Globální optická síť se uzavírá

Před 20 roky začaly optické podmořské kabely propojovat kontinenty, dnes končí jejich skleněná vlákna až v zásuvkách domácností. Podle odhadu expertů širokopásmové světové telekomunikační síti přenášející hovory, televizi, data a internet slouží víc než 1 mld. km tenoučkých optických vláken. Nesporný úspěch optotroniky, která k přenosu informací používá fotonů a nikoliv elektronů, má za sebou ale delší historii, teprve loni oceněnou Nobelovou cenou. OHNOUT SVĚTLO NEJDE JEN TAK Uznávaný skotský vynálezce televize J. L. Baird se ve 20. letech minulého století marně pokoušel přenášet obraz kabelem spleteným z několika stovek skleněných vláken. Zanevřel proto na fotony a pustil se cestou elektronické televize. Až další generace optiků po druhé světové válce zjistila, v čem spočívala Bairdova chyba. Aby mohla vést světlo na větší dálku, musí být skleněná vlákna povlečena jiným materiálem s menším optickým indexem lomu. Teprve pak do vlákna vpuštěný paprsek se odráží „cik-cak“ od rozhraní obou prostředí a světlo proběhne třeba sto metrů, i když se na kabelu udělá uzel. I když se ale vlákna vyrobila z optické skla, už po několika metrech disperzí světla docházelo k beznadějnému útlumu signálů. Teprve když Theodor Maimann roku 1960 rozsvítil první laser a koherentní paprsek s fantastickou frekvencí 300 THz, obrátilo několik vědců pozornost znovu ke skleněným vláknům, protože takový paprsek nabízel nejméně 10 000násobnou kapacitu přenosů proti do té doby vyvíjeným mikrovlnným rádioreléovým spojům. V Šanghaji narozený doktor chemie Charles Kuen Kao s G. Hockhamem v Anglii, a Erich Spitz, v Brně narozený a jako emigrant zaměstnaný u francouzské telekomunikační společnosti CSF, nezávisle na sobě se rozhodli jít opačnou cestou než ostatní. Tak zvané jednovidové vlákno tenké jen několik mikrometrů obalili mnohem silnějším skleněným pláštěm. Vlastnoručně zhotoveným spektometrem Kao s Hockhamem zjistili, že i v nejlepších vláknech křemíkového skla jsou příčinou nepřekonatelného útlumu (až 1000 dB/km) stopová množství železa, mědi a niklu a tzv. přechodových kovů. ROZVOJ OPTOTRONIKY Cestu k optickým kabelům otevřela roku 1970 světoznámá americká sklárna Corning Glass zavedením výroby z preformy tažených vláken s 1000krát menším podílem zmíněných škodlivých prvků. Útlum na 1 km se podařilo snížit pod 5 dB. I tuto zprátu však na experimentálních kabelových trasách musely dohánět elektro-optické zesilovače. První, tzv. mnohavidová vlákna, podle vstupního úhlu odrážela paprsky tenkým obalem. Strměji vstupující se opožďovaly, a signál se tím do dálky„rozmazával“. Když se podařilo průměr skleněného jádra zmenšit a pro plášť se použilo sklo s indexem lomu k povrchu se zmenšujícím, vznikla vlákna gradientní, vhodná už k přenosu kmitočtů kolem 100 MHz, jaké požadoval přenos televize. Technologie výroby vláken se přesunula zapojením Bellových laboratoří ke zvyšování indexu lomu nanášením oxidu germaničitého z plynné fáze. Aby se po jediném vláknu mohlo přenášet několik tisíc navzájem se nerušících telefonních hovorů, začaly telekomunikace nejprve s tzv. pulzně-kódovou modulací PCM. Na prvních experimentálních optických kabelových trasách v britském Dorsetu a v Japonsku roku 1971 byla poprvé použita vlákna s útlumem pod 0,5 dB/km. MEZNIKY OPTICKE KOMUNIKACE Bylo jasné, že přesně zformovanými (koherentními) parsky laseru nebo emitujícími LED-diodami lze hovorovými nebo datovými signály na vysílací straně několika možnými metodami modulovat, a na přijímací straně demodulací původní signál s minimálním zkreslením obnovit. Roku 1980 se dařily přenosy na vzdálenost 20 km, o 5 let později již optické kabely začaly konkurovat koaxiálním kabelům. K využití mimořádné šířky pásma optických vláken přispěl zejména vlnový multiplex (WDM), umožňující po jediném vláknu vysílat více signálů současně na různých vlnových délkách. Nesmírně rychlý pokrok ve vývoji laserů i modulátorů, použití superrychlého vstřikování nosičů informace, nabídly zázraky. Když lasery v roli vysílačů narazily na hranici zvyšování počtu záblesků nesoucích hovory i data, našlo se lepší řešení: laserový paprsek je vysílán bez přerušování a informaci do něj přenáší modulátory z aktivních polymerů, s velikostí knoflíku od košile. Dalším šlágrem optoelektroniky se staly tzv. vláknové lasery, zabudované přímo do vláken, v roli zesilovačů signálu. Na přelomu do 21. století dokázaly japonské kabely s erbiovými zesilovači přenášet data rychlostí 100 Gb/s – což odpovídá 1 mil. současně vedených hovorů! To už ale výzkumníci pracovali na 5. generaci, využívající optické impulzy (solitony), šířící se vláknem prakticky beze ztrát. PO TŘETI NA DNO OCEANŮ Každý kilogram skla v optických kabelech ušetřil už na začátku éry optotroniky světu asi 16 tun mědi, jinak potřebné pro výrobu do té doby používaných měděných kabelů se stejnou přenosovou kapacitou. Hned první optický kabel TAT-8, položený roku 1988-2002 mezi New Yorkem a Francií v délce 6700 km, dokázal současně přenášet 8000 hovorů. Digitální kompresí a multiplexováním DWDM později zvýšily jeho kapacitu na 40 000 hovorů. Do přelomu století se napříč oceány podařilo zejména pod vlajkou americké společnosti AT&T, dále společností Alcatel-Lucent, British Telecom a kanadské CANTAT položit kolem půl milionu kilometrů optických kabelů. Stočený kabel z obrovských cívek v podpalubí se spouští po záďových kladkách na dno rychlostí až 10 km/h. Tah v kabelu kontrolují a řídí palubní počítače, pozici lodí řídí satelitní navigace GPS. Díky stabilizátorům se nezastavuje ani při silném vlnobití. Pomaleji to jde jen v okolí břehů, na které je kabel zatahován pomocí ukládacího pluhu asi metr hluboko do dna, a aby ho nepoškodily kotvy rybářských lodí, bývá podložen a pokryt betonovými deskami. Koncem roku 1999 byla Evropa s USA propojena už 9 magistrálními kabely TAT přes Kanárské ostrovy, 10. ji propojil s Jižní Amerikou, 11. s Kapským Městem. Citelně chybělo spojení s vyspělými asijskými státy, s Honkongem a Šanghají. Internetem stále více přetížené relace si proto Evropa musela v posledních letech zařizovat přes Spojené státy, které jsou s Tokiem propojeny přes Tichý oceán šesti optickými kabely. INTERNET ZNASOBIL PŘENOSOVE POŽADAVKY Roku 1996 byla atlantská i tichomořská podmořská síť optických kabelů propojena 13 500 km dlouhým pozemním kabelem TSL, vedeným z Evropy přes Moskvu, Novosibirsk a Vladivostok do Tokia jako tzv. asijská spojka. Nečekaný nápor internetu na telekomunikační dálnice však volal po ještě razantnějším řešení spojení Evropy s asijskými státy. Investoři ze Saúdské Arábie, Japonska, Thajska a Hongkongu vložili 2 mld. dolarů do položení 6 cm tlustého kabelu FLAG (Fiberoptical Link Around the Globe), který roku 1998 propojil 12 států na třech kontinentech, místy v hloubce až 5 km. Jen Egyptem prochází po souši v podzemním potrubí podél břehů Suezského průplavu, v jehož málo hlubokém korytu by mu hrozilo poškození. Dva páry skleněných vláken FLAG dnes přenášejí současně 600 000 hovorů. O rok později byl po stejné trase položen ještě výkonnější 38 000 km dlouhý optický kabel Sea-Me-We 3, spojující Frankfurt n/M průlivem La Manche, Suezským průplavem, Indickým oceánem přes Singapur do australského Perthu, s větví napojenou na Šanghaj a Vladivostok, do roku 2000 jej překonal 40 000 km dlouhý kabel Africa One, obklopující Afriku kolem dokola. Přenosové výkony neustále rostou. Roku 2003 položený transatlantický kabel TAT-14 spojující Německo s USA má 64 vláken s kapacitou po 10 Gbit/s. Východní Afriku s Asií a Evropou propojil roku 2009 kabel EASSy a zatím jako poslední se dokončuje pokládka kabelu WACS spojujícího všechna pobřežní města Jižní Afriky s Portugalskem. NEKONČICI REKORDY V OPTICKYCH SITICH Od roku 2002 sice boom kabelokladecí lodní flotily poklesl, zato na ně a pozemní magistrály se horečně napojují pozemní optické sítě. Podle odhadů je v nich globálně propojena miliarda kilometrů optických vláken. Na nejvýkonnějších trasách dosahují přenosové rychlosti 40 Gb/s. Trend však směřuje do terabitové oblasti. Roku 2006 dosáhl Frauenhoferův institut v Německu čtyřfázovou modulací světelných pulzů přenosovou rychlost 2,56 Tb/s. Aktuálním rekordem je 25,6 Tb/s, dosažených při 160 různých vlnových délkách v multiplexu 320 signálů ve dvou polarizacích na trase dlouhé 240 km. Pro lepší představu taková linka s jediným vláknem by za sekundu přenesla 30 milionů internetových přenosů, nebo 1 miliardu stránek textu, nebo půl miliardy telefonních hovorů současně. Zní to jako utopie, němečtí vědci se ale nechali slyšet, že během 10 až 20 let dosáhnou na připravovaných podmořských kabelech šesté generace rychlosti možná až 100 Tb/s! OPTICKA VLAKNA SE DOČKALA NOBELOVY CENY! Svět takový pokrok po zásluze ocenil 10. prosince 2009 udělením Nobelovy ceny Charlesu Kuenu Kaovi, jehož objevný článek zveřejněný spolu se spolupracovníkem v červenci roku 1966 v prestižním britském časopisu „Proceedings of the Institution of Electrical Engineers“ zásadně přispěl k rozvoji optických komunikací. Ing. Jan Tůma