Optická revoluce

Jedna opravdu stará počítačová moudrost říká, že nikdo pořádně neví kam až sahají přenosové schopnosti optických vláken, potažmo kabelů. Teoretický limit je sice znám, neboť vyplývá z šířky pásma dané frekvencí (kmitočtem) světla, ale z toho tak vychází fantastické cifry, že snad ani nemá cenu je porovnávat s dnes dosahovanými hodnotami. Pravdou ale je, že ve světě optických přenosů postupně dochází k opravdu výrazným dějům, které významně zvyšují přenosové schopnosti tohoto přenosového média. Lidé teprve postupně doceňují, že v optických vláknech je skryt zdaleka největší potenciál dalšího možného růstu - což je výrazný rozdíl oproti metalickým přenosovým cestám, zejména kroucené dvoulince, kde již další výrazné zvyšování přenosových schopností naráží na principiální bariéry (například na neúnosné vyzařování apod.).

Jak fungují optická vlákna?

Princip přenosu signálu po optických vláknech je znám již poměrně dlouho. Využívá dobře známých fyzikálních zákonitostí, se kterými se žáci a studenti seznamují snad již na základní škole - jde především o Schnellův zákon lomu, který říká že světelný paprsek se na rozhraní dvou prostředí z části láme a odráží zpět, a z části prostupuje do druhého prostředí. Vše samozřejmě závisí ještě na poměru optických vlastností obou prostředí, zejména na jejich "optických hustotách" a na úhlu, pod kterým paprsek na rozhraní dopadá. Pokud je tento úhel dostatečně malý (menší než tzv. numerická apertura), do druhého prostředí neprostupuje nic a celý paprsek se odráží zpět, neboli zůstává v původním optickém prostředí. Přesně to je pak princip vedení světelného paprsku jádrem optického vlákna (které musí být obaleno další vrstvou s jinými optickými vlastnostmi, aby vytvářelo vhodné podmínky pro úplný odraz). Celý optický přenosový systém pak samozřejmě zahrnuje ještě i zdroj světla (generátor) a také jeho přijímač (detektor).

Přenosové schopnosti každého optického systému samozřejmě závisí na celé řadě faktorů - například na tom, jak "dobré" světlo dokáže světelný zdroj generovat (ve smyslu: zda jde jen o paprsek jedné konkrétní vlnové délky, se stejnou fází atd.). V praxi se používají jak lacinější a méně kvalitní zdroje v podobě LED diod, tak i dražší v podobě laserových zdrojů. Důsledkem je pak různá přenosová rychlost, které jednotlivé zdroje mohou dosáhnout - zatímco u diod LED se za strop považuje rychlost 300 Mbps, laserové zdroje nemívají problémy ani s podstatně vyššími rychlostmi, například 10 Gbps či ještě vyššími.

Dalším významným faktorem je útlum, který optické vlákno vytváří vůči přenášenému světlu, a který se projevuje především zmenšováním intenzity světla - důsledkem je to, že po určité vzdálenosti je nutné světelný paprsek regenerovat, neboli zesílit jej. V sedmdesátých letech, kdy se optické kabely začaly používat pro přenosy na větší vzdálenosti, dosahoval útlum optických vláken hodnoty až 20 dB na kilometr. Dnes se vyrábí i nízkoútlumová vlákna s útlumem v hodnotě 0,2 až 0,3 dB.

Zvyšuje se dosah

Maximální vzdálenost, na kterou je možné dosáhnout čistě optickými prostředky (neboli jedním souvislým "kusem" kabelu) je v praxi dána jak druhem použitého světelného zdroje, tak především kvalitou samotného vlákna v optickém kabelu (hlavně jeho útlumem). S nejstaršími typy optických kabelů se jednalo jednotky, nejvýše o desítky kilometrů. S postupným zmenšováním útlumu, s dalším zkvalitňováním optických vláken (např. se stále menším obsahem nečistot v křemíkovém vlákně) a se zdokonalováním světelných zdrojů se dosažitelná vzdálenost samozřejmě zvětšuje. Dnes je realitou dosah v řádu stovek kilometrů, v laboratorních podmínkách pak i tisíce.

Objevují se čistě optické zesilovače

Další významný faktor, který přispěl ke zvětšení dosahu i ke zvýšení přenosových rychlostí, je zkonstruování prvních čistě optických zesilovačů. Až do jejich nástupu totiž musely být, při překročení maximálního dosahu souvislého segmentu vlákna, použity "regenerační" zesilovače. Ty nebyly ničím jiným než opto-elektronickým zařízením, které převádí optický signál do elektronické podoby a následně zpět do podoby optické.

Kromě samotné existence takovýchto zařízení (vyžadující mj. napájení, vhodné umístění atd.) byla jejich největší nevýhodou nutnost konverze signálu mezi optickou a elektronickou podobou. Ne že by to bylo principiálním problémem, ale s neustálými snahami o zvyšování přenosové rychlosti se právě tato konverze začala projevovat jako úzké hrdlo, bránící či alespoň zpomalující postup vpřed. Stejně tak tato konverze přinášela i určité zdržení, které v některých situacích mohlo být významné (stejně jako případná nespolehlivost samotného zařízení realizujícího zesilování signálu).

Koncem osmdesátých let se ale začalo objevovat první čistě optické řešení v podobě zesilovačů EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Fyzikové by samozřejmě dokázali velmi podrobně popsat princip, na kterém takovýto zesilovač funguje, ale pro naše účely snad postačí následující laická představa: Erbium je prvek se zajímavými fyzikálními vlastnostmi. Když je ozářen intenzivním světlem, některé jeho elektrony zaujmout "metastabilní" pozice s vyššími energetickými hladinami (což lze chápat i tak, že se určitým způsobem nabijí, resp. "nadopují"). Když pak na takto "nadopované" erbium dopadne foton ("částice" světla), dojde v něm k celé řetězové reakci nestabilních elektronů, které se vrátí do své stabilní polohy a přitom vydají (vyzáří) naakumulovanou energii ve formě emitovaných fotonů s přesně stejnou vlnovou délkou a fází jakou měl původní foton.

Existence čistě optických zesilovačů přináší ještě jednu významnou přednost oproti opto-elektronické "regeneraci" - jde o to, že v případě regenerace musí být celé zařízení uzpůsobeno používanému průběhu signálu, aby jej mohlo regenerovat. Při změně průběhu přenášeného signálu je pak nutné regenerační zesilovač vhodně upravit. Naproti tomu při zesílení signálu v čistě optickém zesilači je jeho tvar a průběh irrelevantní, takže při jeho změně není třeba nic dělat. Jak záhy uvidíme, významný rozdíl je i v případě použití techniky WDM, kdy je přenášeno více "barev" světla současně - každá z nich by obecně vyžadovala samostatnou regeneraci, ale zesílena může být společně.