Под водой: оптические повторители для подводных кабелей

Примерно раз в месяц мне выпадает честь встретиться с главным редактором Эллиотом Уильямсом и записать подкаст Hackaday. Очень весело провести пару часов вместе, и мы неизменно отклоняемся от нелепых вопросов, не имея никаких шансов на окончательный вариант, разве что в качестве основы для вступления и финала. Это большая работа, особенно для Эллиота, которому приходится редактировать необработанные записи, но это также и очень весело.

Конечно, мы все делаем виртуально, и вначале у нас есть небольшой ритуал: аплодисменты. Мы по очереди трижды хлопаем в микрофоны, при этом человек на другом конце линии сам хлопает в ладоши синхронно с последним хлопком. Это дает Эллиоту представление о величине задержки на линии, что позволяет ему синхронизировать две записи. Поскольку он находится в Германии, а я в Айдахо, отставание довольно заметное, по крайней мере, на секунду или две.

Каждый раз, когда мы совершаем этот ритуал, я не могу не задаться вопросом обо всем оборудовании, которое делает это возможным, включая оптоволоконные кабели, проходящие по дну Атлантического океана. Подводный кабель связи соединяет весь мир, передавая более 99% трансконтинентального интернет-трафика. Они полны увлекательных технических решений, но, на мой взгляд, наиболее интересными являются встроенные оптические повторители, которые усиливают сигналы по пути, даже несмотря на то, что — или, возможно, именно потому, — что они спрятаны на дне моря.

Большую часть долгой истории трансокеанских коммуникаций доминировал один материал: медь. От самых первых телеграфных кабелей до коаксиальных кабелей, передающих тысячи мультиплексированных телефонных и телевизионных сигналов, медные проводники выполняли большую часть работы на протяжении почти всего 20-го века. Ситуация начала меняться в 1988 году с прокладкой первого трансатлантического оптоволоконного телефонного кабеля ТАТ-8. Имея пропускную способность в 40 000 одновременных телефонных звонков всего по двум парам одномодового стекловолокна (с одной парой в резерве), ТАТ-8 в десять раз превосходил самые современные коаксиальные трансатлантические кабели.

Как и коаксиальные кабели, оптические кабели требуют периодического усиления сигнала, особенно на длине ТАТ-8 примерно 7000 км. Повторители располагались примерно через каждые 50 км вдоль кабеля и размещались в длинных, рассчитанных на давление корпусах, которые создавали выпуклости в тонком кабеле, но при этом были совместимы с оборудованием для прокладки кабеля. Эти ретрансляторы работали, получая ослабленные оптические сигналы с помощью фотодиодов, демодулируя сигнал перед прохождением его через полупроводниковые усилители и преобразовывая его обратно в свет с помощью лазерных диодов. Питание ретрансляторов подавалось на медный проводник внутри оптического кабеля с помощью оборудования посадочной станции.

ТАТ-8 имел фантастический успех, до такой степени, что спрос превысил мощности в течение восемнадцати месяцев после ввода в эксплуатацию. Он был выведен из эксплуатации в 2002 году, отчасти потому, что за прошедшие годы были проложены оптические кабели гораздо большей пропускной способности, что сделало ТАТ-8 устаревшим. Был также вопрос о регенеративных повторителях; поскольку им нужно было демодулировать и ремодулировать сигналы, это ограничивало возможности операторов вносить изменения в головное оборудование на лестничных площадках. Без возможности модернизировать это оборудование кабель был обречен.

Но уже в 1985 году были достигнуты успехи в области оптических усилителей, которые в конечном итоге нашли применение в подводных кабелях. Именно тогда аспирант-физик по имени Роберт Мирс провел эксперименты со стеклянными волокнами, легированными эрбием, и показал, что они могут действовать как чисто оптические малошумящие усилители на длинах волн, обычно используемых для связи. Через десять лет после первой статьи на эту тему волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA), ускользнули в Атлантику по кабелю ТАТ-12/13.

Как и многие устройства, которые мы используем каждый день и склонны воспринимать как должное, EDFA используют принципы квантовой физики, но при этом удивительно просты. EDFA основаны на флуоресцентных свойствах оксидов редкоземельного элемента эрбия для достижения усиления. Когда небольшое количество оксида эрбия (III) добавляется в сердцевину кварцевого волокна, электроны в ионах эрбия могут возбуждаться из основного состояния (L1) путем воздействия на них лазерного света с определенной длиной волны накачки. Лазер накачки может иметь длину волны 980 нм, которая возбуждает электроны эрбия в состояние L3, или 1480 нм, которая возбуждает их в состояние L2. В практических EDFA обычно используются лазеры накачки с длиной волны 980 и 1480 нм.