Costruire una spina dorsale migliore

Su uno schermo gigante al Corning Museum of Glass nello stato di New York, le immagini video lampeggiano da filmati di una guerra, un'inaugurazione, una ripresa spaziale, uno spettacolo di giochi, insieme a proiezioni in tempo reale di visitatori del museo che fissano meravigliati. La fonte di tutte queste immagini? Un filo di vetro, più sottile di un capello umano, ma abbastanza largo da trasportare più informazioni di tre milioni di fili di rame, la tecnologia che ha sostituito. Cor-ning è giustificato nel mostrare la sua invenzione: la tecnologia della fibra ottica è uno dei miracoli tecnologici del 20 ° secolo.

Peccato che abbiamo costantemente bisogno di nuovi miracoli per stare al passo con la vorace rete di richieste che questo secolo sta ponendo su queste sottili fibre di vetro. La fibra ottica è, dopo tutto, una tecnologia pre-Web; e gran parte della fibra che trasporta, oltre alle conversazioni telefoniche, i messaggi di posta elettronica di oggi, i download di musica e i flussi video è stata installata prima che la maggior parte delle persone fosse a conoscenza di quei media. Quello che sembrava uno spudorato spreco di capacità, ora sembra tristemente inadeguato. Il nostro appetito per la larghezza di banda sta crescendo a un ritmo esponenziale, senza alcun segno di rallentamento. Tracey Vanik, direttore tecnico della società di consulenza sulle telecomunicazioni RHK, paragona Internet al vorace Borg di Star Trek: Qualunque sia la larghezza di banda resa disponibile, Internet inghiottirà.

La fibra ottica prodotta da Corning, Lucent Technologies e altri giganti fornitori di telecomunicazioni si trova in tutto il sistema di telecomunicazioni e ci connette quando navighiamo sui nostri siti Web preferiti o effettuiamo chiamate a Tokyo. Ma gran parte della ricerca all'avanguardia in corso oggi sulla fibra ottica va a migliorare la capacità della spina dorsale del sistema: il più grasso dei tubi dati grassi, che trasportano i dati attraverso i continenti e collegano i centri urbani.

La spina dorsale è una comoda metafora, ma fornisce un'immagine troppo nitida. Un organismo vertebrato ha una sola spina dorsale, ma il sistema di telecomunicazioni no; nessuna singola azienda possiede questi cavi interurbani ad alta capacità e nessuna organizzazione si assicura che siano all'altezza della sfida di soddisfare le richieste di larghezza di banda in tutto il mondo. In alcuni casi le società di telecomunicazioni - WorldComs e Sprints e AT&Ts del mondo - cercheranno di coprire le rotte ad alto traffico con i propri cavi, posando fili simili a spaghetti paralleli l'uno all'altro lungo i diritti di passaggio autostradali e ferroviari, collegando loop attraverso i continenti e gli oceani. In altri casi, i vettori noleggiano cavi in ​​fibra ottica da altri vettori; in effetti, alcuni vettori si occupano esclusivamente del leasing di capacità di backbone.

Tutti i vettori, tuttavia, devono affrontare la stessa sfida: come stare al passo con la curva della domanda di larghezza di banda. La ricerca presso Corning e altrove mostra che ogni miglioramento delle prestazioni ha un prezzo; costruire una spina dorsale migliore sembra essere una questione di scelta dei giusti compromessi.

Miglioramento dell'ottica

La soluzione più semplice per irrigidire la spina dorsale è semplicemente posare più cavo. Ma questa è anche l'alternativa più costosa: fino al 40% del costo di un sistema in fibra ottica va all'acquisto dei diritti di passaggio, all'ottenimento dei permessi e alla messa a terra del cavo. (È una vecchia battuta nelle società di telecomunicazioni che rinuncerebbero volentieri alle nuove tecnologie se qualcuno mostrasse loro come scavare una fossa più economica.)

Altri due modi per aumentare la capacità evitano di scavare le strade, affidandosi invece ad apparecchiature di ultima generazione installate negli uffici telefonici dove terminano i fili in fibra ottica. Gli ingegneri possono sviluppare metodi per aumentare il numero di canali di informazioni che ciascun filo di fibra ottica può trasportare. Oppure possono sviluppare modi per far viaggiare i dati più velocemente lungo ciascun canale.

Entrambi gli approcci evitano l'enorme costo di installazione di nuove linee. Ma ogni strategia è complicata, poiché apportare miglioramenti in un'area spesso causa problemi in un'altra. C'è un forte compromesso tra distanza e capacità, afferma Roe Hemenway, responsabile della ricerca sulle apparecchiature di rete presso Corning. Più vai avanti, minore è la capacità. Ci viene chiesto di mettere più capacità sulla fibra, percorrere distanze maggiori e farlo con una qualità ancora più elevata.

Hemenway lavora nel laboratorio del Sullivan Park Research and Development Facility di Corning nello stato di New York, dove gli scaffali contengono file di scatole di metallo, ognuna un laser che genera un raggio infrarosso. I raggi attraversano modulatori e multiplexer, amplificatori e filtri, percorrendo più e più volte lo stesso anello di cavo in fibra ottica per simulare la distanza, proprio come una macchina da corsa digitale sulla versione autostradale dell'informazione di una pista di prova. Alla fine del sistema, lo schermo di un computer visualizza il numero di errori prodotti durante la corsa e un oscilloscopio mostra graficamente se il segnale è uscito nitido o sfocato.

La configurazione consente agli ingegneri Corning di testare in che modo ogni componente influisce sulla trasmissione del segnale e che cosa fa un cambiamento in uno al sistema nel suo insieme. Questo approccio è fondamentale per la progettazione della fibra ottica, perché qualunque soluzione si evolva per rendere la fibra ottica più efficiente è probabile che includa una serie di tecnologie, ognuna delle quali potrebbe influenzare le altre.

Negli ultimi sei anni, le velocità di trasmissione nei laboratori per le fibre ottiche più veloci sono quadruplicate e quest'anno è previsto un altro quadruplo. La domanda più urgente è se, dati tutti i compromessi, l'attuale tasso di miglioramento possa essere mantenuto. Potrei darti una risposta da macho che continueremo a migliorare la fibra, ma francamente, non lo so, afferma Joseph Antos, direttore tecnologico per lo sviluppo della fibra presso Corning. Ogni nuova invenzione [per aumentare la capacità] diventa sempre più difficile.

Più canali per fibra

I dati viaggiano lungo la fibra ottica attraverso una serie di impulsi luminosi provenienti da un laser, gli off e gli on corrispondenti agli uni e agli zeri della codifica digitale. I sistemi in fibra ottica utilizzano lo spettro luminoso che viaggia in modo più efficiente attraverso il vetro, lunghezze d'onda comprese tra circa 1.300 e 1.600 nanometri. Al di fuori di queste lunghezze d'onda, la luce tende a essere assorbita e persa o allungata troppo per produrre un segnale utilizzabile. E dello spettro disponibile, la maggior parte della trasmissione avviene nella cosiddetta banda centrale, tra 1.530 e 1.565 nanometri.

Suddividendo il segnale in diverse lunghezze d'onda, poiché un prisma separa i colori che compongono la luce bianca, gli ingegneri possono inviare più di un flusso di luce lungo una fibra contemporaneamente. Le prime implementazioni dividevano la luce in quattro o otto canali separati, con ciascuna fibra che trasportava circa 10 gigabit-10 miliardi di bit al secondo. Oggi alcuni sistemi possono trasportare 80 canali nella banda centrale e sono in grado di spingere più di mezzo trilione di bit al secondo lungo una singola fibra.

Ma c'è un limite al numero di canali che possono essere schiacciati nella banda centrale. Come le stazioni ravvicinate dell'autoradio, i canali che si avvicinano troppo causano interferenze. Alla radio, potresti ascoltare Tutte le cose considerate e all'improvviso arrivano i Backstreet Boys, o l'elettricità statica. La stessa cosa accade con i segnali ottici. Per ridurre le interferenze, gli attuali sistemi all'avanguardia richiedono una zona cuscinetto di circa 50 gigahertz (una misura di frequenza di un miliardo di cicli al secondo) tra i canali.

Come risultato di questi vincoli, la banda centrale è ora sostanzialmente piena e gli ingegneri stanno cercando di aggiungere canali spostandosi dalla porzione centrale dello spettro verso un nuovo territorio.

Rompere un nuovo terreno

Per rendere utilizzabili nuove parti dello spettro al di fuori della banda centrale, i ricercatori devono sviluppare nuove versioni di dispositivi che aiutino a spingere i segnali lungo le fibre ottiche. Prendi gli amplificatori che aiutano a potenziare i segnali, che perdono energia mentre rimbalzano avanti e indietro tra le pareti della sezione centrale della fibra. Per riattivarli, gli ingegneri potrebbero utilizzare dispositivi noti come amplificatori in fibra drogata con erbio. Questi sono essenzialmente anelli di fibra intrecciati con l'elemento delle terre rare erbio. Un laser eccita gli atomi di erbio, che trasferiscono la loro energia al segnale ottico che passa attraverso l'amplificatore, aumentando la distanza che può percorrere. Senza amplificazione, i segnali ad alta velocità non viaggerebbero abbastanza lontano da essere utili.

I recenti sviluppi consentono a questi amplificatori di funzionare nella regione di lunghezza d'onda più lunga da 1.570 a 1.625 nanometri, aggiungendo un nuovo pezzo di spettro da cui ricavare ulteriori canali di dati. Lucent Technologies, ad esempio, ha rilasciato un sistema che spreme 80 canali nella banda centrale e sfrutta gli amplificatori all'erbio per aggiungere altri 80 canali nella regione a lunghezza d'onda lunga, raddoppiando la capacità di ciascuna fibra.

Ogni volta che un segnale attraversa un amplificatore di erbio, tuttavia, raccoglie elementi di rumore che non facevano parte del segnale originale. Su dorsali a lunga distanza in cui un segnale deve essere potenziato molte volte, i sistemi in fibra ottica devono essere collegati a rigeneratori, dispositivi che ricostruiscono i segnali che hanno viaggiato attraverso così tanti amplificatori da essere degradati. I rigeneratori prendono un segnale luminoso, lo convertono in un segnale elettrico e quindi producono un nuovo raggio di luce.

Una nuova tecnica chiamata amplificazione Raman ( vedere Cinque brevetti da tenere d'occhio: Booster Shots , TR maggio 2001 ) consentirà di amplificare un segnale senza introdurre rumore, eliminando la necessità di rigeneratori e creando potenzialmente un nuovo modo per gli ingegneri di aumentare la capacità. A differenza degli amplificatori all'erbio, che funzionano solo a determinate lunghezze d'onda, l'amplificazione Raman mantiene la promessa di rendere disponibili ancora più nuovi canali. Una nuova società, Xtera, di Allen, TX, spera di sfruttare l'amplificazione Raman per consentire la trasmissione a lungo raggio di lunghezze d'onda della luce più corte di quelle che le attuali reti ottiche possono supportare. È una sorta di nuova svolta nell'utilizzo delle tecniche Raman, afferma Joe Oravetz, product manager di Xtera, che ha presentato il primo nuovo prodotto dell'azienda alla conferenza ed esposizione sulla comunicazione in fibra ottica a marzo ad Anaheim, in California.

Ma utilizzare la banda a lunghezza d'onda più corta è una strategia decisamente a lungo termine, poiché richiederà l'installazione di nuove apparecchiature in ogni punto della rete. Entrando in una nuova band, devi sostituire tutti i componenti, afferma Vladimir Kozlov, analista di RHK. Hai bisogno di nuove fonti. Hai bisogno di nuovi amplificatori. Potrebbe essere molto costoso.

Bit di accelerazione

Un'alternativa all'aggiunta di canali consiste nel velocizzare il flusso di dati in ciascun canale. Proprio come i modem nelle case delle persone sono diventati più veloci, i trasmettitori nella dorsale hanno aumentato la loro capacità di pompare dati, da 100 milioni di bit al secondo un decennio fa a 10 miliardi di bit (10 gigabit) al secondo allo stato dell'arte oggi.

Mentre AT&T ha rilasciato un comunicato stampa annunciando la prima dorsale del protocollo Internet coast-to-coast a 10 gigabit al secondo a gennaio, è già una notizia vecchia: i sistemi a 40 gigabit al secondo sono già stati annunciati da Lucent Technologies, Fujitsu e NEC in vendita entro la fine dell'anno. Le imprese ingegneristiche coinvolte in progressi come questi sono enormi: l'aumento della velocità dei dati ha richiesto agli ingegneri di progettare laser in grado di accendersi e spegnersi in modo affidabile 40 miliardi di volte al secondo e ricevitori in grado di rilevare un lampo dall'altro, quando stanno arrivando a quel ritmo schiacciante.

Ma il nome del gioco nella dorsale rimane un compromesso e l'accelerazione delle velocità di trasmissione causa nuove complicazioni: inserire più bit al secondo in una fibra richiede più potenza e, a potenze più elevate, l'interferenza tra i canali aumenta. Inoltre, a queste velocità notevoli, piccoli difetti nel vetro stesso iniziano a interferire con il flusso dei dati.

Gli ingegneri che cercano la velocità devono compensare tali effetti aumentando la zona di buffer dello spettro inutilizzato tra i canali: una velocità di linea di 40 gigabit al secondo, ad esempio, potrebbe richiedere buffer di 100 gigahertz tra i canali invece di 50 gigahertz. La matematica è ancora favorevole: le fibre forniranno metà dei canali a quattro volte la velocità, raddoppiando la capacità.

La posta in gioco nel migliorare le velocità di trasmissione nella dorsale, tuttavia, è così grande che per ogni ostacolo ci sono squadre di ingegneri che lavorano per superarlo. Gli scienziati del Public Networks Group di NEC America stanno lavorando a un modo per comprimere i canali insieme, anche ad alte velocità, sfruttando il fatto che la luce è polarizzata. Immagina di muovere rapidamente una corda per saltare su e giù per creare onde, che salgono verso il soffitto e scendono verso il pavimento. Tali onde sarebbero polarizzate verticalmente. Ora inizia a muovere la corda per saltare da un lato all'altro, in modo che le onde si muovano verso le pareti. La tua corda per saltare si è polarizzata orizzontalmente. L'approccio NEC divide un raggio di luce in 160 canali, ciascuno a 50 gigahertz di distanza, e fornisce ai canali vicini diverse polarizzazioni. Due canali con la stessa polarizzazione sono quindi ancora distanti 100 gigahertz. Mentre è probabile che i canali uno accanto all'altro interferiscano l'uno con l'altro quando hanno la stessa polarizzazione, i canali con polarizzazioni diverse non lo sono. Tale approccio aumenterà la capacità totale per fibra a 6,4 trilioni di bit (6,4 terabit) al secondo e si prevede che sarà disponibile in due o tre anni.

E i miglioramenti continuano nei laboratori di tutto il mondo. A marzo, i ricercatori della società francese Alcatel, che sviluppa fibre e componenti per sistemi ottici sia terrestri che sottomarini, hanno annunciato di aver sviluppato un sistema che raggiunge 10,2 terabit al secondo. Sempre a marzo, i ricercatori del NEC hanno annunciato un esperimento in cui hanno ottimizzato gli amplificatori per ottenere l'accesso a una banda di lunghezze d'onda più ampia, aumentando le velocità di trasmissione a 10,9 terabit al secondo.

O scavare una trincea

Tutti questi sviluppi tecnologici, ovviamente, affrontano questa sfida: come continuare a migliorare le prestazioni rispetto a linee tipicamente progettate, prodotte e installate molti anni prima. Le prime linee in fibra ottica in una rete pubblica sono state installate sotto il centro di Chicago nel 1977. Oggi, la maggior parte del traffico a lunga distanza del mondo è trasportato da cavi in ​​fibra ottica, oltre 370 milioni di chilometri di materiale, tutto progettato prima le scoperte di oggi nei laboratori. Alla fine non si potrà evitare la necessità di scavare una nuova trincea.

Una volta presa la decisione di posare nuova fibra, però, emergono nuove possibilità per aumentarne la capacità. Gli stessi trefoli di fibra si sono evoluti per gestire capacità sempre maggiori. Oggi, lo stato dell'arte è la fibra a dispersione non zero, inventata da Lucent Technologies e venduta sia da Lucent che da Corning. Questa versione della fibra allarga l'area attraverso la quale viaggia un segnale, dandogli più spazio per diffondersi e riducendo la sovrapposizione. Se hai un tubo dell'acqua e vuoi metterci più acqua, uno dei modi per farlo è allargare l'area del tubo, ed è essenzialmente ciò che fa [questa tecnologia], dice Antos di Corning.

La tecnologia ottica di nuova generazione potrebbe eliminare del tutto il vetro. Diversi gruppi di ricerca stanno lavorando alla costruzione di una fibra a partire da nuovi materiali noti come cristalli fotonici a banda proibita ( vedere La prossima generazione di fibre ottiche , TR maggio 2001 ). Tali cristalli hanno una struttura atomica che rende fisicamente impossibile il passaggio o l'assorbimento della luce, quindi la luce che colpisce l'interno di una fibra rimbalzerebbe nel nucleo. Doug Allen, un ricercatore associato alla Corning che lavora allo sviluppo di tale materiale, suggerisce che il nucleo potrebbe essere riempito di aria, o forse di un gas inerte. Eliminando il vetro e i suoi effetti di distorsione, dice, è possibile inviare più lunghezze d'onda senza preoccuparsi che interferiscano l'una con l'altra.

Tutti questi nuovi sviluppi hanno spinto la ricerca in laboratorio ben oltre ciò che è attualmente disponibile sul campo. Se la dorsale fosse equipaggiata solo con gli sviluppi che vengono dimostrati nei laboratori in questo momento, in grado di trasportare 160 canali su ciascun filo, a 40 gigabit al secondo, la larghezza di banda che attualmente utilizziamo in un mese potrebbe essere trasferita sulle nostre reti in meno di un secondo. È allora che le idee più lontane iniziano a diventare reali, dalle videoconferenze olografiche in 3D che imitano la vita reale, alla chirurgia a distanza, all'accesso istantaneo ai libri conservati in qualsiasi biblioteca del mondo.

Ciò che resta da risolvere, tuttavia, è l'economia di tale rete: quando sarà conveniente mettere in atto questi sviluppi? In qualcosa di così vasto come la rete di comunicazioni pubbliche, anche piccoli aggiornamenti impiegano decenni per essere implementati universalmente. Theodore Vail, primo presidente di AT&T, è riuscito a costruire la prima rete pubblica all'avanguardia al mondo solo convincendo il Congresso a dichiarare la sua azienda un monopolio naturale. Questa volta non succederà.

Raj Reddy, professore di informatica alla Carnegie Mellon University e direttore dell'High Speed ​​Connectivity Consortium, un programma finanziato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, resta comunque ottimista sul fatto che sia inevitabile una rete a larghezza di banda molto elevata, che un giorno avremo larghezza di banda sempre attiva, all-you-can-eat, facilmente accessibile come lo è il sistema telefonico di oggi. Sicuramente succederà tra 30 anni, dice. [Ma] cosa dobbiamo fare, e cosa dobbiamo spendere, per farlo in cinque?

E questa, nonostante le legioni di ingegneri della fibra ottica dedicati alla scoperta dei miracoli tecnologici che alimenteranno le nostre reti di prossima generazione, è la domanda che aspetta una risposta. Ma dato il notevole spettro di lavori all'avanguardia che viene svolto sulla dorsale, è indubbiamente lì che la capacità continuerà ad aumentare al ritmo più rapido.

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