光ファイバーケーブルは、現代の通信のバックボーンを構成し、国や海の下でデータと電話を運びます。 しかし、ストリーミングムービーからインターネット検索に至るまで、データに対する需要は拡大の一途をたどっています。そのため、信号が劣化する前にケーブルを介してプッシュできるデータ量に制限があり、新しいケーブルの構築に費用がかかります。
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現在、カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームは、測定ツールとして他の分野で使用されている技術である周波数コムを借用することで解決策を得るかもしれません。 これらのレーザーベースのデバイスにより、チームは信号がケーブルの終端に到達する前に通常現れる歪みを除去することができました。 研究者は、途中で信号をブーストする必要なしに、これまでにない7, 456マイルのデータを送信しました。
それらの実験技術が現実の世界で維持されている場合、光ファイバーケーブルは信号を強く保つために高価なリピーターが少なくて済みます。 さらに、データストリーム内の信号の安定性が高いと、より多くのチャネルを1回の送信に詰めることができます。 現在、光ファイバーの基本的なトレードオフは、送信するデータが多いほど、送信できる距離が短くなることです。
光ファイバー信号は、レーザーまたはLEDによって生成される単純にエンコードされた光です。 この光は細いガラスケーブルを伝わり、反対側から出るまで内面から反射します。 ラジオ放送と同じように、レーザービームには一定の帯域幅または周波数範囲があり、カバーする光ファイバーケーブルの典型的なストランドは、複数の帯域幅チャネルを伝送できます。
しかし、信号は、いわゆる非線形効果、特にカー効果のために、永遠に移動することはできず、依然としてデコードされます。 光ファイバーが機能するためには、ファイバー内の光は、進行するにつれて一定量だけ屈折または曲げる必要があります。 しかし、電場はガラスが光を曲げる程度を変え、光自体は小さな電場を生成します。 屈折の変化は、送信信号の波長にわずかな変化があることを意味します。 さらに、ファイバーのガラスには小さな不規則性がありますが、これは完全な反射体ではありません。
ジッタと呼ばれる小さな波長の変化が加算され、チャネル間のクロストークが発生します。 光ファイバー伝送は数十のチャネルを伝送するため、ジッタはランダムに見え、各チャネルへの影響は少し異なります。 カー効果は数学的には非線形であるため、複数のチャンネルがある場合、それを差し引くことはできません。計算ははるかに複雑で、今日の信号処理機器ではほとんど不可能です。 そのため、ジッターの予測と修正が困難になります。
「私たちは、あいまいさは非常にわずかであるため、全体が決定論的ではないように見えることを認識しました」と、UCSDのクアルコム研究所の実験科学者であるニコラアリックは言います。
現在の光ファイバーのセットアップでは、チャネル周波数は、ジッターやその他のノイズ効果によってオーバーラップしないように十分に離れている必要があります。 また、距離とともにジッタが増加するため、信号に電力を追加してもノイズが増幅されるだけです。 それに対処する唯一の方法は、リピータと呼ばれる高価なデバイスをケーブルに配置して信号を再生し、ノイズをクリーンアップすることです。典型的な大西洋横断ケーブルには、リピータが600マイルごとに設置されています、とチャネルごとに1つ必要です。
UCSDの研究者は、ジッターをランダムに見せる方法を見つけることができるかどうか疑問に思いました。 すべてのチャネルの光の波長がどれだけ変化するかを正確に知っていれば、信号が受信機に到達したときにそれを補償できます。 そこで周波数コムが登場しました。アリックは、光を使って関連分野で長年働いてきた後にこのアイデアが彼に伝わったと言います。 「それは一種の明確な瞬間でした」と彼は言います。 周波数コムは、非常に多くの特定の波長でレーザー光を生成するデバイスです。 出力は櫛のように見え、各「歯」は特定の周波数で、各周波数は隣接する周波数の正確な倍数です。 くしは、原子時計の構築、天文学、さらには医学研究で使用されます。
アリックと彼の同僚は、周波数コムを使用して発信光ファイバー信号を較正するとどうなるかを調べることにしました。 彼は、それを指揮者がオーケストラをチューニングすることに例えています。 「音叉を使用して、中央Aが何であるかを全員に伝える指揮者を考えてください」 チームは、3つと5つのチャネルを備えた簡易光ファイバーシステムを構築しました。 コムを使用して発信信号の波長をキャリブレーションすると、依然としてジッタが見つかりましたが、今回はすべてのチャネルが同じようにジッタしていました。 その規則性により、信号をデコードし、リピーターなしで記録的な距離で送信することができました。 「それにより、プロセスが決定論的になります」とアリックは言います。アリックのチームは今週、 サイエンスで結果を報告しています。
世界的な通信会社Alcatel-Lucentの技術スタッフの優秀なメンバーであるSethumadhavan Chandrasekharは、長年にわたって光ファイバーのジッター問題に取り組んでいる多くの科学者の一人です。 彼の公開された研究には、位相共役信号（互いに180度位相がずれている2つの信号）の送信が含まれます。 このセットアップは、ノイズの原因となる非線形効果がキャンセルされることを意味します。
UCSDの作業は重要ですが、まだ完全な解決策ではありません、とチャンドラセカールは言います。 「欠けているのは、ほとんどのシステムが二重偏光になっていることです」と彼は言います。つまり、システムは異なる偏光の光信号を送信することで容量を増やします。 「今日のほとんどのシステムは、光の2つの偏光状態で情報を送信します。UCSDチームは、このような送信シナリオでも、その技術が同様に機能することを実証する必要があります」と彼は言います。
アリックは、チームの次の実験セットがまさにその問題に対処すると述べています。 これまでのところ、彼らはこの技術を実際の使用に適合させることができると考えていますが、新しいハードウェアの構築と展開が必要であり、時間がかかります。 いずれにせよ、信号の到達距離を伸ばすと、はるかに積極的なビルドアウトが可能になり、信号損失を心配することなく、より多くのデータと距離が得られます。 「もう恐れる理由はない」と彼は言う。
