Nye fartsrekorder over kobber- og fiberkabler

Selv om de fleste sportsgrener for øyeblikket er stengt ned verden over på grunn av korona-pandemien, betyr ikke det at det ikke blir satt nye verdensrekorder.

I løpet av de siste ukene har det blitt satt tre nye uoffisielle verdensrekorder i overføring av data, to med optiske fibre og én – litt overraskende – med kobberbaserte telefonkabler.

Vi starter med telefonkablene.

I dag er det primært fiberoptiske løsninger det forskes og utvikles på når man snakker om fremtidens høyhastighetsforbindelser. Men et team med amerikanske forskere fra Brown University har vendt seg mot en aldrende teknologi, nemlig DSL – altså teknologien som gjør det mulig å overføre data over kobber-telefonkabler.

De brukes i dag til å overføre data med opp til 100 megabit i sekundet over avstander på omkring 500 meter. Jo kortere distanse, jo høyere hastighet.

Mens vi i dag sender data over DSL på megahertz-frekvenser, har professor Daniel Mittleman fra Brown University vist at det er mulig å sende opptil 10 terabit i sekundet på en avstand på tre meter, hvis man skrur opp signalstyrken. Det er mulig på grunn av tekniske forbedringer av gigahertz-transmittere som kan benyttes til DSL.

Hastigheten faller imidlertid raskt hvis man øker avstanden med særlig mange meter. Når avstanden forlenges til 15 meter faller hastigheten til 30 gigabit i sekundet.

Konkret sender forskerne et konstant 200 gigahertz-signal gjennom et oppsett som minner om en DSL-kabel med et par vridde telefonkabler omsluttet av metall. Kabelen består av to 0,5 mm brede kobbertråder, som trekkes parallelt i et rør av rustfritt stål.

– Teoretisk er det raskere enn noen annen kanal du kan forestille deg, selv fiberoptikk kan ikke nå 10 terabit per sekund, sier Daniel Mittleman til IEEE Spectrum. De nye resultatene er publisert i tidsskriftet Applied Physics.

Det er snakk om så korte avstander at den nye teknologien sannsynligvis ikke blir tatt i bruk til private DSL-forbindelser. I stedet kan det være en løsning for hvordan man kan flytte rundt på data internt i et datasenter på en rask og billig måte.

Den korte rekkevidden skyldes at mye energi går tapt på grunn av motstand i den metallkappen som omkranser telefonkabelen. Det begrenser også bruken av den nye måten å bruke DSL-kabler på.

– Hvis det hadde vært mulig å sende signaler med hastigheter på terabit i sekundet over hundrevis av meter, hadde det vært verdt milliarder av kroner – det hadde vært flott! sier Daniel Mittleman til IEEE Spectrum.

172 Tbit/s over 2000 kilometer

Selv om den amerikanske DSL-rekorden lyder imponerende, så er det fortsatt et stykke fra de hastighetsrekorder som settes for tiden på de mer eksperimentelle fiberoptiske multikjernekablene, blant annet i Japan og hos Nokia i Finland.

I Japan har en gruppe forskere fra National Institute for Communications Technology (NICT) vist hvordan de nå er i stand til å sende 172 terabit per sekund gjennom en enkelt multikjernefiber på 125 µm over 2.000 kilometer. Til sammenligning skal det største kommersielle nettverket, Pacific Light Cable Network, som skal forbinde Hongkong med USA og for tiden er under etablering, bruke seks fibre for å sende 144 terabit i sekundet, mens japanske NICT kan klare seg med én fiber.

Rekorden er oppnådd ved å utnytte teknologien «spatial-division multiplexing» på en ny måte. Det er det optiske motstykket til MIMO (Multiple Input Multiple Output) innenfor radiotransmisjon, der man øker kapasiteten og hastigheten ved å øke antallet antenner. Spatial-division multiplexing fungerer ved at man pakker flere lysledende kjerner i én fiber og sender lys gjennom flere parallelle forbindelser, som så samles i enden av fiberen.

Det er imidlertid en rekke fysiske begrensninger ved den eksisterende teknologien, fordi de enkelte kjernene skal holdes adskilt med minst 40 mikrometer for å unngå støy og interferens mellom dem. Det betyr at du i dag ikke kan samle mer enn fem kjerner i en standard fiber med diameter på 125 mikrometer, som er standarden for de undersjøiske nettverkene. Hvis man går over disse målene, blir fiberkablene stive og dyre å installere.

Japanske NICT presenterte de nye resultatene på konferansen International Conference on Optical Fiber Communication (OFC 2020), som passende nok ble avholdt virtuelt i midten av mars.

Her fortalte den tyske nettverksforskeren Georg Rademacher hvordan han og hans NICT-kolleger i Japan helt har gitt opp å adskille lyssignalene, men i stedet lar dem spre seg mellom tre kjerner og så samles igjen i enden av fiberkabelen.

– Kjernene er tettere på hverandre, så signalene med vilje pares med hverandre. Ideelt blir lyset i en kjerne spredt til de andre kjernene etter kun få meter, sier Georg Rademacher i en pressemelding.

Fordi lyset spres etter kort avstand, er den etterfølgende behandling av signalet enklere, lyder det fra Rademacher.

For to år siden satte den samme forskningsgruppen en lignende rekord da de sendte 159 terabit i sekundet på en fiber med tre kjerner over 1000 kilometer. Selv om NICTs nye verdensrekord er satt på fiberoptisk utstyr som minner om eksisterende kommersielle fiberoptiske kabler, er det likevel et stykke frem til at teknologien kan overføres til de kommersielle undersjøiske kablene som forbinder verdensdelene med hverandre.

Selv om 172 terabit i sekundet høres ut som voldsomt mye, så er det faktisk markant lavere enn de verdensrekordene som danske DTU-forskere har satt i flere omganger. Tilbake i 2016 nådde Leif Katsuo Oxenløwe, professor ved DTU Fotonik, sammen med sine kolleger opp på 661 terabit i sekundet på en enkelt fiber. Den rekorden er imidlertid satt i et laboratorium med en fiber på hele 30 kjerner, mens den japanske rekorden er foretatt med én fiber med tre kjerner over 2000 kilometer.

1,5 millioner Youtube-videoer samtidig

Den siste rekorden vi skal kikke på i denne omgangen er noe mindre, men til gjengjeld satt med kommersielt tilgjengelige fiberoptiske løsninger. Det er Nokia Bell Labs som har vært i stand til å sende 1,52 terabit i sekundet over 80 kilometer i en standard enkeltkjerne fiber, noe Inside Telecom omtalte i artikkelen: «5G gir raskere fiberoptikk».

Det tilsvarer å strømme 1,5 millioner Youtube-videoer samtidig, og er ifølge Nokia Bell Labs omkring fire ganger så raskt som eksisterende kommersielle løsninger, som topper ved 400 gigabit i sekundet.

Det er bare rundt ett år siden Nokia Bell labs satte den nåværende rekorden på 1,3 terabit i sekundet i september 2019. Nøyaktig hva som gjør Nokia Bell Labs i stand til å øke hastigheten med 0,22 terabit i sekundet er uvisst.

Denne saken ble først publisert på danske Ingeniøren, og gjøres tilgjengelig på norsk gjennom vår samarbeidsavtale med Teknologiens mediehus/Ingeniøren.