Historie a budoucnost optoelektroniky

Globální širokopásmové telekomunikační síti, která umí přenášet hovory, televizní signál, data i internet, dnes slouží už více než půl miliardy kilometrů tenoučkých optických vláken, vmontovaných do pozemních a podmořských kabelů. První se začaly na dno moří pokládat právě před pětadvaceti lety. Nobelovu cenu si však optoelektronika vysloužila teprve v roce 2009.

Uznávaný skotský vynálezce televize J. L. Baird (1888-1946) se ve dvacátých letech minulého století marně pokoušel přenášet obraz kabelem spleteným z několika stovek skleněných vláken. Zanevřel proto na fotony a pustil se cestou elektronické televize.

Ohnout světlo nejde jen tak

V čem spočívala Bairdova chyba, zjistili vědci teprve po druhé světové válce. Aby skleněná vlákna dokázala vést světlo na větší dálku, musejí se povléci jiným materiálem s menším optickým indexem lomu, o který se do vlákna vpuštěný paprsek odráží. I když se tenká vlákna vyráběla ze zdánlivě nejčistšího optického skla, disperzí světla docházelo k beznadějnému útlumu signálů už po několika desítkách metrů.

Ke skleněným vláknům se vědci vrátili až po roce 1960, kdy Theodor Maimann roku 1960 vynalezl laser, jehož koherentní paprsky s fantastickou frekvencí 300 THz, vpuštěné do jednovidových skleněných vláken (tenoučké vlákno s jádrem a obalem), nabízely až desetitisícinásobnou kapacitu přenosů oproti telekomunikacemi používaným rádioreleovým spojům. Ještě roku 1965 však vlákna z údajně nejčistějšího křemičitého skla ztrácela při přenosu na vzdálenost 20 metrů 99 % nasvíceného světelného signálu!

Daří se snižovat útlum na jeden kilometr

Příčinu odhalil v Londýně pracující čínský vědec Dr. Ing. Charles Kao a spolu s G. Hockhamem ji publikoval roku 1966 v rámci přelomové studie v prestižním britském časopisu „Proceedings of the Institution of Electrical Engineers“. Oba vědci zjistili, že ve skle obsažené ionty tzv. přechodových kovů (oxidy železa, mědi, niklu aj.) rozptylují signál tak, že útlum se pohybuje okolo 1000 dB na jeden kilometr. Na základě této zprávy se o tři roky později podařilo světoznámé americké sklárně Corning Glass – zavedením technologie výroby z preformy tažených vláken s tisíckrát menším podílem zmíněných škodlivých prvků – snížit útlum na jeden kilometr pod 5 dB a otevřít tím skleněným vláknům perspektivu v širokopásmových telekomunikacích.

Zmenšením průměru jádra pod 100 µm se tzv. gradientní vlákna hodila nejen pro telefonii, ale i pro přenos televizního signálu. Poprvé přenášela televize těmito kabely do světa analogový signál roku 1980 z Olympijských her v Lake Placid. Když pak Bellovy laboratoře v USA začaly do vláken přidávat v plynné fázi oxid germaničitý, podařilo se pomocí tzv. pulzně-kódované modulace (PCM) po jediném vláknu přenášet až několik tisíc navzájem nerušených hovorů současně. Na prvních experimentálních optických kabelových trasách v britském Dorsetu a v Japonsku používané kabely snížily útlum dokonce k 0,5 dB na jeden kilometr.

Možnosti a mezníky optické komunikace

Přesně zformovanými (koherentními) paprsky laseru nebo LED-diody lze několika odlišnými metodami nosný paprsek s hovorovými nebo datovými signály modulovat, a na přijímací straně demodulací původní signál s minimálním zkreslením obnovit. Roku 1980 se začaly dařit přenosy na vzdálenost 20 km, o pět let později již optické kabely začaly konkurovat koaxiálním kabelům. K mimořádnému rozšíření šířky přenosového pásma optických vláken přispěl zejména vlnový multiplex (DWDM), umožňující po jediném vláknu vysílat více signálů současně na různých vlnových délkách. Když lasery v roli vysílačů narazily na hranici zvyšování počtu záblesků nesoucích hovory i data, našlo se lepší řešení: laserový paprsek se vysílá bez přerušování a informaci do něj přenášejí modulátory z aktivních polymerů o velikosti knoflíku od košile.

Dalším úspěchem optoelektroniky se staly tzv. vláknové lasery, zabudované v roli zesilovačů signálu přímo do vlákna. Na přelomu do 21. století dokázaly takto konstruované podmořské kabely s tzv. jednovidovými vlákny a s erbiovými zesilovači přenášet data rychlostí 100 Gb/s, což odpovídá jednomu milionu současně vedených hovorů.

A přenosové rekordy zdaleka nekončily. Frauenhoferův institut v Německu čtyřfázovou modulací světelných pulzů přenosovou rychlostí 25 Tb/s v multiplexu 320 signálů s dvojí polarizací na trase dokázal roku 2006 po 240 km dlouhém vláknu přenést 30 milionů internetových přenosů, nebo jednu miliardu stránek textu, popř. půl miliardy telefonních hovorů současně. Rekord drží dvanáctijádrový kabel japonské společnosti NTT, schopný obousměrně přenášet až 818 Tb/s. Podle časopisu LaserFocusWorld se její vývojáři během následujících měsíců pokusí překročit přenosovou rychlost až do oblasti petabitů (Pb/s), aby do budoucna uspokojily neustále rostoucí nároky uživatelů světové sítě www.

Podmořské optické kabely po 25 letech

Hned první optický kabel TAT-8, položený v letech 1988 až 2002 v délce 6 700 km mezi New Yorkem a Francií, dokázal současně přenášet 40 tisíc hovorů, tedy 10× více než poslední měděný kabel. Do roku 2014 více než stovka podmořských optických kabelů dlouhých okolo 2 milionů kilometrů, položených zejména společnostmi AT&T, Alcatel-Lucent, British Telecom, CANTAT, a japonskou NEC Corp., propojuje jako pavučina všechny kontinenty páteřní optickou sítí.

Park kabelových lodí se neustále rozšiřuje a modernizuje. Stočený kabel z obrovských cívek spouštějí po záďových kladkách na dno do hloubky až 5 km rychlostí okolo 10 km/h. Pomaleji se postupuje v okolí břehů, na které je kabel zatahován pomocí ukládacích pluhů a kladen asi metr hluboko do dna. Proti poškození kotvami rybářských lodí bývá podložen a pokrývá se betonovými deskami. Na svých trasách se kabel na dně vede klikatě, aby opravárenská loď mohla výjimečně poškozený úsek pomocí kotvy vyzvednout na palubu a opravit.

Angažuje se Google

Podle nejnovější zprávy hodlá společnost Google nákladem 300 mil. dolarů propojit do roku 2016 optickým „superkabelem“ FASTER s kapacitou 60 Tb/s Spojené státy s Japonskem. Chce tak globální páteřní kabelovou sítí zaručit vysokorychlostní internet 5 miliardám obyvatel naší planety. Tento projekt však počítá se zavedením optických linek z lokálních ústředen přímo do domácností.

Zdroje

Neustále aktualizovaný interaktivní přehled všech položených telekomunikačních kabelů na světě najde zájemce na adrese www.submarinecablemap.com

O historii a etapách vývoje telekomunikací pojednává podrobně kniha autora Jana Tůmy: Budoucnost spojů, vyd. Nadas,1997.