Andrzej Pająk
Co mają wspólnego holenderskie łodzie podwodne i wylewanie światła z butelki z ultraszybkim internetem, który można już podłączyć do swojego domu? Okazuje się, że bardzo wiele, bo łączy je nić o grubości ludzkiego włosa. Sami zobaczcie.
W wielu polskich miejscowościach można już podłączyć swój dom czy mieszkanie do internetu światłowodowego działającego z prędkością do 600 Mb/s. Oznacza to, że zawartość 25-gigabajtowej płyty Blu-Ray można teoretycznie ściągnąć w zaledwie 5,5 minuty.
Światłowód to niezwykle cienkie włókno szklane zbudowane z dwutlenku krzemu, które otoczone jest nieprzezroczystą warstwą, tzw. płaszczem. Jego zewnętrzna średnica najczęściej wynosi ok. 125 µm i – to nieznacznie więcej niż ludzki włos. W takim kablu zamiast poruszających się ładunków elektrycznych informacja przenoszona jest przez światło (konkretnie podczerwień).
Tak wygląda światłowód, multimodowy, czyli taki w którym można przesyłać na raz klika kanałów danych. (zdjęcie: Hhedeshian, CC-BY-3.0)
Nie wiem, czy zdajecie sobie sprawę, ale pierwszy „szklany kabel” powstał w Polsce już 38 lat temu. Udało się to Pracowni Technologii Światłowodów Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, która jako pierwsza wśród państw bloku socjalistycznego, a piąta w Europie, zbudowała 2,5-km linię światłowodową, łączącą dwie centrale telefoniczne. Jednak dopiero od października 2015 roku, za sprawą Orange Polska światłowody zaczęły docierać do polskich domów.
Trochę historii z eksperymentem w wannie w tle
By zrozumieć, na jakiej zasadzie działa światłowód, musimy cofnąć się do lat 40. XIX wieku. Wtedy to fizycy Daniel Collodon i Jacques Babinet odkryli zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Jeśli nie pamiętacie albo nie wiecie, co to takiego, to proponuję sięgnąć po zrobiony z przezroczystego tworzywa sztucznego kątomierz, linijkę albo… szklankę wody zabarwioną kroplą mleka i wskaźnik laserowy (z latarką będzie trudniej…). Jeśli zaświecicie w linijką lub szklankę pod odpowiednim kątem, to powinniście zobaczyć coś takiego:
Całkowite wewnętrzne odbicie w bloku pleksi (zdjęcie: Sai2020)
Nasz eksperyment z wodą i kroplą mleka.
Jak widzicie, zjawisko załamania światła następuje na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania fali. W naszych eksperymentach są to woda-powietrze i tworzywo-powietrze. Jeśli światło pada na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, to ulega całkowitemu odbiciu. Tyle mówi nam definicja, a eksperyment z kawałkiem pleksi pokazuje, że wiązka światła „podróżuje” przez przezroczyste tworzywo, aż z niego ostatecznie nie „wyjdzie”. Tak samo wygląda w światłowodzie.
Tym samym dochodzimy do drugiego, ważnego dla poznania zasady działania światłowodów, fizyka (i alpinisty) Johna Tyndalla. W 1854 roku uczony zademonstrował, że światło może przemieszczać się również w zakrzywionym ośrodku, jakim jest strumień wody.
Tyndall użył do tego źródła światła, zbiornika z wodą i zakrzywionej rurki. Wam wystarczy półtoralitrowa przezroczystobiała butelka po wodzie i latarka. Zróbcie ładny, nieposzarpany otwór u samej podstawy butelki, nalejcie do pełna wody i zaświećcie albo w otwór, albo z boku. Kiedy woda zacznie się wylewać, podstawcie pod strumień dłoń albo talerzyk – powinniście tam zobaczyć światło, które przedostało się tam dzięki zjawisku całkowitego odbicia.
Światło wychodzi wraz ze strumieniem przez otwór zrobiony w oklejonej butelce.
Te wszystkie odkrycia na długo przed wynalezieniem światłowodu chciał wykorzystać Amerykanin William Wheeler. W 1880 roku zgłosił patent na urządzenie, które nazwał… rurociągiem świetlnym. Jego zasada działania opierała się na eksperymencie Tyndalla, tyle że światło miało „biec” wypełnionymi rurami od lampy do umieszczonych w domu żyrandoli (zobaczcie zdjęcie w zgłoszeniu patentowym). Pomysł w takim zastosowaniu się nie przyjął, a to dlatego, że Edison rozpowszechnił żarówkę. Niemniej jego „ślady” już w światłowodowym wydaniu znajdziecie w dekoracyjnych lampkach-włosach czy elastycznych fiberoskopach.
Od przesyłania światła do przesyłania obrazów
Przesyłanie światła przez powyginaną szklaną rurkę to jeszcze nie to samo co wykorzystanie jej chociażby do transmisji głosu. W XIX wieku nikt nie myślał o telekomunikacji cyfrowej, ale Graham Bell, choć wynalazł już telefon (1876), wciąż szukał nowych pomysłów na prowadzenie rozmów na odległość. W 1880 roku opatentował optyczną odmianę telefonu – urządzenie nazwane Photophone. Choć pomysł Bella nie wykorzystywał żadnego z wcześniej opisanych zjawisk, to jego „słoneczny telefon” jako pierwszy na świecie użył wiązki światła do transmisji głosu i… przy okazji stworzył też pierwszy telefon bezprzewodowy. Głos miał modulować skupioną wiązkę światła, tak samo jak w zwykłym analogowym telefonie, modulował sygnał elektryczny biegnący przez miedziany kabel. Zobaczcie to na filmie:
Funkcjonalny opis światłowodu, choć nie był on tak jeszcze nazwany, opatentowali niezależnie od siebie Amerykanin Clarence W. Hansell (1926) i Anglik John Logie Baird (1928). Wynalazcy opisali pomysł na wykorzystanie wiązki przezroczystych, szklanych rurek do przesyłania obrazów telewizyjnych. Praktycznie tę ideę próbował wykorzystać do zaglądania w niedostępne zakamarki ludzkiego ciała niemiecki lekarz Heinrich Lamm. Choć udało mu się zobaczyć obraz transmitowany przez ten pionierski światłowód, to był on bardzo słabej jakości. Problem leżał uciekaniu zbyt dużej ilości światła z „rurek” i w słabej jakości użytego do ich produkcji szkła.
Przełom nastąpił dopiero w 1952 roku, kiedy holenderski rząd zaczął poszukiwać… lepszej jakości peryskopów do swoich łodzi podwodnych. Holenderski fizyk Abraham Van Heel wrócił do pomysłu Lamma, ale napotkał na problem „uciekania” światła ze szklanych włókien. Van Heel próbował poprawić jakość przesyłanego przez szklane włókna obrazu, pokrywając je warstwą materiału o niższym współczynniku załamania niż szkło. W efekcie udało mu się przesłać obraz przez 400 szklanych włókien na odległość 50 centymetrów. Rezultaty jego badań ukazały się w 1954 roku w Nature obok pracy brytyjskiego badacza Harolda Hopkinsa, który również pracował nad podobnym problemem, tyle że nie wpadł na pomysł „powlekania” włókien innym materiałem.
Później sprawy potoczyły się dość szybko. W 1956 roku Lawrence Curtiss, student z licencjatem z University of Michigan pracował wraz z gastrologiem Basilem Hirschowitzem i fizykiem Wilburem Petersem nad konstrukcją endoskopu, który pozwoliłby zbadać wnętrze żołądka. Znając publikacje z Nature, poszukiwał odpowiedniej powłoki dla szklanego rdzenia, która utrzymałaby światło w ryzach. Udało mu się to zrobić, wkładając szklaną tubę z nowego rodzaju szkła produkowanego przez firmę Corning Glass (tę samą, która dziś robi odporne na rysy szkło na ekrany smartfonów) na szklany rdzeń o wyższym indeksie refrakcji. Jak to mogło wyglądać, zobaczcie na filmie pokazującym „ciągnięcie” nici światłowodowej:
To był strzał w dziesiątkę. Światło widać było nawet na końcu 12-metrowego światłowodu i w 1957 roku zespół Hirschowitza zbudował finalną wersję endoskopu.
Jak światłowód stał się nowym medium komunikacyjnym ludzkości
Niestety to, co było znakomite dla medycyny, zupełnie nie nadawało się do transmisji światła na duże odległości, czego od nowego medium oczekiwałaby telekomunikacja.
Do 1960 roku włókna szklane miały tłumienie około jednego decybela na metr, co oznaczało 1000 dB strat na jednym kilometrze (Jeśli tajemnicze bele wam nic nie mówią, to wybiegnę w czasy współczesne i napiszę, że stosowane dziś w telekomunikacji światłowody mogą mieć straty rzędu 0,2 dB/km!).
Dopiero eksperymentalne prace przeprowadzone w 1966 roku przez Charlesa K. Kao i George’a A. Hockama z brytyjskiego Standard Telephones and Cables udowodniły, że problem tak gigantycznego tłumienia nie leży jedynie w czystości szkła używanego do produkcji włókien szklanych. Kao odkrył, że winna jest technologia produkcji, dla której nowe wytyczne szczegółowo opisał. Ogłosił także, że korzystając z krzemowego szkła optycznego, da się stworzyć światłowód o tłumieniu 20 dB/km, który pozwala na przesyłanie w jednym włóknie 200 000 rozmów telefonicznych równocześnie.
To było wielkim przełomem. Tak wielkim, że Charles Kao otrzymał za swoje odkrycie nagrodę Nobla z fizyki w 2009 roku.
W 1970 roku pracujący w Corning Glass Robert Maurer, Donald Keck i Peter Schulz stworzyli światłowód („Optical Waveguide Fibers”, patent #3,711,262) z czystej krzemionki domieszkowanej tlenkiem tytanu, który miał tłumienie na poziomie 17 dB/km. Oznaczało to, że taki światłowód może przenieść 65 000 razy więcej informacji niż kabel miedziany. Dwa lata później zespół naukowców z Corning zredukował tłumienie do 4 dB/km (przy długości fali świetlnej poniżej 1 µm), zmieniając domieszkowany materiał na tlenek germanu. W 1979 roku było to już tylko 0,2 dB/km.
Pierwsze kable światłowodowe zostały położone w brytyjskim Dorset (1975). Co ciekawe, nie zrobiła tego żadna firma telekomunikacyjna, tylko policja, której stary system łączności uległ uszkodzeniu na skutek uderzenia pioruna.
Od 1977 roku na całym świecie zaczynają się pojawiać pierwsze instalacje telekomunikacyjne. Zaczyna się od Long Beach w Kalifornii (6 Mb/s) i centrum Chicago, gdzie położono kable o długości od 1 do 2,4 km, złożone w sumie z 24 włókien, z których każde pozwalało zastąpić 672 kanały telefoniczne. Dawało to łączną przepustowość 45Mb/s.
Kolejnym milowym wydarzeniem było połączenie w 1988 roku światłowodem Stanów Zjednoczonych i Europy. Podwodny kabel transatlantycki TAT-8 pozwalał na prowadzenie 40000 rozmów na raz (280 Mb/s). Było to o 1000 razy więcej niż pojemność miedzianego kabla TAT-7 ułożonego dziesięć lat wcześniej. Tak zaczęła się era światłowodu, której nie byłoby bez wynalezienia działającego w temperaturze pokojowej lasera półprzewodnikowego, opartego na krysztale arsenku galu… ale to już temat na inną historię.
Na marginesie tylko napiszę, że najnowszy międzynarodowy światłowodowy kabel TAT-14, ułożony w 2001 roku, przesyła dane z prędkością 3,15 Tb/s, a zaprojektowany został z myślą transmisji rzędu 9,38 Tb/s. Dużo? Owszem, ale komercyjny AEConnect ułożony w 2016 roku ma pojemność, bagatela, 4×10 Tb/s!
Sky is the limit?
Swoją opowieść zacząłem od tego, że w 1979 roku w Polsce mieliśmy nasze pierwsze 2,5 km światłowodu. Dziś, gdyby policzyć każde pojedyncze włókno światłowodowe, jak działa tylko w samej sieci Orange Polska, można by mówić o mniej więcej 3 500 000 km „szklanego kabla” oplatającego nasz kraj.
Oznacza to, że światłowód jest właściwie wszędzie, a w 54 miastach w Polsce każdy, kto tylko zechce, dzięki technologii Fiber To The Home (FTTH) może mieć superszybki Internet we własnym domu (pełna mapa lokalizacji znajduje się tutaj).
Zamontowane gniazdo FTTH do którego podłączane będą urządzenia instalowane w naszym mieszkaniu. (zdjęcie: Orange Polska)
W Polsce dostępne dla Kowalskiego łącza jak na razie działają w trzech prędkościach: 100 Mb/s, 300 Mb/s i 600 Mb/s. Ale, jak twierdzi Orange, światłowód wykorzystywany przez te firmę w infrastrukturze FTTH nie ma praktycznie żadnych ograniczeń fizycznych, jeżeli chodzi o transfer danych. Jedynymi ograniczeniami są urządzenia zamontowane na jego końcach.
Instalowane obecnie przez Orange Polska systemy GPON (Gigabitowa Pasywna Sieć Optyczna) pozwalają na uzyskiwanie w sieciach FTTH przepływności do 1 Gb/s. Podczas testów w komercyjnej sieci (czyli nie w laboratorium) podniesiono już te wartości do poziomu 10 Gb/s, a kolejnym etapem mają być prędkości rzędu 40 Gb/s. Plany wyznaczają docelową przepustowość na poziomie 100 Gb/s, choć ona także nie wyczerpuje potencjału współcześnie instalowanych światłowodów.
Orange, jako pierwszej firmie na świecie, udało się osiągnąć transfer 1,5 Tb/s w jednym włóknie światłowodu, przy możliwościach tej technologii na poziomie 24 Tb/s! Co najważniejsze: testy zostały przeprowadzone nie w warunkach laboratoryjnych, lecz na użytkowanym łączu o łącznej długości 870 km.
Przygotowanie kabli światłowodowych do spawania w mufie mieszczącej się w kanalizacji (zdjęcie: Orange Polska)
Oczywiście napisałem tutaj o sieci szkieletowej, ale samo włókno światłowodowe tam zastosowane jest bardzo podobne do tego, które może dotrzeć do naszego domu. Jak widać, już jest szybko, a może być jeszcze szybciej. Naukowcom z Technical University of Denmark w 2014 roku udało się w warunkach laboratoryjnych osiągnąć już wynik 43 Tb/s w pojedynczym włóknie szklanym. Z kolei badacze z angielskiego University of Southampton szkło w światłowodzie zastąpili… powietrzem. Pozwoliło to na zwiększenie prędkości poruszania się promienia lasera w tym nowym medium do wartości 99,7% prędkości światła, czyli o ok. 31% szybciej niż w szklanym światłowodzie. Dało to jak do tej pory największą szybkość przesyłania danych, która wyniosła 73,7 Tb/s.
Paradoksalnie, przy takich prędkościach barierami stają się także same komputery, które nie są w stanie przyjąć takich ilości danych – nie pozwalają na to ich procesory, karty sieciowe i twarde dyski. Ten wyścig nie ma jednak na celu ściągnięcia jednego filmu w mgnieniu oka. Cała batalia toczy się o to, żeby np. całe osiedle mogło w tym samym czasie oglądać różne filmy w rozdzielczości 8K czy też płynnie eksplorować wymagające równie dużych transferów wirtualne światy gier wieloosobowych.
Jedno jest pewne: światłowód, jaki dziś możecie podłączyć do swojego domu, szybko się nie zestarzeje. Prędzej trzeba będzie wymienić router Wi-Fi czy komputer.
Zdjęcie otwierające: Groman123, CC BY-SA 2.0
Tekst jest elementem współpracy z firmą Orange Polska. Partner nie miał wpływu na treść ani opinie, które wyrażamy.
You must be logged in to post a comment.