ИЗ ГОНКОНГА ДО ЛОС-АНДЖЕЛЕСА ЗА 1 СЕКУНДУ

Аннотация. В работе описывается технология объединения диапазонов полос пропускания, с помощью которой удалось добиться рекордных скоростей передачи на огромные расстояния. Рассмотрен метод многоволоконного кабеля, а так же метод увеличения мощности сигнала. Методы подключения оптических передатчиков, для передачи сигнала на большие расстояния.  

Ключевые слова: Кабель, L- диапазон, C-диапазон, пропускная способность, Google, оптический кабель.

Google и Facebook нуждаются в новой Тихоокеанской кабельной сети Pacific Light Cable Network. Новый Тихоокеанский подводный кабель позволит удовлетворить их потребности. Он может передавать данные из Гонконга до Лос-Анджелеса 144000 Гигабит за 1 секунду.

Когда новый подводный кабель связи начнет функционировать в конце этого года, он побъет рекорд для ключевого показателя: скорость передачи данных. За одну секунду его шесть волоконно-оптических пар, проходящих примерно на 13 000 километров между Гонконгом и Лос-Анджелесом, смогут отправить около 144 терабит в обоих направлениях. Это столько же данных, сколько вы найдете на нескольких сотнях дисков Blu-ray. Основная цель кабеля - подключить центры данных Facebook и Google в Восточной Азии к тем, кто находится в Соединенных Штатах.

Новый кабель является частью преобразования подводной волоконно-оптической кабельной сети. Первоначально эта сеть обеспечивала телефонные звонки и факсы. Позже эти подводные кабельные каналы служили главным образом для передачи данных между пользователями Интернета и множеством поставщиков услуг. Теперь - передача контента и предложений облачных вычислений между центрами обработки данных нескольких технологических гигантов.

В прошлом году на такие потоки приходилось 77 процентов трафика, проходящего под Атлантикой, и 60 процентов из них под Тихим океаном, говорит Алан Маульдин, директор по исследованиям TeleGeography.[1] Неудивительно, что Facebook, Google и Microsoft теперь приобретают большие позиции в подводных кабельных компаниях и управляют точками посадки кабелей. Google, во-первых, должен каждый год удваивать свою пропускную способность, чтобы поддерживать бесшовный вид своих вычислений «Cloud 3.0», заявил старший вице-президент Google по технической инфраструктуре Урс Хёльцл на конференции Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) в марте прошлого года.[2]

До сих пор технология способна удовлетворить растущий спрос. В течение более чем трех десятилетий рост показателей волоконно-оптических данных опережал Закон Мура.[3] Новые типы волокон, внедренные в начале 1980-х годов, повысили пропускную способность отдельного волокна с 90 мегабит в секунду до более чем гигабита. В 90-е годы лучшие оптические передатчики повышали скорость до 10 гигабит в секунду. И к 2000 году все оптические усилители в сочетании с новой оптикой могут упаковывать десятки потоков данных 10 Гбит на близко расположенных длинах волн в одно волокно и передавать эту информацию в сотни или тысячи километров. К 2010 году более сложная схема модуляции увеличила скорость передачи данных на длину волны, так что те же волокна, которые несли 10 Гбит/с на одной длине волны, могли передавать в 10 раз больше. Но спрос превзошел даже эти впечатляющие улучшения, и теперь отрасль нуждается в новом поколении технологий.

Строящийся кабель от Лос-Анджелеса до Гонконга, называемый Pacific Light Cable Network, возглавляет новое поколение. «Подводные кабели представляют собой вершину опыта в области оптической передачи, а не в плане пропускной способности, а с точки зрения производительности пропускной способности» - говорит Джефф Беннет, директор по решениям и технологиям Infinera Corp., которая делает терминальное оборудование для кабелей.[4] Трансокеанские кабели пролегают тысячи километров между точками посадки, поэтому для них действительно важна скорость передачи данных. И, судя по этим условиям, Pacific Light Cable, установит рекорд.

Такие большие расстояния сложны в подводном прокладывании кабеле, потому что оптические усилители требуются каждые 50 км для повышения уровня сигнала. Эти усилители добавляют шум, который затем накапливается по длине кабеля. Сложная обработка сигналов может извлекать сигнал из накопленного шума, но процесс не идеальный, поэтому достижимая скорость передачи данных уменьшается с длиной кабеля.

Нынешний трансконтинентальный рекорд принадлежит кабелю, изготовленному NEC и принадлежащим консорциуму, включая Google и пять азиатских операторов связи (China Mobile International, China Telecom Global, Global Transit Communications, KDDI и Singtel).[5] Этот кабель протянулся на 9000 км, между Орегоном и Японией, с расширением на Тайвань. Его шесть волоконных пар каждый переносят сигналы 100 Гбит на 100 разных длинах волн, что обеспечивает общую двухстороннюю пропускную способность 60 терабит в секунду.

Этот кабель начал свою работу в 2016 году, и только некоторые из его 12 волокон имели живой трафик. Но спрос был высоким. Неудивительно, что планировщики в Pacific Light Data Communication из Гонконга уже решили предоставить большую пропускную способность для Pacific Light Cable. Вопрос, с которым они столкнулись, состоял в том, как это сделать.

Один из подходов состоит в том, чтобы умножить количество путей, несущих оптические сигналы. Передовой метод для этого, заключается в использовании волокон, которые содержат много светопроводящих сердечников, поэтому несколько оптических сигналов могут буквально запускаться параллельно. Другой способ высокой пропускной способности состоит в том, чтобы сделать волокнистые сердечники достаточно большими, чтобы световые сигналы следовали нескольким различным путям через одно и то же волокно. Если ядро сделать правильным размером и составом, свет, несущий разные сигналы, перекрещивается, но не взаимодействует. Но этот способ требует, чтобы оптические передатчики и приемники могли получать свет в сердечник и из него под прямым углом, чтобы поддерживать разные сигналы в отдельных режимах. И, как и многоядерный подход, этот метод все еще разрабатывается.

В принципе, вы можете комбинировать оба способа. Волокна, которые содержат отдельные сердечники, которые могут передавать каждый из нескольких режимов, были протестированы в лаборатории, но для этого процесса требуется сложное оборудование, и ожидается, что этот подход будет дорогостоящим, когда он в конечном итоге будет развернут в полевых условиях.

Наиболее простой вариант - использовать много отдельных волокон: либо объединенных в один кабель, либо же разделенных между собой. Но проверенные временем конструкции для трансокеанских кабелей, могут обрабатывать только ограниченное количество волоконных пар с их длинными цепями энергоемких усилителей.

Поддержка тихоокеанской кабельной сети приняла еще одну стратегию увеличения пропускной способности: она решилась на новый оптический диапазон. При передаче сигналов в обычной или C-полосе, которая имеет длину волны от 1530 до 1565 нанометров. Но инженеры кабельного провайдера Pacific Light Data Communications, TE SubCom, в Итонтауне, открыли дополнительную полосу пропускания на длинах волн от 1570 до 1610 нм, называемую L (для длинной) полосы.[6] Используя как полосы C, так и L, наряду с другими усовершенствованиями, удвоила общую пропускную способность кабеля.

Рисунок 1. Оптоволоконные кабеля

Ранее, в большинстве случаев, легче было упростить технологию C-диапазона, чем объединить полосы C и L, говорит Нил Бергано, вице-президент и главный технический директор TE SubCom. Но с системами, находящимися в два раза выше теоретического предела мощности, он и его коллеги приняли решение, что пришло время открывать новую группу. «В диапазоне C имеется около 5 терагерцовых частот, и их можно удвоить, добавив L-диапазон, чтобы получить общую пропускную способность около 10 ТГц», - говорит Бергано.

Оптические усилители, используемые для таких передач, имеют ограниченную полосу пропускания. По этой причине, второй усилитель должен быть включен параллельно, чтобы работать в полосе L. К счастью, требуемые усилители L-диапазона, являются вариациями усилителей С-диапазона и используют один и тот же исходный материал - Erbium (для усиления разных длин волн). Для L-диапазонных передатчиков были доступны хорошие лазеры и оптические усилители. Тем не менее, это немаловажно, чтобы сделать строгую инженерию, для работы схемы C + L.

В апреле 2016 года на конференции SubOptic в Дубае TE SubCom сообщила, что одно волокно, передающее как полосы C, так и L, может нести 49,3 Тбайт/с через 9100 км кабеля, по крайней мере, в лабораторных условиях. Этот подход требовал отдельных оптических усилителей для двух диапазонов, но при этом, мог использовать те же волокна и конструкции кабелей, которые были развернуты в системах C-диапазона. Разработчики заявили, что могут сжать 20 дополнительных каналов длин волн, в каждую полосу в практичной системе, которая могла бы нести 24 Тбайт/с на волокно через 12500 км кабеля – это весьма впечатляющее достижение. Спустя полгода, TE SubCom объявила, что получила контракт на строительство Тихоокеанского светового кабеля.

В дополнение к подходу C + L, который и без того был новаторским, TE SubCom улучшил способы кодирования данных, что позволило еще больше повысить пропускную способность. На OFC, в марте этого года сообщалось об отправке 70,4 Тбайт/с на волокно в полосах C и L на 7600 км кабеля. Всего через шесть месяцев, уже на Европейской конференции по оптической связи, TE SubCom сообщили, что использование различных кодировок, позволило отправить 51,5 Тбайт/с на 17107 км, предоставив лабораторную запись данного эксперимента.

Добавление L-диапазона было безусловно большой победой, поэтому вполне логично задаться вопросом, можно ли добавить еще другие оптические полосы в подводные кабели? Увы, разработчики мало надеются на это в ближайшей перспективе. Оптические усилители на основе Erbium являются мощными и почти идеально подходящим для длины волны около 1550 нм, где оптические волокна испытывают наименьшие потери. L-диапазон так же хорош, но другие полосы пропускания волокон плохо подходят для трансокеанских кабелей из-за ограничений в доступных лазерах, усилителях или самом волокнистом материале.

Почему бы просто не сделать кабель толще, чтобы набить его большим количеством волокон? Проблема во власти. «Современные подводные кабели ограничены электропитанием, которое можно подавать на двух концах кабеля», - говорит Питер Винзер из Nokia Bell Labs. Наземные кабели могут нести сотни волоконных нитей, поскольку оптические усилители, которые они содержат, могут касаться локальных источников питания, расположенных вдоль этого пути, в то время как тихоокеанские подводные кабели, могут получать энергию только с их концов. И каждое волокно в тихоокеанском кабеле протяженностью 10 000 км требует до 200 оптических усилителей на каждую полосу, расположенную вдоль пути, каждый из которых требует энергию для работы. Этот фактор, а так же количество мощности, которую вы можете отправить на межконтинентальные расстояния, ограничивает подводные кабели, как правило, до восьми волоконных пар.

Каким образом будущие подводные кабели будут соответствовать постоянно растущим требованиям к пропускной способности, если люди не будут вынуждены в их параллельном использовании? Одна тактика состоит в том, чтобы разделить длинные кабели на более короткие сегменты, которые смогут обеспечить большую пропускную способность благодаря мощности, которая может быть введена в точки соединения. Но это не привлекательно для интернет-гигантов, которым нужны прямые маршруты с низкой задержкой между их центрами обработки данных.

Другой способ состоит в том, чтобы растянуть расстояние между усилителями, жертвуя полосой пропускания в каждом волокне, чтобы уменьшить потребление энергии, что позволяет добавлять больше волокон в кабель. Такие передовые схемы и другие свежие подходы должны помочь удовлетворить ненасытные аппетиты к данным Facebook, Google и других технических гигантов - по крайней мере, на некоторое время.

Список литературы:

1. Публикация исследовательской, консультационной компании.  URL: https://www.telegeography.com/ (дата обращения: 15.05.2018)
2. Публикация на международной конференции. URL: https://www.ofcconference.org/en-us/home/news-and-press/ofc-nfoec-press-releases/ofc-nfoec-press-releases/2016/luminaries-and-leaders-in-optical-communications-t/  (дата обращения: 15.05.2018)
3. Статья научного журнала URL: https://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/is-kecks-law-coming-to-an-end (дата обращения: 15.05.2018)
4. Новостная публикация. URL: https://www.infinera.com/ (дата обращения: 15.05.2018)
5. Аналитический обзор. URL: http://www.nec.com/en/press/201606/global_20160629_02.html (дата обращения: 15.05.2018)
6. Публикация исследовательской, консультационной компании.  URL: http://www.te.com/usa-en/industries/subsea-communications.html (дата обращения: 15.05.2018)