Новый вид поляризации света позволяет увеличить скорость передачи информации в оптических коммуникационных каналах
Объем цифровых данных, передаваемых посредством глобальной сети Интернет, увеличивается из года в год по экспоненциальной зависимости. Это служит причиной тому, что существующая инфраструктура оптических, спутниковых и сотовых коммуникационных каналов перестает справляться со все увеличивающейся нагрузкой. Понимая всю тяжесть этой проблемы, которая будет со временем только усугубляться, ученые из разных стран постоянно ищут методы увеличения пропускной способности уже существующих коммуникационных каналов. В этих исследованиях принимают участие ученые из Городского колледжа Нью-Йорка, которые разработали новый способ поляризации света, использование которого позволит передавать по оптическому каналу большее количество информации за единицу времени.
Следует отметить, что в разработке нового вида поляризации принимали не только ученые из Городского колледжа Нью-Йорка (City College of New York), в данной работе были также задействованы исследователи из Университета Южной Калифорнии, компании Corning Incorporated и исследователи из других организаций из Шотландии, Италии и Канады.
"В области коммуникаций традиционно информация передается при помощи света, который, как известно, обладает самой большой скоростью распространения во Вселенной" - рассказывает Джованни Мильоне (Giovanni Milione), аспирант из Городского колледжа Нью-Йорка, работающий под руководством заслуженного профессора Роберта Альфано (Robert Alfano), - "Однако, даже скорость света уже не в состоянии удовлетворить все современные технологии, которые становятся все более жадными по отношению к объемам поглощаемой информации. Однако, мы придумали еще один нетрадиционный способ удовлетворить информационный "голод" ненасытных потребителей, таких, как облачные вычислительные системы".
Используя так называемые q-пластины (q-plates), специальные оптоэлектронные устройства, исследователи создали новый тип поляризации света лазерного луча, который можно охарактеризовать сразу двумя терминами, "радиальный" и "азимутальный". "В настоящее время в коммуникациях уже используются различные виды поляризации света, к примеру, линейной и круговой, для передачи данных трехмерного телевидения" - рассказывает Джованни Мильоне, - "Но форма луча света во всех этих случаях, остается незатронутой".
Исследователи продемонстрировали, что в одном луче света может содержаться несколько лучей, имеющих различную форму за счет их уникальной поляризации, и каждая из этих форм может нести свой собственный поток данных. В своих экспериментах ученые реализовали в пределах одного луча сразу четыре луча разной формы, но теоретически, количество форм лучей света может быть неограниченно.
"Объем данных, который может быть передан одним лучом лазерного света при использовании специальной поляризации, может измеряться терабитами и даже петабитами" - рассказывает Мильоне, - "И самое главное заключается в том, что эта технология совместима с большинством существующих оптоволоконных линий и будет полностью совместима со всеми линиями, которые прокладываются сейчас и будут проложены в ближайшем будущем".
Лазерные Li-Fi-технологии смогут достичь скорости свыше 100 гигабит в секунду
На страницах нашего сайта мы достаточно часто рассказывали о технологии оптической передачи данных Li-Fi, которая в некоторых случаях может стать полноценной заменой традиционным технологиям типа Wi-Fi, которые используют радиоволны для передачи информации. Более того, некоторые из ведущих разработчиков оборудования Li-Fi уверены, что переход от светодиодных источников света к источникам на основе полупроводниковых лазеров позволит не только сделать системы освещения еще более экономичными. Это позволит минимум в десять раз поднять скорости передачи данных через такие осветительные приборы.
"Проблема заключается в том, что светодиоды (LED), несмотря на то, что они более эффективны и энергосберегающи, нежели лампы накаливания, являются далеко не венцом совершенства. И у нас имеется еще достаточно свободного пространства для движения в сторону увеличения светоотдачи осветительных приборов" - рассказывает Харальд Хаас (Harald Haas), глава отдела мобильных коммуникаций Эдинбургского университета и участник проекта Ultra-Parallel Visible Light Communications Project, - "Мы питаем достаточно сильную уверенность в том, что энергосберегающее освещение следующего поколения будет базироваться на лазерных диодах".
Напомним нашим читателям, что Li-Fi-системы работают, кодируют передаваемые данные, модулируя свет, излучаемый светодиодными осветительными приборами. Чрезвычайно быстрое мерцание модулированного света невидимо для человеческого глаза, но специальный приемник, подключенный к компьютеру или встроенный в смартфон, достаточно хорошо "читает" информационный сигнал и даже имеет возможность передавать данные назад к приемопередатчику, расположенному на потолке помещения, обеспечивая двухсторонние коммуникации.
Но, большинство современных светодиодных ламп не излучают свет напрямую от своих светодиодов. В них используется слой люминесцентного материала, который преобразует синий свет от светодиодов в белый свет, и это служит ограничением допустимой скорости модуляции светового потока и, следовательно, ограничением максимальной скорости передачи информации.
В своей работе, опубликованной в журнале Optics Express , Харальд Хаас и его коллеги показали, что замена светодиодов стандартными лазерными диодами может значительно улучшить ситуацию, как с точки зрения эффективности осветительных приборов, так и с точки зрения скорости передачи данных в системах Li-Fi. В этом случае не требуется слой люминесцентного материала, белый свет получается смешением света от нескольких лазеров, работающих на различных длинах волн света. При этом, каждая длина волны может быть использована в качестве отдельного коммуникационного канала, реализуя мультиплексирование на основе разделения длин волн, которое широко используется в современных телекоммуникациях для увеличения пропускной способности оптических каналов. Группа из Эдинбургского университета использовала в своих экспериментах девять лазерных диодов, реализуя девять разных информационных каналов в спектре белого света, излучаемого лазерным осветительным прибором.
В настоящее время системы Li-Fi на основе светодиодов могут достигать скоростей данных до 10 гигабит в секунду, что превышает аналогичный показатель Wi-Fi-технологий, самые скоростные из которых могут обеспечить только 7 гигабит в секунду. "Технология лазерного Li-Fi позволит повысить скорости передачи информации гораздо выше 100 гигабит в секунду" - рассказывает Харальд Хаас.
В настоящее время осветительное устройство с девятью типами лазерных диодов еще достаточно дорого. Но это касается лишь опытного устройства, массовое производство таких устройств, считает Харальд Хаас, позволит существенно понизить их стоимость, что обеспечит дальнейшее распространение высокоскоростных Li-Fi-технологий.
Высокоскоростная сеть SCinet позволила передать 65 терабайт всего за 100 минут времени
В рамках ежегодной конференции Supercomputing Conference (SC14), посвященной суперкомпьютерам и технологиям суперкомпьютерных вычислений, которая проходила с 16 по 21 ноября 2014 года в Новом Орлеане, группа исследователей из Национальной лаборатории Аргона (Argonne National Laboratory) при содействии специалистов компании DataDirect Networks (DDN) произвела демонстрацию, в ходе которой 65 терабайт данных были переданы из одной точки в другую всего за 100 минут времени. Для сравнения стоит упомянуть, что для передачи такого объема информации по каналу скоростью 10 гигабит в секунду потребовалось бы около двух суток.
Кроме специалистов компании DDN в демонстрации, которая была проведена 19 ноября 2014 года, были задействованы еще и специалисты компаний Ciena, Brocade и ICAIR, совместные усилия которых позволили выдержать постоянную скорость передачи информации на уровне 85 гигабит в секунду, а пиковые значения скорости составляли 90 гигабит в секунду. Столь высокоскоростной канал был организован на участке глобальной сети SCinet, связывающим датацентры в Оттаве, Канада, и в Новом Орлеане, США.
Такая скоростная передача данных потребовала использования специальных возможностей виртуальной машины DDN, на которой была установлена специализированная файловая система и сервер GridFTP Globus, способный полностью загрузить передаваемой информацией всю ширину полосы коммуникационного канала.
"Использование серверов GridFTP Globus, работающих на виртуальных машинах DDN, позволило нам избежать повышенной нагрузки на внешние узлы передачи данных и на процессоры сетевых адаптеров" - объясняет Рэй Кеттимузу (Raj Kettimuthu), главный специалист по разработке программного обеспечения из Национальной лаборатории Аргона, - "Мы продержали уровень скорости передачи информации в 85 гигабит в секунду в течение 60 минут, а в оставшееся время скорость превышала среднее значение или была меньше его на совсем незначительную величину".
Достижение уровня скорости передачи данных из памяти в память выше 90 гигабит в секунду было уже неоднократно продемонстрировано в прошлом. Однако, организация передачи данных с такой скоростью от дискового массива к другому массиву сопряжена с множеством трудностей, среди которых выбор оптимального размера передаваемого блока, выбор оптимального количества параллельных программных потоков передачи данных, параллельных потоков TCP и многих других параметров, оказывающих влияние на скорость непрерывной передачи информации.
Эксперты в области сетей и коммуникаций очень часто указывают на то, что узким местом в непрерывной передаче информации является отсутствие высокоэффективных файловых систем, поддерживающих параллельную запись и считывание. В это время эксперты в области технологий хранения данных утверждают совсем обратное, по их мнению узким местом является именно этап передачи данных по сети. "Целью нашей демонстрации был поиск оптимальной точки баланса между двумя вышеупомянутыми составляющими системы передачи информации. Мы использовали все самые последние достижения в области перемещения данных по глобальным сетям, хранения данных и программных инструментов, позволяющих реализовать это все" - рассказывает Рэй Кеттимузу, - "Надеюсь, что своей демонстрацией нам удастся примирить всех экспертов, показав, что на процесс передачи информации влияют абсолютно все средства, задействованные в этом".
В будущем исследователи планирую достичь скоростей непрерывной передачи данных, превышающих порог в 100 мегабит в секунду. А это, в свою очередь, может быть достигнуто за счет использования нескольких 100-гигабитных каналов и дополнительных ресурсов хранения данных, находящихся на обоих концах коммуникационного канала.