Что такое и как работает оптоволокно
Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь возможны благодаря тонким стеклянным нитям, тянущимся по морскому дну между континентами. Если бы не оптоволокно, вы бы вряд ли читали эти строки. Принципиальные основы этой технологии описаны еще в середине XIX века. Тогда в роли проводника сигнала безуспешно пытались использовать воду. Подходящие для реализации смелой идеи материалы были разработаны только через сто с лишним лет.
Проводник для света
В обычном проводе сигнал передается по медной жиле. Информацию переносит поток электронов – электрический ток. Данные передаются зашифрованными в двоичном коде. Если импульс проходит – это обозначает единицу, не проходит – ноль. В оптоволоконной линии связи принцип кодировки тот же, но информацию переносят фотоны или световые волны, точнее, и то, и другое одновременно. Ученые так долго спорили о природе света, что в конце концов объединили несовместимые теории. Но не нужно понимать квантово-волновой дуализм, чтобы разобраться, как свет используют для передачи информации в телекоммуникационных сетях. Достаточно понять, как заставить свет течь по проводам на протяжении километров. Первое, что приходит в голову, – зеркала.
Сделайте металлическую трубку и покройте изнутри гладким слоем, например, из серебра. Свет, попав внутрь с одной стороны, будет отражаться от стенок, пока не достигнет выхода с другой стороны. Неплохая идея, но она не будет работать. Во-первых, изготовление такой трубки нужной длины – чрезвычайно сложная, а значит и дорогая задача. Во-вторых, коэффициент отражения серебра – 99%, то есть попавший в трубку свет будет терять энергию и уже через 100 отражений совершенно погаснет. Гораздо лучше обойтись и без зеркал. Как это сделать, подскажут основы геометрической оптики, заложенные в XIX веке. Основную идею легко продемонстрировать на примере аквариума. Луч света от источника под водой проходит через границу воды и воздуха – двух сред с разными оптическими свойствами – и частично меняет направление движения, а частично отражается от границы двух сред как от зеркала.
Если угол падения луча уменьшать, в определенный момент свет перестанет выходить из воды вовсе и будет отражаться полностью, на 100%. Граница двух сред работает лучше всякого зеркала.
Как выяснилось, чтобы создать такую границу, вода не нужна. Подойдут любые два материала, по-разному пропускающие свет – имеющие разные коэффициенты преломления. Даже разницы в 1% достаточно для создания световода.
Стеклянные провода
В светильниках и игрушках световоды делают из пластмасс, но, чтобы получить пригодное для связи оптоволокно, необходимы более дорогие и более прозрачные материалы. Ученые приспособили для этой цели кварцевое стекло. Сердцевину заготовки для оптоволокна чаще всего делают из чистого диоксида кремния. Внешний слой также создают из кварца, но с примесью бора или германия для снижения коэффициента преломления.
Раньше, чтобы получить такую заготовку, просто вставляли две стеклянные трубки друг в друга, но сегодня чаще поступают иначе. Полые трубки из чистого кварца наполняют смесью газов с высоким содержанием германия и медленно нагревают до тех пор, пока германий не осядет равномерным слоем на внутреннюю поверхность. После того как на кварцевом стекле нарастет достаточно толстый слой оксида германия, трубу нагревают до размягчения и вытягивают до тех пор, пока полость внутри не схлопывается. Так получается стержень диаметром от 1 до 10 сантиметров и длиной приблизительно 1 метр, уже содержащий в сердцевине кварц с добавкой германия, имеющий повышенный показатель преломления и оболочку из чистого кварца вокруг. Такую заготовку доставляют на вершину башни высотой до нескольких десятков метров. Там нижнюю часть заготовки вновь нагревают до полутора тысяч градусов — почти что до точки плавления, и вытягивают из нее тончайшую нить. По пути вниз стекло остывает и окунается в ванну с полимером, который формирует на поверхности кварца защитный слой. Таким методом из одной заготовки получается до 100 км стекловолокна. У основания башни остывшее волокно наматывается на бобину. Да, именно наматывается: как ни странно, кварцевое волокно легко гнется. Получившиеся волокна собираются в пучки по несколько штук и запаиваются в полиэтилен. Затем из этих пучков сплетаются кабели.
В каждом кабеле может быть от двух-трех и до нескольких сотен световодов. Снаружи они для прочности оплетаются полимерной нитью и получают еще одну защитную оболочку из полиэтилена.
Преимущества и недостатки оптоволокна
Все эти сложности оправданы потому, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной. Благодаря этому свойству света оптоволокно обладает непревзойденной информационной емкостью. Витая пара, подобная телефонной линии, или коаксиальный кабель, проводник с экраном, пропускают 100 мегабит в секунду. Самый распространенный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из 4 скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду. Оптоволокно по одной жиле — в три раза больше, до 3000 мегабит в секунду, а при помощи различных экспериментальных ухищрений можно преодолеть и этот порог. К тому же оптоволокно значительно легче меди. При толщине 9 микрон – тоньше человеческого волоса – нить из кварца длиной 100 км весит около 15 г.
Практически все современные магистральные линии передачи данных проложены из оптоволоконных кабелей. Они связывают континенты, страны и дата-центры. В крупных городах «оптика» используется и при подключении многоквартирных домов к мировой сети, но волокно прокладывается между провайдером и домом, а по квартирам разводится обычная витая пара. При такой схеме подключения максимальная скорость доступа к сети для абонента по-прежнему не превышает 100 Мбит/с. Для сравнения, проведя оптический кабель прямо в квартиру, можно получить канал в 1 Гбит/с, и все же потребитель редко сталкивается с оптоволоконным Интернетом.
Дело не только в том, что оптоволокно дорого в производстве. Проложить кабель – это лишь начало. Сигналы, идущие по линии связи, с расстоянием накапливают ошибки и в конце концов вовсе затухают. У витой пары это происходит через 1 км, у коаксиального кабеля примерно через 5 км. После сигнал приходится восстанавливать и усиливать – регенерировать. У оптоволокна дистанция регенерации в разы больше, но, каким бы чистым ни было кварцевое стекло, в нем остаются примеси, например, миллионные доли процентов воды. Длина волокна может составлять сотни тысяч километров, но через 100–200 км затухание оптического сигнала все же себя проявляет. Поэтому на линиях оптоволоконной связи устанавливаются промежуточные усилители, которые восстанавливают амплитуду оптического сигнала, и регенераторы, удаляющие помехи. Такое оборудование значительно более дорогое, чем усилители на традиционных линиях связи, и требует квалифицированного обслуживания. Но главное, на данный момент гигабитные каналы связи мало востребованы обычными людьми.
Возможно, с появлением умных домов, носимых компьютеров, распространением стриминга видео в сверхвысоком разрешении потребность в них возрастет, но пока скорости, предоставляемой витой парой, среднему потребителю вполне достаточно. Даже не соприкасаясь с этой технологией напрямую, каждый из нас пользуется ее преимуществами. Стабильность подключения, малая задержка прохождения сигнала до самых удаленных серверов и высокая скорость получения ответа от них, возможность снять деньги в любом банкомате и совершить звонок в любую страну мира – все это заслуга оптоволокна, и конкурентов у него нет и в проекте.