Svaiginančiomis optinio ryšio bumo dienomis daug rinkodaros vadybininkų pasitikinčiai pranašavo, jog 40 Gb/s spartos pralaidos ryšio kanalai jau visai čia pat. Analitikai skatino kiekvieną sistemų kūrėją kuo skubiau užsiimti tinkamą vietą naujojoje rinkoje. Bet ir iki tol, kol šis burbulas sprogo, inžinieriai perspėdavo, kad perėjimas prie 40 Gb/s, ypač naudojant senesnes skaidulas, bus sunkus dalykas.

   Didžiausia ir bjauriausia problema yra dispersija. Kai yra pasiekiama 40 Gb/s sparta, kiekvienam bitui tenka 25 ps trukmės laiko tarpsnis, todėl chromatinės ir poliarizacijos modų dispersijų sutvarkymui lieka mažai vietos. Didesnės vidutinės galios grasina netiesiškų optinių reiškinių pasireiškimu. 40 Gb/s diapazone dar nėra komercinių elektronikos prietaisų. Šį sąrašą galima tęsti ir tęsti. Kad spartą 40 Gb/s yra neįmanoma pasiekti, mano nedaugelis inžinierių, bet niekas netiki, kad pereiti prie didesnės spartos galima paprastai ir pigiai, be to, lieka atviras klausimas, kada ir ar išvis kada nors pavyks tokios spartos sistemas padaryti ekonominiu požiūriu pranašesne alternatyva nei papildomų 10 Gb/s kanalų pridėjimas.

Chromatinė dispersija ir aktyvusis kompensavimas

   Dispersija turi nemažos reikšmės ir 10 Gb/s spartos viename kanale atveju, tarpsniui tarp bitų intervalų esant 100 ps. Tačiau, kai tokia sparta, chromatinės dispersijos kompensavimas būna gana paprastas. Gali būti papildomai įjungiamos dispersiją kompensuojančios skaidulos atkarpos, atsveriančios dispersiją skaiduloje, arba sistemos yra instaliuojamos naudojant dviejų arba daugiau rūšių skaidulų, parinktų tokiu būdu, kad jų chromatinės dispersijos panaikintų viena kitą. Poliarizacijos modų dispersija (PMD) sukelia daugiau problemų tiktai tose sistemose, kuriose yra senesnės skaidulos; pastaraisiais metais gamintose skaidulose PMD yra nedidelė.

   Problemos labai paaštrėja tada, kai pereinama prie 40 Gb/s spartos, bitų periodui likus vos 25 ps, nes chromatinės dispersijos įtaka augant duomenų perdavimo spartai auga kvadratiškai. Dukart didesnė bėda yra tada, kai išaugęs bitų dažnis kenkia dviem būdais. Pirma, kuo didesnė būna perduodamų bitų sparta, tuo trumpesnis ir intervalas tarp bitų, tuo jautresnė sistema darosi dispersijos įtakai - gali būti toleruojama ne didesnė kaip 10 ps dydžio dispersija. Antra, dėl padidėjusios bitų spartos taip pat padidėja išoriškai moduliuojamo lazerinio siųstuvo linijos plotis, ir dėl to padidėja ir impulsų išplitimas, proporcingas linijos pločio, savosios skaidulos dispersijos ir jos ilgio sandaugai. Taigi, dažnio padidinimas keturis kartus padidina ir impulsų išplitimą, ir sistemos jautrumą jam - bendras dispersijos poveikis išauga 16 kartų. Tai reiškia, kad skaidula, kuria 10 Gb/s sparta srautus buvo galima perduoti visai normaliu 640 km nuotoliu, jie bus perduoti 40 Gb/s sparta vos 40 km nuotoliu.

   Standartiniu chromatinės dispersijos kompensavimo atveju yra bandoma tiksliai subalansuoti dispersiją viename bangos ilgyje, tačiau 40 Gb/s atveju likutinė sistema jau tampa rimta problema. Svarbiu tampa dispersijos charakteristikos polinkis, dispersijos kitimas kintant bangos ilgiui, kuris įvairiose skaidulose ir įvairiuose kompensavimo įrenginiuose labai varijuoja. Naudojant pasyviąją kompensaciją polinkių tiksliai atitaikyti yra neįmanoma, todėl ties bangos ilgiais, esančiais virš ir po tiksliai sukompensuotu bangos ilgiu, dispersija palaipsniui kaupiasi (žr. 1 pav.). Tokį kaupimąsi dar galima toleruoti, kai sparta yra 10 Gb/s, bet pasiekus 40 Gb/s spartą jis darosi nepakeliamas.

   Vienas likutinės chromatinės dispersijos sumažinimo būdas yra atskirų, statinių chromatinės dispersijos modulių įjungimas į pavienius kanalus arba kanalų grupes. Tačiau ši koncepcija negali įskaityti laikui bėgant kintančių faktorių, pvz. dispersijos skaiduloje pakitimo dėl pakitusios temperatūros. Tinkamesne alternatyva yra aktyvioji kompensacija, kada imtuvo pusėje stovintis prietaisas matuoja chromatinės dispersijos dydį ir per grįžtamojo ryšio kilpą valdo kintančios dispersijos kompensatorių. Aktyvioji kompensacija leidžia valdyti su aplinkos sąlygomis susijusius pokyčius, bet šiuo atveju kiekviename kanale yra reikalinga brangi papildoma sistema.

   Chromatinės dispersijos kompensavimas teoriškai yra įmanomas ir jau esamose skaidulose, ir naujai klojamose optinio ryšio linijose. Tačiau praktiškai 40 Gb/s spartos sistemas atitinkantys dispersiniai reikalavimai geriausiai yra tenkinami tada, kai instaliuojamos naujos skaidulos, kurios yra parenkamos taip, kad skirtingi skaidulos segmentai vienoje linijos atkarpoje atsvertų vieni kitų daromą įtaką ir sumažintų dideliais nuostoliais pasižyminčių dispersiją kompensuojančių skaidulų poreikį.

   Poliarizacijos modų dispersija yra statistinės fliuktuacijos, atsirandančios dėl skaidulos ir ją supančios aplinkos nevienalytiškumo. Bendras šios dispersijos efektas pasireiškia impulsų trukmės didėjančiu greičiu, proporcingu perdavimo nuotolio kvadratinei šakniai, padaugintai iš dydžio, charakteringo kiekvienam skaidulos tipui. Akimirksninė plėtra atsitiktinai kinta laikui bėgant, todėl ji gali sutrikdyti ryšį, kai jis yra pats intensyviausias, o po to grįžti prie normalios - žemos reikšmės. Norint valdyti šį efektą 10 Gb/s sparta, pakanka naujų skaidulų su maža PMD, tačiau 40 Gb/s spartos sistemose gali prireikti aktyviosios PMD kompensacijos. Komercinių PMD kompensatorių jau yra, bet jie brangūs.

Galios reikalavimai ir netiesiški reiškiniai

   Kitas iššūkis 40 Gb/s spartos sistemų kūrėjams - tai netiesiškumų valdymas ir galios reikalavimai. Tikslus signalo bito užregistravimas priklauso nuo priimtųjų fotonų skaičiaus, todėl esant didesniems perdavimo greičiams tie fotonai turi atkeliauti per trumpesnį laiko intervalą, atitinkantį išaugusią vidutinę galią. Pereinant nuo 10 prie 40 Gb/s spartos intervalas tarp bitų sumažėja nuo 100 iki 25 ps, todėl gautoji galia privalo būti išaugusi keturis kartus, arba 6 dB.

   Galios didėjimas sukelia rimtų problemų, kadangi augant galiai skaidulose pradeda stipriau reikštis netiesiški optiniai reiškiniai - kaip keturbangis maišymas, fazės savimoduliavimas ir kryžminis fazių moduliavimas. Todėl ilgo nuotolio sistemose tolesnis siųstuvo galios didinimas yra nelabai praktiškas. Konstruktoriai mano, kad geresnė alternatyva yra perdavimas mažesne galia ir papildomų paskirstytųjų Ramano stiprintuvų, optinei galiai skaiduloje apriboti kaupinamų iš imtuvo pusės, įjungimas. Išilgai ryšio atkarpos dėl to pasiskirsto galia (pavaizduotas 2 pav.).

   Paskirstytaisiais Ramano stiprintuvais taip pat galima pasiekti mažesnius triukšmo lygius negu skaiduliniais erbiu legiruotais stiprintuvais, todėl atsiranda papildomų galimybių sistemos veikos kokybei gerinti.

Signalų kodavimas ir klaidų korekcija

   Konstruktoriai vis dar diskutuoja dėl to, koks bus geriausias 40 Gb/s spartos sistemų signalo formatas. Kodavimas be grįžties į nulį (NRZ - Non return to zero), kuriame aukštesnysis lygmuo visuomet reiškia 1, o žemesnysis - 0, veikia gerai, kai sistemos sparta yra 10 Gb/s. Nesant daugiau kaip vieno lygmens keitimo kiekvienam bitui, šiam kodavimo būdui reikia siauresnės kiekvienam bitui tenkančios dažnių juostos. Kadangi galios lygis negrįžta į nulį po kiekvieno bito, NRZ signalai yra jautresni degradavimui, po ilgų vienetų ar nulių grandinėlių ypač dažnai dingsta sinchronizavimas.

   Grįžties į nulį (RZ - Return to Zero) kodavimas yra kur kas stabilesnis, nors esant dviem lygio pokyčiams kiekviename bite (žr. 3 pav.), reikalinga platesnė dažnių juosta. RZ būdingi signalo lygmens pokyčiai supaprastina sinchronizavimą. Yra keli RZ kodavimo variantai, įskaitant čia ir solitonų naudojimą. Bet galutinis sprendimas, kuris formatas bus naudojamas, dar nepriimtas, todėl įvairiose sistemose jis gali būti skirtingas.

   Kai kuriose 10 Gb/s sistemose yra naudojamas tiesioginis klaidų taisymas (FEC - Forward Error Correction); jis 40 Gb/s spartos sistemose bus privalomas . Šia technika nustatomi ir automatiškai koreguojami klaidingi bitai, pasitelkiant tam matematinę duomenų analizę, papildomų bitų kodavimą ir jų prijungimą prie duomenų srauto. Įprastiniai lyginumo (parity) bitai, pridėti prie kompiuterio duomenų, yra paprasčiausias klaidų aptikimo būdas; sudėtingesnė FEC technika leidžia tuos klaidingus bitus ir ištaisyti. Stiprios FEC leidžia sumažinti klaidingų bitų dažnį nuo 10^-3 iki 10^-20, ir mažiau. Egzistuoja kelių tipų FEC; naujesni iš jų prie pradinio bitų srauto prideda ne daugiau kaip 10% papildomos informacijos.

   Paprastas tiesioginis klaidų taisymas negali atstatyti ilgų klaidingų bitų pliūpsnių, atsirandančių, pavyzdžiui, dėl laikino PMD sustiprėjimo. Tą galima padaryti pertvarkant įvestyje bitų seką taip, kad ilgos perduotų bitų grandinėlės praradimas vestų vien prie kiekvienoje įvesties sekoje dingimo po kelis bitus neviršyjant klaidų taisymo sistemos galimybių.

Elektronikos problema

   Dar viena komplikacija atsiranda dėl to, kad 40 Gb/s sparta atitinka šiuolaikinės elektronikos galimybių ribą. Prietaisai gali būti pagaminti, neatitinkantys standartiniams gaminiams keliamų reikalavimų, kurių konstrukcijai turės būti skiriamas ypatingas dėmesys. Akivaizdi yra išorinio moduliavimo būtinybė, tačiau tai gali tekti atlikti dviem etapais - pradžioje sukuriant impulsų seką, o po to įjungiant ir išjungiant atskirus impulsus. Didelio dažnio elektrooptiniai moduliatoriai dar vis gaminami iš ličio niobato, bet jau pradeda pasirodyti ir kitos medžiagos.

   Elektroninis 40 Gb/s spartos signalų generavimas ir apdorojimas kelia nemažai problemų kuriant siųstuvus ir imtuvus. Konstruktoriai išbando optinį laikinį sutankinimą, keturis 10 Gb/s spartos kanalus perklojant tarpusavyje ir sudarant vieną 40 Gb/s spartos srautą. Panašiais būdais išretinami ir didelės spartos srautai. Visose elektroninėse sistemose gali prireikti spartesnių elektroninių medžiagų, tokių kaip indžio fosfido.

Kainos ir naudos analizė

   Inžinerijoje svarbiausia yra palyginimas naujos sistemos kainos su jos teikiamais privalumais, todėl būtent čia bus galiausiai sprendžiamas 40 Gb/s sistemų likimas. Telekomunikacijų operatoriai pereis nuo mažesnių duomenų perdavimo spartų tiktai tada, kai vienas 40 Gb/s spartos kanalas kainuos mažiau negu keturi 10 Gb/s spartos kanalai arba šešiolika 2,5 Gb/s spartos kanalų.

   40 spartos Gb/s sistemų šalininkai tikisi, kad dėl jų sumažės sąsajų bei galimų gedimo vietų skaičių, tuo pat metu padidės jų patikimumas ir sumažės darbo ir priežiūros kainas. Be to, bus galima sutaupyti išlaidų ir dėl naujosios sistemos komutavimo centruose mažiau užimdamos vietos.

   Daug žadančia rinka 40 Gb/s sistemoms bus tankiai apgyvendinti miesto rajonai. Dėl trumpų atstumų sumažės bendra dispersija, (tuo tarpu kasinėjant miesto centre gatves gali būti išleista labai daug pinigų. Povandeninių kabelių tiesimas bus sudėtingesnis. Šiuo atveju bus naudojamos tiktai naujos ir gerai prižiūrimos skaidulos.

   Vis dėlto bent jau pradžioje dėl tokių sudėtingų posistemių, kokių, pavyzdžiui, reikia aktyviajam dispersijos kompensavimui, poreikio gali bendra sistemų kainą pakilti iki ekonomiškai nepriimtino lygmens. Gali tekti tiesti naujas skaidulas, atitinkančias keliamus griežtus dispersinius reikalavimus, taip pat padidinsiančias sistemų kainą. Svarbiausias dabar yra keliamas ekonominis klausimas, ar ne pigiau būtų papildyti esančias sistemas kitų bangos ilgių 10 Gb/s spartos kanalais ar netgi nutiesti naujas 10 Gb/s spartos srautus perduodančias skaidulas, negu kad mokėti didelius pinigus už naują 40 Gb/s spartos sistemą. Atsakymas į šį klausimą dar ne kartą bus kitoks.