlangsamung. Tracey Vanik, Technical Director beim Telekommunikations-Beratungsunternehmen RHK, vergleicht das Internet mit den unersättlichen Borg von Star Trek: Was auch immer Bandbreite zur Verfügung gestellt wird, das Internet wird schlucken.

Glasfasern von Corning, Lucent Technologies und anderen großen Telekommunikationsanbietern sind im gesamten Telekommunikationssystem zu finden und verbinden uns, wenn wir auf unseren Lieblingswebsites surfen oder nach Tokio telefonieren. Aber ein Großteil der Spitzenforschung, die heute zu Glasfasern betrieben wird, fließt in die Verbesserung der Kapazität des Rückgrats des Systems: die fetteste der fetten Datenleitungen, die Daten über Kontinente hinweg senden und urbane Zentren verbinden.



Rückgrat ist eine bequeme Metapher – aber sie vermittelt ein zu sauberes Bild. Ein Wirbeltierorganismus hat ein einzelnes Rückgrat, das Telekommunikationssystem jedoch nicht; kein einzelnes Unternehmen besitzt diese hochkapazitiven Überlandkabel, und kein Unternehmen stellt sicher, dass es der Herausforderung gewachsen ist, den weltweiten Bandbreitenbedarf zu decken. In einigen Fällen werden Telekommunikationsunternehmen - die WorldComs und Sprints und AT&Ts der Welt - versuchen, stark frequentierte Strecken mit ihren eigenen Kabeln abzudecken, indem sie spaghettiartige Stränge parallel zueinander entlang von Autobahn- und Eisenbahnvorfahrtswegen verlegen und Metropolregionen miteinander verbinden Schleifen über Kontinente und Ozeane. In anderen Fällen leasen Netzbetreiber Glasfaserkabel von anderen Netzbetreibern; tatsächlich sind einige Netzbetreiber ausschließlich im Leasinggeschäft von Backbone-Kapazität tätig.

Alle Carrier stehen jedoch vor der gleichen Herausforderung: wie man der Bandbreitennachfragekurve einen Schritt voraus ist. Untersuchungen bei Corning und anderswo zeigen, dass jede Leistungssteigerung ihren Preis hat; Der Aufbau eines besseren Rückgrats scheint eine Frage der Wahl der richtigen Kompromisse zu sein.

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Optik aufpeppen

Die einfachste Lösung zur Versteifung des Backbones besteht darin, einfach mehr Kabel zu verlegen. Das ist aber auch die teuerste Alternative: Bis zu 40 Prozent der Kosten einer Glasfaseranlage fließen in den Kauf von Wegerechten, Genehmigungen und Kabelverlegung. (Es ist ein alter Witz in Telekommunikationsunternehmen, dass sie gerne auf neue Technologien verzichten würden, wenn ihnen jemand nur zeigen würde, wie man einen billigeren Graben gräbt.)

Zwei andere Möglichkeiten zur Erhöhung der Kapazität vermeiden das Aufgraben der Straßen und verlassen sich stattdessen auf die hochmoderne Ausrüstung, die in den Telefonbüros installiert ist, an denen die Glasfaserstränge enden. Ingenieure können Methoden entwickeln, um die Anzahl der Informationskanäle zu erhöhen, die jeder Glasfaserstrang übertragen kann. Oder sie können Wege entwickeln, um die Datenübertragung über jeden Kanal zu beschleunigen.

Beide Ansätze vermeiden die enormen Kosten für die Installation neuer Leitungen. Aber jede Strategie ist knifflig, da Verbesserungen in einem Bereich oft zu Problemen in einem anderen führen. Es gibt einen starken Kompromiss zwischen Entfernung und Kapazität, sagt Roe Hemenway, Leiter der Netzwerkausrüstungsforschung bei Corning. Je weiter Sie gehen, desto geringer ist die Kapazität. Wir werden aufgefordert, mehr Kapazität auf die Glasfaser zu legen, größere Entfernungen zurückzulegen und dies in noch höherer Qualität zu tun.

Hemenway arbeitet im Labor von Cornings Sullivan Park Research and Development Facility im Bundesstaat New York, wo Regale Reihen von Metallkisten enthalten, von denen jede ein Laser ist, der einen Infrarotstrahl erzeugt. Die Strahlen laufen durch Modulatoren und Multiplexer, Verstärker und Filter und durchlaufen immer wieder dieselbe Schleife von Glasfaserkabeln, um die Entfernung zu simulieren, ähnlich wie ein digitaler Rennwagen auf der Datenautobahn-Version einer Teststrecke. Am Ende des Systems zeigt ein Computerbildschirm die Anzahl der Fehler an, die während des Laufs erzeugt wurden, und ein Oszilloskop zeigt grafisch an, ob das Signal scharf oder verschwommen war.

Das Setup ermöglicht es den Ingenieuren von Corning, zu testen, wie sich jede Komponente auf die Signalübertragung auswirkt und was eine Änderung an einer Komponente auf das System als Ganzes auswirkt. Dieser Ansatz ist für das Design von Glasfasern von entscheidender Bedeutung, da jede Lösung, die sich zur Steigerung der Effizienz von Glasfasern entwickelt, wahrscheinlich eine Reihe von Technologien umfasst, von denen sich jede auf die andere auswirken kann.

In den letzten sechs Jahren haben sich die Übertragungsgeschwindigkeiten in den Laboren für die schnellsten Glasfasern vervierfacht, in diesem Jahr wird eine weitere Vervierfachung erwartet. Die drängendste Frage ist, ob trotz aller Kompromisse die derzeitige Verbesserungsrate beibehalten werden kann. Ich könnte Ihnen eine Macho-Antwort geben, dass wir die Faser weiter verbessern werden, aber ehrlich gesagt weiß ich es nicht, sagt Joseph Antos, Technologiedirektor für Faserentwicklung bei Corning. Jede neue Erfindung [um die Kapazität zu erhöhen] wird schwieriger und schwieriger.

Mehr Kanäle pro Glasfaser

Die Daten werden über eine optische Faser durch eine Reihe von Lichtimpulsen von einem Laser transportiert, wobei die Auss und Eins den Einsen und Nullen der digitalen Codierung entsprechen. Faseroptische Systeme nutzen das Lichtspektrum, das am effizientesten durch das Glas wandert, Wellenlängen zwischen etwa 1.300 und 1.600 Nanometern. Außerhalb dieser Wellenlängen wird Licht entweder absorbiert und verloren oder zu weit gestreckt, um ein brauchbares Signal zu erzeugen. Und vom verfügbaren Spektrum findet die meiste Übertragung im sogenannten Zentralband zwischen 1.530 und 1.565 Nanometern statt.

Durch die Aufteilung des Signals in verschiedene Wellenlängen, während ein Prisma die Farben, aus denen weißes Licht besteht, trennt, können Ingenieure mehr als einen Lichtstrom gleichzeitig entlang einer Faser senden. Frühe Implementierungen teilten das Licht in vier oder acht separate Kanäle, wobei jede Faser etwa 10 Gigabit bis 10 Milliarden Bits pro Sekunde transportierte. Heutzutage können einige Systeme 80 Kanäle im Zentralband übertragen und sind in der Lage, mehr als eine halbe Billion Bits pro Sekunde über eine einzelne Faser zu übertragen.

Die Anzahl der Kanäle, die in das zentrale Band gequetscht werden können, ist jedoch begrenzt. Wie nahe beieinander liegende Sender in Ihrem Autoradio verursachen zu nahe kommende Kanäle Interferenzen. Im Radio hörst du vielleicht Alles in Betracht gezogen und plötzlich bekommen die Backstreet Boys-oder Statik. Das gleiche passiert mit optischen Signalen. Um Interferenzen zu reduzieren, benötigen Systeme nach dem gegenwärtigen Stand der Technik eine Pufferzone von etwa 50 Gigahertz (ein Maß für die Frequenz von einer Milliarde Zyklen pro Sekunde) zwischen den Kanälen.

Als Ergebnis dieser Beschränkungen ist das Zentralband jetzt im Wesentlichen voll, und Ingenieure versuchen, Kanäle hinzuzufügen, indem sie sich aus dem zentralen Teil des Spektrums und in Neuland bewegen.

Neue Wege gehen

Um neue Teile des Spektrums – außerhalb des Zentralbands – nutzbar zu machen, müssen Forscher neue Versionen von Geräten entwickeln, die dabei helfen, Signale über Glasfasern zu übertragen. Nehmen Sie die Verstärker, die helfen, Signale zu verstärken, die Energie verlieren, wenn sie zwischen den Wänden des Kernabschnitts der Faser hin und her springen. Um sie wieder aufzupumpen, könnten Ingenieure Geräte verwenden, die als Erbium-dotierte Faserverstärker bekannt sind. Dies sind im Wesentlichen Schleifen aus Fasern, die mit dem Seltenerdelement Erbium verbunden sind. Ein Laser regt die Erbiumatome an, die ihre Energie auf das optische Signal übertragen, das den Verstärker passiert, wodurch die Reichweite vergrößert wird. Ohne Verstärkung würden Hochgeschwindigkeitssignale nicht weit genug reisen, um nützlich zu sein.

Jüngste Entwicklungen ermöglichen es diesen Verstärkern, im längerwelligen Bereich von 1.570 bis 1.625 Nanometern zu arbeiten, was einen neuen Teil des Spektrums hinzufügt, aus dem zusätzliche Datenkanäle herausgeschnitten werden können. Lucent Technologies zum Beispiel hat ein System auf den Markt gebracht, das 80 Kanäle in das Zentralband quetscht und Erbium-Verstärker nutzt, um weitere 80 Kanäle im Langwellenbereich hinzuzufügen, wodurch die Kapazität jeder Faser verdoppelt wird.

Jedes Mal, wenn ein Signal durch einen Erbium-Verstärker läuft, nimmt er jedoch Rauschelemente auf, die nicht Teil des ursprünglichen Signals waren. Über Langstrecken-Backbones, wo ein Signal viele Male verstärkt werden muss, müssen Glasfasersysteme mit Regeneratoren aufgereiht werden, Geräten, die Signale rekonstruieren, die so viele Verstärker durchlaufen haben, dass sie sich verschlechtert haben. Regeneratoren nehmen ein Lichtsignal auf, wandeln es in ein elektrisches Signal um und erzeugen dann einen neuen Lichtstrahl.

Eine neue Technik namens Raman-Amplifikation ( sehen Fünf Patente im Auge behalten: Booster Shots , TR Mai 2001 ) wird die Verstärkung eines Signals ohne die Einführung von Rauschen ermöglichen, wodurch Regeneratoren überflüssig werden und Ingenieuren möglicherweise eine neue Möglichkeit eröffnet wird, die Kapazität zu erhöhen. Im Gegensatz zu Erbium-Verstärkern, die nur bei bestimmten Wellenlängen arbeiten, verspricht die Raman-Verstärkung, noch mehr neue Kanäle zur Verfügung zu stellen. Ein neues Unternehmen, Xtera aus Allen, TX, hofft, die Raman-Verstärkung nutzen zu können, um die Übertragung von Licht mit kürzeren Wellenlängen über große Entfernungen zu ermöglichen, als aktuelle optische Netzwerke unterstützen können. Es ist eine neue Wendung bei der Verwendung von Raman-Techniken, sagt Joe Oravetz, Produktmanager von Xtera, der das erste neue Produkt des Unternehmens auf der Optical Fiber Communication Conference and Exhibit im März in Anaheim, Kalifornien, vorstellte.

Die Nutzung des kürzeren Wellenlängenbands ist jedoch eine ausgesprochen langfristige Strategie, da an jedem Punkt des Netzes neue Geräte installiert werden müssen. Wenn man in ein neues Band einsteigt, muss man alle Komponenten austauschen, sagt Vladimir Kozlov, Analyst bei RHK. Sie brauchen neue Quellen. Du brauchst neue Verstärker. Es könnte sehr teuer werden.

Bits beschleunigen

Eine Alternative zum Hinzufügen von Kanälen besteht darin, den Datenstrom in jedem Kanal schneller fließen zu lassen. So wie die Modems in den Häusern der Menschen schneller geworden sind, haben die Sender im Backbone ihre Fähigkeit zum Pumpen von Daten erhöht, von 100 Millionen Bits pro Sekunde vor einem Jahrzehnt auf heute 10 Milliarden Bits (10 Gigabit) pro Sekunde heute.

Während AT&T im Januar eine Pressemitteilung veröffentlichte, in der das erste 10-Gigabit-pro-Sekunde-Coast-to-Coast-Internetprotokoll-Backbone angekündigt wurde, ist dies bereits eine alte Nachricht: 40-Gigabit-pro-Sekunde-Systeme wurden bereits von Lucent Technologies, Fujitsu und . angekündigt NEC wird noch in diesem Jahr zum Verkauf angeboten. Die technischen Leistungen, die mit solchen Fortschritten verbunden sind, sind enorm: Die Erhöhung der Datenrate erforderte Ingenieure, um Laser zu entwickeln, die 40 Milliarden Mal pro Sekunde zuverlässig ein- und ausblitzen können, und Empfänger, die einen Blitz aus dem nächsten auswählen können, wenn sie kommen in dieser überwältigenden Geschwindigkeit.

Aber der Name des Spiels im Backbone bleibt Kompromisse, und die Beschleunigung der Übertragungsraten führt zu neuen Komplikationen: Mehr Bits pro Sekunde in eine Faser zu bringen erfordert mehr Leistung, und bei höheren Leistungen nimmt die Interferenz zwischen den Kanälen zu. Außerdem beginnen bei diesen bemerkenswerten Geschwindigkeiten winzige Fehler im Glas selbst den Datenfluss zu stören.

Ingenieure, die auf Geschwindigkeit setzen, müssen solche Effekte kompensieren, indem sie die Pufferzone des ungenutzten Spektrums zwischen den Kanälen vergrößern: Eine Leitungsgeschwindigkeit von 40 Gigabit pro Sekunde kann beispielsweise Puffer von 100 Gigahertz zwischen den Kanälen anstelle von 50 Gigahertz erfordern. Die Rechnung ist immer noch günstig: Die Fasern liefern bei vierfacher Geschwindigkeit die Hälfte der Kanäle und verdoppeln die Kapazität.

Bei der Verbesserung der Übertragungsraten im Backbone steht jedoch so viel auf dem Spiel, dass es für jedes Hindernis Teams von Ingenieuren gibt, die daran arbeiten, es zu überwinden. Wissenschaftler der Public Networks Group von NEC America arbeiten an einer Möglichkeit, Kanäle selbst bei hohen Geschwindigkeiten zusammenzudrücken, indem sie sich die Tatsache zunutze machen, dass Licht polarisiert ist. Stellen Sie sich vor, Sie bewegen ein Springseil schnell auf und ab, um Wellen zu schlagen, die sich zur Decke und zum Boden hin bewegen. Solche Wellen wären vertikal polarisiert. Beginnen Sie nun, das Springseil von einer Seite zur anderen zu bewegen, damit sich die Wellen in Richtung der Wände bewegen. Dein Springseil ist horizontal polarisiert. Der NEC-Ansatz teilt einen Lichtstrahl in 160 Kanäle mit einem Abstand von jeweils 50 Gigahertz auf und gibt benachbarten Kanälen unterschiedliche Polarisationen. Zwei Kanäle mit gleicher Polarisation liegen also noch 100 Gigahertz auseinander. Während benachbarte Kanäle sich wahrscheinlich gegenseitig stören, wenn sie die gleiche Polarisation haben, ist dies bei Kanälen mit unterschiedlichen Polarisationen nicht der Fall. Ein solcher Ansatz wird die Gesamtkapazität pro Faser auf 6,4 Billionen Bit (6,4 Terabit) pro Sekunde steigern und wird voraussichtlich in zwei bis drei Jahren verfügbar sein.

Und in Laboren weltweit werden Verbesserungen fortgesetzt. Im März gaben Forscher des französischen Unternehmens Alcatel, das Glasfasern und Komponenten sowohl für landgestützte als auch für unterseeische optische Systeme entwickelt, bekannt, dass sie ein System entwickelt haben, das 10,2 Terabit pro Sekunde erreicht. Ebenfalls im März kündigten Forscher von NEC ein Experiment an, bei dem sie Verstärker optimierten, um Zugang zu einem breiteren Wellenlängenband zu erhalten und die Übertragungsraten auf 10,9 Terabit pro Sekunde zu erhöhen.

Oder graben Sie einen Graben

Alle diese technologischen Entwicklungen stehen natürlich vor dieser Herausforderung: Wie kann die Leistung gegenüber Linien, die normalerweise viele Jahre zuvor entworfen, hergestellt und installiert wurden, weiter verbessert werden. Die ersten Glasfaserleitungen in einem öffentlichen Netz wurden 1977 unter der Innenstadt von Chicago installiert. Heute wird der größte Teil des weltweiten Fernverkehrs über Glasfaserkabel transportiert - mehr als 370 Millionen Kilometer davon, alles zuvor konstruiert die heutigen Durchbrüche in den Labors. Irgendwann kommt man nicht umhin, einen neuen Graben auszuheben.

Ist die Entscheidung jedoch gefallen, neue Fasern zu verlegen, ergeben sich neue Möglichkeiten, ihre Kapazität zu erhöhen. Die Faserstränge selbst haben sich für immer größere Kapazitäten entwickelt. Heute ist die von Lucent Technologies erfundene und sowohl von Lucent als auch von Corning vertriebene Faser ohne Null-Dispersion der Stand der Technik. Diese Faserversion erweitert den Bereich, durch den ein Signal wandert, wodurch es mehr Raum für die Ausbreitung erhält und Überlappungen reduziert werden. Wenn Sie eine Wasserpfeife haben und mehr Wasser hineingießen möchten, können Sie dies tun, indem Sie den Bereich der Pfeife erweitern, und genau das macht [diese Technologie] im Wesentlichen, sagt Antos von Corning.

Die Optiktechnologie der nächsten Generation kann das Glas vollständig loswerden. Mehrere Forschungsgruppen arbeiten daran, aus neuen Materialien, den sogenannten Photonic-Band-Gap-Kristallen ( sehen Die nächste Generation optischer Fasern , TR Mai 2001 ). Solche Kristalle haben eine atomare Struktur, die es physikalisch unmöglich macht, dass Licht durchdringt oder absorbiert wird, so dass Licht, das auf das Innere einer Faser trifft, in den Kern zurückprallt. Doug Allen, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Corning, der an der Entwicklung eines solchen Materials arbeitet, schlägt vor, dass der Kern mit Luft oder vielleicht einem Inertgas gefüllt werden könnte. Durch das Eliminieren von Glas und seinen verzerrenden Effekten, sagt er, können Sie mehr Wellenlängen senden, ohne sich Sorgen machen zu müssen, dass sie sich gegenseitig stören.

All diese Neuentwicklungen haben die Forschung im Labor weit über das hinaus getrieben, was derzeit vor Ort verfügbar ist. Wenn der Backbone nur mit Entwicklungen ausgestattet wäre, die gerade in Labors demonstriert werden – die 160 Kanäle über jeden Strang übertragen können, bei 40 Gigabit pro Sekunde – könnte die Bandbreite, die wir derzeit in einem Monat verbrauchen, in weniger als einer Sekunde über unsere Netzwerke übertragen werden. Dann werden weit verstreute Ideen Wirklichkeit, von holografischen 3D-Videokonferenzen, die das reale Leben nachahmen, über Fernchirurgie bis hin zum sofortigen Zugriff auf Bücher, die in jeder Bibliothek der Welt aufbewahrt werden.

Was jedoch noch zu klären ist, ist die Wirtschaftlichkeit eines solchen Netzwerks: Wann wird es wirtschaftlich sein, diese Entwicklungen umzusetzen? In einem so großen Gebiet wie dem öffentlichen Kommunikationsnetz brauchen selbst kleine Upgrades Jahrzehnte, um universell eingesetzt zu werden. Theodore Vail, dem ersten Präsidenten von AT&T, gelang es nur, das weltweit erste hochmoderne öffentliche Netzwerk aufzubauen, indem er den Kongress dazu brachte, sein Unternehmen zum natürlichen Monopol zu erklären. Das wird diesmal nicht passieren.

Raj Reddy, Professor für Informatik an der Carnegie Mellon University und Direktor des High Speed ​​Connectivity Consortium, einem vom US-Verteidigungsministerium finanzierten Programm, bleibt dennoch optimistisch, dass ein Netzwerk mit sehr hoher Bandbreite unvermeidlich ist – das wir eines Tages haben werden Always-on-All-you-can-eat-Bandbreite, so leicht zugänglich wie das Telefonsystem heute ist. In 30 Jahren wird es definitiv passieren, sagt er. [Aber] was müssen wir tun und was müssen wir ausgeben, um es in fünf zu schaffen?

Und das ist die Frage, die trotz der Legionen von Faseroptik-Ingenieuren, die sich der Entdeckung der technologischen Wunderwerke widmen, die unsere Netze der nächsten Generation antreiben werden, darauf wartet, beantwortet zu werden. Aber angesichts des bemerkenswerten Spektrums an Spitzenarbeit, die am Backbone geleistet wird, wird die Kapazität zweifellos weiterhin am schnellsten steigen.

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