Glasfaserkabel ermöglichen schnellere und weitreichendere Hochgeschwindigkeitsdatenketten

Neue Glasfaserkabel, fortschrittliche Modulationstechniken und verbesserte Mehrfaseranschlüsse mit hoher Dichte bedeuten, dass wir der Shannon-Grenze möglicherweise näher sind als je zuvor. Für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung suchen Wissenschaftler weiterhin nach Kupferummantelungen und -kabeln, die die Signaldämpfung, die Verzerrung und die Anfälligkeit für externe Störungen verringern. Langfristig werden Glasfasern das Kupfer ersetzen, und fortschrittliche Techniken zur Signalaufbereitung, Multibandmodulation und Fehlerkorrektur haben es den Ingenieuren ermöglicht, biaxiale Kupferkabel zu entwickeln, die 112 Gb/s übertragen können, weit mehr als noch vor einigen Jahren erwartet. Jede Technologie hat ihre Grenzen, und Hochgeschwindigkeits-Kupferkanäle könnten sich den Grenzen nähern, die durch die Gesetze der Physik gesetzt sind. Die Dämpfung verringert die effektive Kanallänge bei steigenden Bandbreitenanforderungen. Glasfaserverbindungen bieten eine hohe Bandbreitenkapazität und eine sehr geringe Dämpfung, was sie zu einer attraktiven Alternative macht. Die Vorteile der Glasfasertechnik werden seit vielen Jahren für Langstreckenkommunikationsleitungen genutzt. Zu den Hauptproblemen gehören der für den photoelektrischen Umwandlungsprozess erforderliche Stromverbrauch, die Kosten und die internen Faserverbindungen. Mit der Entwicklung der Silizium-Photonik und der Beschaffenheit von Glasfasern hat sich diese Situation geändert. Optische Fasern werden im Allgemeinen in Multimode- und Monomode-Fasern unterteilt. Multimode-Fasern sind in der Lage, Multimode-Licht mit kostengünstigen LED-Lichtquellen zu übertragen. Bei Singlemode-Fasern werden in der Regel modulierte Laser verwendet, die jedoch eine wesentlich größere Reichweite und Bandbreite aufweisen. Kostengünstige Kunststoff-Lichtwellenleiter werden derzeit für relativ kurze Anwendungen mit geringer Datenübertragungsrate verwendet. Die Internationale Organisation für Normung (ISO) hat die Leistung von Glasfaserkabeln durch die Bezeichnungen der Reihe OM1-5 standardisiert. Glasfasern wurden in Bezug auf Bandbreite, Festigkeit, Dämpfungsreduzierung, einfache Installation und Kostenreduzierung kontinuierlich verbessert. Ursprünglich waren Glasfaserkabel sehr anfällig für Signaldämpfungen und Brüche aufgrund von rauen oder scharfen Biegungen. Neue Singlemode- und Multimode-Fasern haben den Bereich der Biegeradien erweitert. Das Glas, aus dem der Lichtleiter besteht, wird weiter optimiert, um Streuverluste, Dispersion, Polarisationsmodendispersion und Mikrobiegedämpfung zu verringern. Bestehende Glasfaserkabel haben eine Reichweite von 1550 m bei einer Dämpfungslänge von nur 0,15 dB/km. Die Zunahme von Campus- und Metro-Rechenzentren ist ein neuer Trend. 100 km lange optische Kommunikationsverbindungen mit hoher Kapazität sind zu einer entscheidenden Voraussetzung für den Betrieb großer Systeme im Netz geworden. Die Kapazität optischer Verbindungen verbessert die Kosteneffizienz und unterstützt effektiv das exponentielle Wachstum des Netzverkehrs.

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Eine Lösung ist die Verwendung von Multicore-Fasern. In einer einzigen Faser können Multicore-Fasern verschiedene Signale gleichzeitig übertragen, wodurch die Datenübertragungsdichte einer einzelnen Faser erhöht wird. Moderne Glasfaserkabel mit sehr hoher Faserdichte kommen auf den Markt, um das anhaltende Wachstum des Datenverkehrs zu unterstützen. Furukawa hat kürzlich 6.912 Fasern in einem Rohr mit einem Durchmesser von 1,25 Zoll zwischen zwei nordamerikanischen Rechenzentren installiert. Hohlkernfasern sind eine weitere interessante Variante. Statt durch Glas oder Kunststoff wird das Licht durch einen luftgefüllten Kern geleitet. Verbesserungen in der Produktherstellung haben die Verluste und Verzögerungseigenschaften verringert, so dass Hohlkernfasern für Anwendungen, die sehr kurze Impulse oder Licht oder Daten mit minimaler Verzögerung übertragen müssen, sehr attraktiv sind. Aktive optische Kabel (AOCs) werden bevorzugt, weil sie die Möglichkeiten herkömmlicher Kupferkabel erweitern können. Über eine Standard-Kupferschnittstelle werden die Signale in der Zugentlastung des Steckers in optische Impulse umgewandelt und in die Faser eingekoppelt. Und das ist der umgekehrte Prozess. Für den Installateur erhöht sich die Reichweite des Glasfaserkabels und die Größe des Glasfaserkabels verringert sich. Starke Glasfasern zeichnen sich durch innere Festigkeit und robuste Außenmäntel für den Einsatz in rauen militärischen, avionischen und industriellen Anwendungen aus. Die Verpackungsoptionen für Glasfasern werden weiter ausgebaut und umfassen nun auch flache Bandkonfigurationen, die die Verkabelung vereinfachen und den Widerstand gegen den Kühlluftstrom verringern. MPO- und MXC-Steckverbinder mit hoher Dichte und mehreren Fasern ermöglichen den Anschluss von bis zu 72 Fasern. Um die wachsende Nachfrage nach Netzkapazitäten zu befriedigen, können Ingenieure die Effizienz der bestehenden Glasfaserinfrastruktur erhöhen, indem sie mehr Glasfasern verlegen. Die parallele optische Technologie bietet eine Alternative zu Einzeladern oder Glasfasern. Ein Sender an einem Ende kommuniziert mit einem Empfänger am anderen Ende und überträgt einen einzigen Datenstrom über mehrere Fasern. Auf diese Weise konfiguriert, kann eine parallele optische Verbindung ein 10-Gb/s-Signal mit vier 2,5-Gb/s-Sendern übertragen. Im Gegensatz zu monochromatischem Licht, das ebenfalls mehrere Datenströme gleichzeitig über dieselbe Faser übertragen kann. Der Multiplexer auf der Senderseite kodiert mehrere Datenströme mit unterschiedlichen Frequenzen, die in einen einzigen Strahl eingebettet sind, der in eine einzige Faser eingekoppelt wird. Und vice versa. Auf der Empfangsseite des Kanals. Zwei optische Signale können über eine einzige Faser übertragen werden. Bis zu 80 Datenkanäle können auf einer einzigen Glasfaser gemultiplext werden. kann auf einer einzigen Glasfaser gemultiplext werden. Fortschrittliche Modulationsverfahren ermöglichen es den Entwicklern, die optische Übertragungskette weiter zu verbessern. Die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) kombiniert mehrere Schichten von Amplituden- und Phasenvariationen, um die Kapazität optischer Datenübertragungsstrecken zu erhöhen. Die kohärente Modulationstechnik, die eine Kombination aus Amplitude, Phase und Polarisation verwendet, ist die robusteste und effektivste Methode zur Optimierung der optischen Datenübertragung. Die Methode kombiniert vier Arten der horizontalen Amplituden- und Phasenmodulation sowie vertikale und horizontale optische Polarisationstechniken, um die Datenkapazität einer einzelnen Faser zu maximieren. Diese Technik wird in der nächsten Generation von 800-Gb-Verbindungen eingesetzt. Beide Techniken haben die Möglichkeiten von Glasfasern auf ein neues Niveau gehoben. Die Industrie steht kurz davor, sich den theoretischen Grenzen eines einzelnen Kommunikationskanals zu nähern. Die Shannon-Grenze, die 1948 eingeführt wurde, ist die berechnete maximale fehlerfreie Datenrate. Noch vor wenigen Jahren gab es angesichts der Kapazität der vorhandenen optischen Kanäle kaum Bedenken. Es gibt eine Reihe von Trends, die Hochgeschwindigkeitsdatenketten vorantreiben, darunter das Wachstum von Super-Rechenzentren, die Verlagerung von Rechenressourcen an den Rand, die fortgesetzte Einführung von 5G und die Ausweitung der Glasfaser bis in die Haushalte. Die Nutzung der Glasfaserleistung und fortschrittlicher Modulationstechniken in Verbindung mit verbesserten hochdichten Glasfaseranschlüssen bietet einen Fahrplan für die Zukunft der Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung und -kommunikation.

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