Construyendo una mejor columna vertebral

En una pantalla gigante en el Corning Museum of Glass en el norte del estado de Nueva York, las imágenes de video muestran imágenes de noticias de una guerra, una inauguración, una toma espacial, un programa de juegos, junto con proyecciones en tiempo real de los visitantes del museo que miran maravillados. ¿La fuente de todas estas imágenes? Una hebra de vidrio, más delgada que un cabello humano, pero lo suficientemente ancha para transportar más información que tres millones de cables de cobre, la tecnología a la que reemplazó. Cor-ning tiene justificación para mostrar su invención: la tecnología de fibra óptica se ubica como uno de los milagros tecnológicos del siglo XX.



Lástima que estemos en constante necesidad de nuevos milagros para mantenernos al día con las voraces demandas de la red que este siglo está imponiendo a estas delgadas fibras de vidrio. La fibra óptica es, después de todo, una tecnología anterior a la Web; y gran parte de la fibra que transporta, además de las conversaciones telefónicas, los mensajes de correo electrónico, las descargas de música y las transmisiones de video de hoy en día, se instaló antes de que la mayoría de la gente conociera esos medios. Lo que solía parecer un descarado desperdicio de capacidad ahora parece lamentablemente inadecuado. Nuestro apetito por el ancho de banda está creciendo a un ritmo exponencial, sin signos de desaceleración. Tracey Vanik, directora técnica de la consultora de telecomunicaciones RHK, compara Internet con el voraz Borg de Star Trek: Sea cual sea el ancho de banda disponible, Internet se lo tragará.

La fibra óptica fabricada por Corning, Lucent Technologies y otros proveedores de telecomunicaciones gigantes se encuentra en todo el sistema de telecomunicaciones y nos conecta cuando navegamos por nuestros sitios web favoritos o hacemos llamadas a Tokio. Pero gran parte de la investigación de vanguardia que se realiza hoy en día sobre fibra óptica se destina a mejorar la capacidad de la columna vertebral del sistema: la más gruesa de las tuberías de datos gordas, que transportan datos a través de continentes y conectan centros urbanos.





La columna vertebral es una metáfora conveniente, pero ofrece una imagen demasiado clara. Un organismo vertebrado tiene una única columna vertebral, pero el sistema de telecomunicaciones no; ninguna empresa posee estos cables interurbanos de alta capacidad y ninguna organización se asegura de que estén a la altura del desafío de satisfacer las demandas de ancho de banda en todo el mundo. En algunos casos, las empresas de telecomunicaciones, las WorldComs y Sprints y AT&T del mundo, buscarán cubrir rutas de alto tráfico con sus propios cables, colocando hebras parecidas a espaguetis paralelas entre sí a lo largo de los derechos de vía de carreteras y ferrocarriles, uniendo las rutas metropolitanas. recorre continentes y océanos. En otros casos, los operadores arriendan cables de fibra óptica a otros operadores; de hecho, algunos operadores se dedican únicamente al arrendamiento de capacidad troncal.

Sin embargo, todos los operadores se enfrentan al mismo desafío: cómo adelantarse a la curva de demanda de ancho de banda. La investigación en Corning y en otros lugares muestra que cada mejora en el rendimiento tiene un precio; construir una mejor columna vertebral parece ser una cuestión de elegir las compensaciones adecuadas.

cómo será el milenio

Refuerzo de la óptica



La solución más sencilla para reforzar la red troncal es simplemente tender más cable. Pero esa es también la alternativa más cara: hasta el 40 por ciento del costo de un sistema de fibra óptica se destina a la compra de derechos de paso, la obtención de permisos y la instalación de cables en el suelo. (Es una vieja broma en las empresas de telecomunicaciones que con mucho gusto abandonarían las nuevas tecnologías si alguien les mostrara cómo cavar una zanja más barata).

Otras dos formas de aumentar la capacidad evitan excavar en las calles, confiando en cambio en equipos de última generación instalados en las oficinas telefónicas donde terminan los hilos de fibra óptica. Los ingenieros pueden desarrollar métodos para aumentar el número de canales de información que puede transportar cada hebra de fibra óptica. O pueden desarrollar formas de hacer que los datos viajen más rápido a lo largo de cada canal.

Ambos enfoques evitan el enorme costo de instalar nuevas líneas. Pero cada estrategia es complicada, ya que hacer mejoras en un área a menudo causa problemas en otra. Existe un fuerte compromiso entre distancia y capacidad, dice Roe Hemenway, gerente de investigación de equipos de red en Corning. Cuanto más avance, menor será la capacidad. Se nos pide que agreguemos más capacidad a la fibra, recorramos distancias más largas y lo hagamos con una calidad aún mayor.

Hemenway trabaja en el laboratorio del Centro de Investigación y Desarrollo Sullivan Park de Corning en el norte del estado de Nueva York, donde los estantes contienen filas de cajas de metal, cada una de las cuales es un láser que genera un rayo infrarrojo. Los haces pasan a través de moduladores y multiplexores, amplificadores y filtros, recorriendo el mismo bucle de cable de fibra óptica una y otra vez para simular la distancia, al igual que un auto de carreras digital en la versión de la superautopista de información de una pista de prueba. Al final del sistema, una pantalla de computadora muestra el número de errores producidos durante la ejecución, y un osciloscopio muestra gráficamente si la señal salió nítida o borrosa.



La configuración permite a los ingenieros de Corning probar cómo afecta cada componente a la transmisión de la señal y qué efecto tiene un cambio en el sistema en su conjunto. Este enfoque es fundamental para el diseño de fibra óptica, porque cualquier solución que evolucione para hacer que la fibra óptica sea más eficiente probablemente incluirá una serie de tecnologías, cada una de las cuales podría afectar a las demás.

En los últimos seis años, las velocidades de transmisión en los laboratorios de las fibras ópticas más rápidas se han cuadriplicado, y se espera que este año se cuadruplique más. La pregunta más urgente es si, dadas todas las compensaciones, se puede mantener el ritmo actual de mejora. Podría darle una respuesta machista de que vamos a seguir mejorando la fibra, pero francamente, no lo sé, dice Joseph Antos, director de tecnología para el desarrollo de fibra en Corning. Cada nuevo invento [para aumentar la capacidad] se vuelve cada vez más difícil.

Más canales por fibra

Los datos viajan a lo largo de la fibra óptica a través de una serie de pulsos de luz de un láser, los apagados y apagados correspondientes a los unos y ceros de la codificación digital. Los sistemas de fibra óptica utilizan el espectro de luz que viaja de manera más eficiente a través del vidrio, longitudes de onda entre aproximadamente 1300 y 1600 nanómetros. Fuera de estas longitudes de onda, la luz tiende a absorberse y perderse o estirarse demasiado para generar una señal utilizable. Y del espectro disponible, la mayor parte de la transmisión tiene lugar en lo que se llama la banda central, entre 1.530 y 1.565 nanómetros.

Al dividir la señal en diferentes longitudes de onda, a medida que un prisma separa los colores que componen la luz blanca, los ingenieros pueden enviar más de un flujo de luz a lo largo de una fibra al mismo tiempo. Las primeras implementaciones dividieron la luz en cuatro u ocho canales separados, y cada fibra transportaba alrededor de 10 gigabits (10 mil millones de bits) por segundo. Hoy en día, algunos sistemas pueden transportar 80 canales en la banda central y pueden enviar más de medio billón de bits por segundo a través de una sola fibra.

Pero hay un límite en la cantidad de canales que se pueden incluir en la banda central. Al igual que las estaciones poco espaciadas en la radio de su automóvil, los canales que se acercan demasiado causan interferencia. En la radio, es posible que esté escuchando Todas las cosas consideradas y de repente se ponen los Backstreet Boys, o estática. Lo mismo ocurre con las señales ópticas. Para reducir la interferencia, los sistemas de vanguardia actuales requieren una zona de amortiguación de aproximadamente 50 gigahercios (una medida de frecuencia de mil millones de ciclos por segundo) entre canales.

Como resultado de estas limitaciones, la banda central ahora está esencialmente llena y los ingenieros buscan agregar canales saliendo de la parte central del espectro y entrando en un nuevo territorio.

Abriendo nuevos caminos

Para hacer utilizables nuevas partes del espectro, fuera de la banda central, los investigadores deben desarrollar nuevas versiones de dispositivos que ayuden a impulsar las señales a lo largo de las fibras ópticas. Tome los amplificadores que ayudan a aumentar las señales, que pierden energía al rebotar entre las paredes de la sección del núcleo de la fibra. Para reactivarlos, los ingenieros pueden utilizar dispositivos conocidos como amplificadores de fibra dopada con erbio. Estos son esencialmente bucles de fibra entrelazados con el elemento de tierras raras erbio. Un láser excita los átomos de erbio, que transfieren su energía a la señal óptica que pasa por el amplificador, aumentando la distancia que puede viajar. Sin amplificación, las señales de alta velocidad no viajarían lo suficientemente lejos como para ser útiles.

Los desarrollos recientes hacen posible que estos amplificadores funcionen en la región de longitud de onda más larga de 1.570 a 1.625 nanómetros, agregando un nuevo trozo de espectro a partir del cual extraer canales de datos adicionales. Lucent Technologies, por ejemplo, ha lanzado un sistema que comprime 80 canales en la banda central y explota amplificadores de erbio para agregar otros 80 canales en la región de longitud de onda larga, duplicando la capacidad de cada fibra.

Sin embargo, cada vez que una señal pasa por un amplificador de erbio, capta elementos de ruido que no formaban parte de la señal original. En redes troncales de larga distancia donde una señal necesita ser impulsada muchas veces, los sistemas de fibra óptica deben estar conectados con regeneradores, dispositivos que reconstruyen señales que han viajado a través de tantos amplificadores que se han degradado. Los regeneradores toman una señal de luz, la convierten en una señal eléctrica y luego producen un nuevo haz de luz.

Una nueva técnica llamada amplificación Raman ( ver Cinco patentes a tener en cuenta: dosis de refuerzo , TR mayo de 2001 ) permitirá amplificar una señal sin introducir ruido, eliminando la necesidad de regeneradores y creando potencialmente una nueva forma para que los ingenieros aumenten la capacidad. A diferencia de los amplificadores de erbio, que solo funcionan en ciertas longitudes de onda, la amplificación Raman promete hacer disponibles aún más canales nuevos. Una nueva empresa, Xtera, de Allen, TX, espera aprovechar la amplificación Raman para permitir la transmisión de largo alcance de longitudes de onda de luz más cortas que las que pueden admitir las redes ópticas actuales. Es una especie de nuevo giro en el uso de técnicas Raman, dice Joe Oravetz, gerente de producto de Xtera, quien presentó el primer producto nuevo de la compañía en la Conferencia y Exhibición de Comunicación de Fibra Óptica en marzo en Anaheim, CA.

Pero usar la banda de longitud de onda más corta es una estrategia decididamente a largo plazo, ya que requerirá la instalación de nuevos equipos en cada punto de la red. Al entrar en una nueva banda, debe reemplazar todos los componentes, dice Vladimir Kozlov, analista de RHK. Necesitas nuevas fuentes. Necesitas nuevos amplificadores. Podría resultar muy caro.

Acelerando bits

Una alternativa a la adición de canales es hacer que el flujo de datos en cada canal fluya más rápido. Así como los módems en los hogares de las personas se han vuelto más rápidos, los transmisores en la red troncal han aumentado su capacidad para bombear datos, de 100 millones de bits por segundo hace una década a 10 mil millones de bits (10 gigabits) por segundo de última generación. hoy dia.

Si bien AT&T emitió un comunicado de prensa anunciando la primera red troncal de protocolo de Internet de costa a costa de 10 gigabits por segundo en enero, ya es una vieja noticia: los sistemas de 40 gigabits por segundo ya han sido anunciados por Lucent Technologies, Fujitsu y NEC a la venta a finales de este año. Las hazañas de ingeniería involucradas en avances como estos son tremendos: el aumento de la velocidad de datos requirió que los ingenieros diseñaran láseres que puedan encenderse y apagarse de manera confiable 40 mil millones de veces por segundo, y receptores que puedan distinguir un destello del siguiente, cuando lleguen. a ese ritmo abrumador.

Pero el nombre del juego en la red troncal sigue siendo compensaciones, y acelerar las tasas de transmisión causa nuevas complicaciones: poner más bits por segundo en una fibra requiere más potencia y, a potencias más altas, aumenta la interferencia entre canales. Además, a estas velocidades notables, pequeñas fallas en el vidrio mismo comienzan a interferir con el flujo de datos.

Los ingenieros que buscan velocidad deben compensar estos efectos aumentando la zona de amortiguación del espectro no utilizado entre canales: una velocidad de línea de 40 gigabits por segundo, por ejemplo, puede requerir amortiguadores de 100 gigahercios entre canales en lugar de 50 gigahercios. Las matemáticas siguen siendo favorables: las fibras entregarán la mitad de los canales a cuatro veces la velocidad, duplicando la capacidad.

Sin embargo, lo que está en juego para mejorar las tasas de transmisión en la red troncal es tan grande que para cada obstáculo, hay equipos de ingenieros que trabajan para superarlo. Los científicos del Grupo de Redes Públicas de NEC America están trabajando en una forma de juntar canales, incluso a altas velocidades, aprovechando el hecho de que la luz está polarizada. Imagínese moviendo una cuerda para saltar rápidamente hacia arriba y hacia abajo para hacer olas, que se mueven hacia el techo y bajan hacia el piso. Tales ondas estarían polarizadas verticalmente. Ahora empieza a mover la cuerda para saltar de un lado a otro, para que las olas se muevan hacia las paredes. Tu cuerda para saltar se ha polarizado horizontalmente. El enfoque NEC divide un haz de luz en 160 canales, cada uno con 50 gigahercios de distancia, y da a los canales vecinos diferentes polarizaciones. Por tanto, dos canales con la misma polarización siguen estando separados por 100 gigahercios. Si bien es probable que los canales contiguos entre sí interfieran entre sí cuando tienen la misma polarización, los canales con polarizaciones diferentes no lo son. Este enfoque aumentará la capacidad total por fibra a 6,4 billones de bits (6,4 terabits) por segundo y se prevé que esté disponible en dos o tres años.

Y las mejoras continúan en los laboratorios de todo el mundo. En marzo, investigadores de la empresa francesa Alcatel, que desarrolla fibra y componentes para sistemas ópticos terrestres y submarinos, anunciaron que habían desarrollado un sistema que alcanza los 10,2 terabits por segundo. También en marzo, los investigadores de NEC anunciaron un experimento en el que ajustaron amplificadores para obtener acceso a una banda de longitud de onda más amplia, aumentando las tasas de transmisión a 10,9 terabits por segundo.

O cava una trinchera

Todos estos desarrollos tecnológicos, por supuesto, enfrentan este desafío: cómo continuar mejorando el rendimiento en líneas que normalmente se diseñaron, fabricaron e instalaron muchos años antes. Las primeras líneas de fibra óptica en una red pública se instalaron en el centro de Chicago en 1977. Hoy en día, la mayor parte del tráfico de larga distancia del mundo se realiza mediante cables de fibra óptica: más de 370 millones de kilómetros de material, todo diseñado antes. avances de hoy en los laboratorios. Con el tiempo, no habrá forma de evitar la necesidad de cavar una nueva zanja.

Sin embargo, una vez que se toma la decisión de colocar nueva fibra, surgen nuevas posibilidades para aumentar su capacidad. Las hebras de fibra en sí mismas han evolucionado para manejar capacidades cada vez mayores. Hoy en día, el estado de la técnica es la fibra de dispersión distinta de cero, inventada por Lucent Technologies y vendida tanto por Lucent como por Corning. Esta versión de fibra amplía el área a través de la cual viaja una señal, dándole más espacio para propagarse y reduciendo la superposición. Si tiene una tubería de agua y quiere echarle más agua, una de las formas de hacerlo es ensanchar el área de la tubería, y eso es esencialmente lo que hace [esta tecnología], dice Antos de Corning.

La tecnología óptica de próxima generación puede deshacerse del vidrio por completo. Varios grupos de investigación están trabajando en la construcción de una fibra a partir de nuevos materiales conocidos como cristales fotónicos de banda prohibida ( ver La próxima generación de fibras ópticas , TR mayo de 2001 ). Dichos cristales tienen una estructura atómica que hace que sea físicamente imposible que la luz pase o sea absorbida, por lo que la luz que golpea el interior de una fibra rebota en el núcleo. Doug Allen, un investigador asociado en Cor-ning que trabaja en el desarrollo de dicho material, sugiere que el núcleo podría estar lleno de aire, o quizás de un gas inerte. Al eliminar el vidrio y sus efectos distorsionadores, dice, puede enviar más longitudes de onda sin preocuparse de que interfieran entre sí.

Todos estos nuevos desarrollos han impulsado la investigación en el laboratorio mucho más allá de lo que está disponible actualmente en el terreno. Si la red troncal estuviera equipada solo con desarrollos que se están demostrando en laboratorios en este momento, capaces de transportar 160 canales en cada hebra, a 40 gigabits por segundo, el ancho de banda que usamos actualmente en un mes podría transmitirse a través de nuestras redes en menos de un segundo. Ahí es cuando las ideas lejanas comienzan a hacerse realidad, desde videoconferencias holográficas en 3-D que imitan la vida real, hasta cirugías a larga distancia y acceso instantáneo a libros almacenados en cualquier biblioteca del mundo.

Sin embargo, lo que queda por resolver es la economía de dicha red: ¿cuándo será rentable implementar estos desarrollos? En algo tan vasto como la red de comunicaciones públicas, incluso las pequeñas actualizaciones tardan décadas en implementarse universalmente. Theodore Vail, primer presidente de AT&T, logró construir la primera red pública de vanguardia del mundo solo al lograr que el Congreso declarara a su empresa como un monopolio natural. Eso no va a suceder esta vez.

Raj Reddy, profesor de informática en la Universidad Carnegie Mellon y director del Consorcio de Conectividad de Alta Velocidad, un programa financiado por el Departamento de Defensa de EE. UU., Sigue siendo optimista de que una red de ancho de banda muy alto es inevitable: que algún día tendremos ancho de banda siempre activo y de todo lo que pueda comer, tan fácilmente accesible como lo es el sistema telefónico actual. Definitivamente sucederá en 30 años, dice. [Pero] ¿qué tenemos que hacer y qué tenemos que gastar para hacerlo en cinco?

Y eso, a pesar de las legiones de ingenieros de fibra óptica dedicados a descubrir los milagros tecnológicos que impulsarán nuestras redes de próxima generación, es la pregunta que espera ser respondida. Pero dado el notable espectro de trabajo de vanguardia que se está realizando en la red troncal, es indudable que es allí donde la capacidad seguirá aumentando al ritmo más rápido.

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