Interneto kabelių optinių skaidulų šviesa

Kaip šviesa keliauja po vandeniu ir po žeme

Kai naršote internetą, žiūrite filmą ar skambinate per vaizdo ryšį, jūsų duomenys greičiausiai keliauja šviesos greičiu – tiesiogine to žodžio prasme. Optiniai kabeliai, kurie jungia žemynus po vandenynų dugnu ir driekiasi po miestų gatvėmis, perduoda informaciją ne elektros impulsais, kaip senojo tipo variniai laidai, o šviesos signalais. Tai skamba futuristiškai, bet ši technologija jau kelias dešimtmetes yra interneto stuburas.

Optinė skaidula – tai plonytė stiklo ar plastiko gija, kuri veikia kaip šviesos vamzdis. Įsivaizduokite labai ilgą, lanksčią stiklo vamzdelį, plonesnis už žmogaus plauką. Šviesa įleidžiama į vieną galą ir keliauja visą atstumą iki kito galo, atsimušinėdama nuo sienelių kaip kamuolys koridoriuje. Net jei kabelis sulenktas ar susisukęs, šviesa vis tiek randa kelią. Tai įmanoma dėl visiško vidinio atspindžio – fizikos reiškinio, kurį mokslininkai pradėjo tyrinėti dar XIX amžiuje.

Fizika, kuri leidžia šviesai apsisukti už kampo

Visiškas vidinis atspindys – tai pagrindinis principas, dėl kurio optinės skaidulos veikia. Kai šviesa keliauja iš vienos medžiagos į kitą (pavyzdžiui, iš stiklo į orą), ji gali atsimušinėti atgal vietoj to, kad praeitų per sieną. Tai vyksta, kai šviesa krenta tam tikru kampu ir kai viena medžiaga yra optiškai tankesnė už kitą.

Optinėje skaiduloje yra kelios sluoksnių dalys. Viduryje – branduolys (core), pagamintas iš labai grynos stiklo rūšies su aukštu lūžio rodikliu. Aplink jį – apvalkalas (cladding), kuris taip pat stiklinis, bet su žemesniu lūžio rodikliu. Šis skirtumas ir sukuria magišką efektą: šviesa, judėdama branduolyje, atsimuša nuo apvalkalo ribos ir negali ištrūkti. Ji kaip įkalinta viduje ir keliauja toliau, net jei kabelis sulenktas.

Išorėje dar yra apsauginiai sluoksniai – plastikinė danga, stiprinantys elementai, kartais net šarvuotė, jei kabelis klojamas vandenyno dugne ar kitoje agresyvioje aplinkoje. Bet pati informacija keliauja tik tame plonytėje stiklo branduolyje.

Nuo telegrafų iki terabitų per sekundę

Idėja perduoti informaciją šviesa nėra nauja. Jau senovėje žmonės naudojo šviesą komunikacijai – laužus ant kalnų viršūnių, vėliau švyturius. XIX amžiuje Alexanderis Grahamas Bellas eksperimentavo su „fotofonu” – įrenginiu, kuris perdavė balsą šviesos spinduliu. Bet praktiškai panaudoti šią idėją ilgų atstumų komunikacijai buvo neįmanoma, kol nebuvo išrastos tinkamos medžiagos ir šviesos šaltiniai.

Lūžis įvyko XX amžiaus septintajame dešimtmetyje. 1966 metais Charlesas Kao ir George’as Hockham paskelbė revoliucinį tyrimą, kuriame parodė, kad labai grynos stiklo skaidulos gali būti naudojamos telekomunikacijoms. Tuo metu stiklas buvo per daug nešvarus – šviesa prarasdavo per daug energijos keliaudama. Bet Kao įrodė, kad tai ne fundamentali problema, o technologinė. Už šį darbą jis 2009 metais gavo Nobelio premiją.

Jau 1970 metais Corning Glass Works sukūrė pirmąją optinę skaidulą, kuri atitiko reikalavimus telekomunikacijoms – šviesa galėjo keliauti daugiau nei kilometrą neprarasdama per daug stiprumo. Tais pačiais metais buvo išrasti puslaidininkių lazeriai, kurie galėjo veikti kambario temperatūroje. Šie du išradimai atvėrė kelią optinių kabelių erai.

Kaip informacija paverčiama šviesa

Kai siunčiate žinutę ar atidarote svetainę, jūsų kompiuteris ar telefonas siunčia duomenis kaip elektrinius signalus. Bet kad šie duomenys galėtų keliauti optiniu kabeliu, juos reikia paversti šviesos impulsais. Tai daro specialūs įrenginiai – siųstuvai su lazeriais arba šviesos diodais (LED).

Lazeriai yra geresni ilgiems atstumams, nes jie sukuria labai gryną, vienalytę šviesą, kuri mažiau išsisklaidžia keliaudama. Interneto magistraliniuose kabeliuose naudojami infraraudonieji lazeriai – žmogaus akiai nematoma šviesa, kurios bangos ilgis dažniausiai būna apie 1310 arba 1550 nanometrų. Šie konkretūs bangos ilgiai pasirinkti ne atsitiktinai – būtent ties jais stiklas turi mažiausią šviesą sugeriančią savybę.

Duomenys koduojami labai paprastai: šviesa dega – tai vienetas, šviesa nedega – tai nulis. Bet realybėje viskas daug sudėtingesnė. Modernios sistemos naudoja sudėtingus moduliacijos būdus, kai keičiamas ne tik šviesos buvimas ar nebuvimas, bet ir jos fazė, poliarizacija, intensyvumas. Vienu metu tuo pačiu kabeliu gali keliauti dešimtys ar net šimtai skirtingų šviesos bangų ilgių – kiekvienas neša savo duomenų srautą. Ši technologija vadinama WDM (Wavelength Division Multiplexing) ir leidžia vienam kabeliui perduoti neįtikėtinus duomenų kiekius.

Vienmodės ir daugiamodės skaidulos – ne viskas vienoda

Optinės skaidulos nėra vienodos. Yra dvi pagrindinės rūšys: vienmodės (single-mode) ir daugiamodės (multi-mode), ir jos skirtos skirtingiems tikslams.

Daugiamodės skaidulos turi storesnį branduolį – apie 50-62 mikrometrus. Šviesa gali keliauti įvairiais keliais (modais) per šį branduolį, atsimuštinėdama skirtingais kampais. Tai palengvina šviesos įleidimą į kabelį ir leidžia naudoti pigesnius LED šviesos šaltinius. Bet problema ta, kad skirtingais keliais keliaujanti šviesa pasiekia tikslą skirtingu laiku – tai vadinamas modaline dispersija. Dėl to signalas išsiplečia ir išsibarsto, o tai riboja atstumą ir greitį. Daugiamodės skaidulos naudojamos trumpiems atstumams – pastatuose, duomenų centruose, vietiniuose tinkluose.

Vienmodės skaidulos turi labai ploną branduolį – tik apie 8-10 mikrometrų. Šviesa gali keliauti tik vienu keliu – tiesiai per centrą. Tai reikalauja labai tikslių lazerių ir brangesnės įrangos, bet signalas gali keliauti dešimtis ir šimtus kilometrų be stiprinimo. Būtent tokios skaidulos naudojamos ilgų atstumų komunikacijose – tarp miestų, tarp šalių, per vandenynų dugną.

Vandenyno dugne – interneto gyvybės linijos

Kai atsiunčiate el. laišką į kitą žemyną ar žiūrite vaizdo įrašą iš užsienio serverio, jūsų duomenys greičiausiai keliavo per vandenyno dugną. Palydovinė komunikacija, nors ir skamba moderniau, perduoda tik nedidelę dalį tarptautinio interneto srauto – ji per lėta ir per brangi dideliems duomenų kiekiams.

Povandeniniai optiniai kabeliai yra tikri inžinerijos stebuklai. Jie gali būti tūkstančius kilometrų ilgio ir guli kelių kilometrų gylyje. Pirmasis transatlantinis optinis kabelis TAT-8 buvo nutiestas 1988 metais tarp JAV, Britanijos ir Prancūzijos. Jis galėjo perduoti 40 000 vienu metu vykstančių telefono pokalbių – to meto mastu tai buvo neįtikėtina. Šiandien naujausi kabeliai gali perduoti šimtus terabitų per sekundę.

Tokio kabelio konstrukcija primena rusišką matriošką. Viduje – kelios ar keliolika optinių skaidulų. Aplink jas – vandenį atmetantis gelis. Toliau – vario vamzdelis, kuris tiekia elektros energiją signalų stiprintuvams (repeaters), išdėstytiems kas 50-100 kilometrų. Dar išoriau – stiprinantys plieniniai lynai, nes kabelį reikia tempti dešimtis kilometrų į gylį. Galiausiai – išorinė apsauga, kuri prie krantų būna storesnė (ten kabelis gali būti pažeistas laivų inkarų ar žvejybos tralų).

Klojant tokį kabelį naudojami specialūs laivai su milžiniškais būgnais. Kabelis leidžiamas lėtai, o laivas juda numatytu maršrutu. Dugne kabelis dažnai tiesiog guli, bet seklesnėse vietose jis užkasamas į gruntą. Visas procesas gali trukti mėnesius ir kainuoti šimtus milijonų dolerių.

Kai šviesa nusilpsta – stiprintuvai ir regeneratoriai

Net ir labai gryname stikle šviesa pamažu silpnėja keliaudama. Fotonai sugeriami, išsisklaidžia, nukrypsta. Po tam tikro atstumo signalas tampa per silpnas, kad jį būtų galima patikimai perskaityti. Trumpiems atstumams tai ne problema, bet kai reikia perduoti duomenis per šimtus ar tūkstančius kilometrų, reikia pagalbos.

Anksčiau naudoti optoelektriniai regeneratoriai – įrenginiai, kurie paversdavo šviesą elektra, sustiprindavo signalą, išvalydavo triukšmą ir vėl paversdavo elektra šviesa. Bet tai buvo brangu ir sudėtinga, ypač povandeniniuose kabeliuose, kur prieiga prie įrangos praktiškai neįmanoma.

Revoliuciją padarė optiniai stiprintuvai, ypač EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), išrasti devintojo dešimtmečio pabaigoje. Tai specialios optinės skaidulos, į kurių stiklą įmaišyta erbio atomų. Kai pro tokią skaidulą eina silpnas signalas, o iš šono ją apšviečia galingas lazeris (kaip taisyklė, 980 nm arba 1480 nm bangos ilgio), erbio atomai sužadinami ir išspinduliuoja papildomus fotonus, kurie sustiprina praeinantį signalą. Genialiausia tai, kad viskas vyksta optiškai – nereikia jokių elektrinių konversijų.

Šie stiprintuvai yra santykinai paprasti, patikimi ir gali veikti dešimtmečius be priežiūros – idealu povandeniniams kabeliams. Jie taip pat gali vienu metu stiprinti daugybę skirtingų bangos ilgių, kas leidžia efektyviai naudoti WDM technologijas.

Optika namie – kai šviesolaidis ateina į jūsų svetainę

Optiniai kabeliai seniai nebėra tik didžiųjų telekomunikacijų kompanijų reikalas. FTTH (Fiber To The Home) – šviesolaidis iki namų – tampa vis populiaresnis. Jei turite tokį ryšį, optinis kabelis ateina tiesiai į jūsų butą ar namą, kur specialus įrenginys – optinis tinklo terminalas (ONT) – paverčia šviesos signalus į įprastus elektrinius, kuriuos supranta jūsų kompiuteris ar maršrutizatorius.

Šviesolaidžio pranašumai akivaizdūs: milžiniški greičiai (gigabitai per sekundę jau standartinė paslauga), labai mažas vėlavimas (svarbu žaidimams ir vaizdo skambučiams), atsparumas elektromagnetiniams trukdžiams, patikimumas. Skirtingai nuo varinių laidų, kurie gali koroduoti ar prastėti dėl drėgmės, stiklas praktiškai nesensta.

Tiesa, yra ir trūkumų. Optiniai kabeliai jautresni mechaniniams pažeidimams – per stipriai sulenkus ar suspaudus skaidulą, ji gali įtrūkti. Montavimas reikalauja specialios įrangos ir įgūdžių. Skaidulų sujungimas (suvirinimas) – tai tikslus procesas, kai du stiklo galai sulydomi kartu specialiu aparatu, kuris sulydo juos elektros lanku. Geras suvirinimas praktiškai nemato signalo praradimo, prastas gali sugadinti visą liniją.

Ateities šviesa – kur link judame

Optinių technologijų raida nestovi vietoje. Mokslininkai ir inžinieriai nuolat ieško būdų, kaip perduoti dar daugiau duomenų dar greičiau. Viena įdomiausių krypčių – erdvinė multipleksacija, kai naudojamos specialios daugiabranduolės skaidulos su keliais atskirais branduoliais vienoje skaiduloje, arba skaidulos, kurios palaiko daug skirtingų orbitinių kampinio momento modų. Tai kaip turėti kelis atskirus kabelius viename.

Kita kryptis – fotonikos integravimas. Vietoj atskirų komponentų – lazerių, moduliatorių, detektorių – kuriami fotonikos lustai, kur visa optinė sistema integruota viename mikroscheme, panašiai kaip elektroniniai tranzistoriai integruoti procesorių lustuose. Tai gali drastiškai sumažinti kainą ir energijos suvartojimą.

Kvantinė komunikacija – dar viena sritis, kur optinės skaidulos vaidina pagrindinį vaidmenį. Perduodant informaciją pavieniais fotonais ir naudojant kvantinės mechanikos dėsnius, galima sukurti absoliučiai saugius ryšio kanalus, kurių neįmanoma pasiklausyti nepastebėtam.

Optiniai kabeliai jau dabar yra modernios civilizacijos nervų sistema. Kiekvieną dienę per juos keliauja neįsivaizduojami duomenų kiekiai – vaizdo įrašai, pokalbiai, verslo sandoriai, moksliniai tyrimai, pramogos. Ir visa tai vyksta šviesos greičiu, per plonytes stiklo gijas, kurios driekiasi po žeme ir po vandenynais, jungia žemynus ir žmones. Tai technologija, kuri padarė globalią kaimynystę ne tik įmanomą, bet ir kasdienybe. O kai pagalvojate, kad visa tai veikia dėl paprastos fizikos taisyklės – šviesos atspindžio stiklo viduje – dar labiau įvertinate žmogaus išradingumo galią.