Оптоволоконная связь: вчера, сегодня, завтра
Сложно представить жизнь без оптоволокна и оптической связи, которые обеспечивают передачу данных во всем мире. Но так было не всегда. Рассказываем, кто и когда придумал оптическую связь, как ее организовать и какие технологии скоро обеспечат сверхбыстрый интернет будущего.
С момента, как человечеству потребовалось передавать данные на большие расстояния, изобретатели сталкивались с физическими барьерами, которые мешали процессу. К примеру, сигнал электрической связи затухал под водой, а сверхвысокочастотные системы ограничивались диапазоном частоты электромагнитных колебаний. Это мотивировало ученых к поиску более надежного способа передачи данных на большие расстояния.
Во второй половине XX века они нашли решение: им стала оптическая связь. Она использует свет для передачи информации.
Материал с минимальным показателем затухания для проведения оптической связи в 1966 году представил Чарльз Као Куэн. Он предложил использовать стеклянное волокно, которое решило проблему с затуханием сигнала. Если в медном кабеле оно составляло 5-10 дБ/км, то в наши дни в оптоволокне на длине волны более 1490 нм оно не превышает 0,25 дБ/км.
Эксперименты ученых также показали, что организовать оптическую связь можно и с помощью лазера. Для этого нужно направить его лучи с космического спутника в приемник, где фотодетектор обработает и преобразует полученную информацию в электрический сигнал.
Первый официальный запуск лазерной системы связи произошел в 1995 году. Тогда наземная станция Токио успешно приняла сигнал от спутника при помощи лазера. Скорость передачи данных в эксперименте составила 1 Мбит/c.
Однако, как выяснилось, оптическая связь, организованная с помощью лазера, плохо проходит через атмосферу нашей планеты, поэтому пока что ее долгое время активно применяли только в космосе. Например, для передачи данных с марсохода.
В СССР испытания оптоволокна проводились в 1970-х годах. Первую оптоволоконную связь проложили в Зеленограде между Северной промзоной и администрацией города. Так как испытание прошло успешно, то в 1981 году правительство подписало Постановление ЦК КПСС и СМ СССР "О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации", что дало толчок развитию оптоволоконной связи.
Со временем совершенствование лазерных технологий и материала для оптоволоконного кабеля позволило проложить в 1988 году первую в мире трансокеанскую волоконно-оптическую линию связи между США и Японией. К 2003 году скорость передачи в таком кабеле достигла 10,92 Тбит/с, а уже в 2013 году он мог передавать 400 Гб/сек на расстояние 12 800 км.
Оптоволокно сыграло большую роль в развитии интернета, без которого сегодня сложно представить нашу жизнь. Через подводные кабели, которые находятся на глубине 5000 метров, передается почти 99% трафика сети. Именно они связывают страны и континенты.
Технология может показаться устаревшей на фоне развития спутниковой связи. Но на данный момент доля покрытия спутниками составляет менее 1%, и информация с их помощью передается медленнее, чем благодаря оптоволоконным кабелям. Кроме того, организация спутниковой связи выходит дороже.
На 2024 год в мире проложено около 570 трансконтинентальных оптоволоконных кабелей, длина которых достигает миллионы километров.
Истории известны случаи, когда оптоволоконные кабели разрывали, что отрезало от всемирной сети целые страны. Причиной тому становились природные катаклизмы, морские суда, проплывающие мимо, и умышленные действия преступников. Так, в 2019 и 2022 годах Тонга и Фиджи оставались без интернета несколько дней, потому что грузовой корабль неудачно сбросил якорь, зацепив часть кабеля. Атаками со стороны террористов в марте 2024 года подвергалось оптоволокно, соединяющее страны в Красном море, из-за чего сбои наблюдались в большинстве социальных сетей и интернет-сервисах.
Самая крупная авария произошла в 2006 году. Тогда из-за землетрясения пострадало 80% подводных кабелей в Тихом океане. Несмотря на недостатки оптоволокна, частные компании активно инвестируют в их развитие. Google, AzerTelecom, Far North Fiber не только прокладывают новые кабели, но и занимаются разработкой технологий для предотвращения аварий.
Сейчас и оптоволоконные кабели, и корабли оснащены датчиками приближения, благодаря которым удается избежать их столкновений. Оборудование для ремонта оптоволокна тоже регулярно модернизируют. Например, в 2022 году борты ремонтных суден оснастили специальным подводным дроном для проведения работ на кабелях.
Также защитить кабели от разрывов помогают новые способы прокладки интернет-кабеля.
Тем не менее оптоволокно скоро может остаться в прошлом. Развитие технологий требует постоянного увеличения скорости передачи информации, и с этой задачей может справиться только лазер.
Так, в 2021 году спутники SpaceX с системой лазерной передачи помогли достичь потока в 100 Гбит/c. А в 2025 году Ravida планирует запустить 600 аппаратов с оптической связью и еще через три года развернуть сеть нового поколения.
Благодаря развитию оптоволоконной связи человечество открыло для себя новую связь — квантовую.
Ее главное преимущество заключается в квантовой запутанности, которое обеспечивает практически абсолютную защиту информации. Первую связь, в которой использовалась эта технология, развернули в лаборатории IBM в 1989 году. Расстояние для передачи информации было равно 1,5 метра.
В разработку новых квантовых технологий продолжают вкладываться и сегодня. К примеру, в России в 2016 году появилась первая коммерческая квантовая линия, которая связала два офиса Газпромбанка на расстоянии 30 километров. Еще одну линию запустили в 2020 году, обеспечив коммуникацию между двумя дата-центрами Росатома. А в 2021 году открыли первую междугородную квантовую связь протяженностью 700 километров между Москвой и Санкт-Петербургом. В будущем планируется таким способом объединить еще несколько городов России.
Главной проблемой в реализации квантовых связей остается нагрев оптоволокна, который приводит к нарушению потока фотонов. Спутники также не остаются в стороне от квантовых технологий. Так как свет лазера состоит изкогерентных фотонов, то явление квантовой запутанности распространяется и на него. Так, в Китае, в рамках государственного проекта, в 2015 году был выведен на орбиту первый в мире спутник с технологией квантового шифрования информации.