In 2012, a team of Japanese and Danish researchers set a world record, transmitting 1 petabit of data— that’s 10,000 hours of high-def video— over a fifty-kilometer cable, in a second. This wasn’t just any cable. It was a souped-up version of fiber optics— the hidden network that links our planet and makes the internet possible.
Nel 2012, un team di ricercatori giapponesi e danesi ha stabilito un record mondiale, trasmettendo 1 petabit di dati, equivalente a 10.000 ore di video ad alta risoluzione, su un cavo lungo 50 chilometri, in un secondo. Non si trattava di un cavo qualsiasi. Era una versione modificata della fibra ottica, la rete nascosta che connette il nostro pianeta e rende Internet possibile.
For decades, long-distance communications between cities and countries were carried by electrical signals, in wires made of copper. This was slow and inefficient, with metal wires limiting data rates and power lost as wasted heat. But in the late 20th century, engineers mastered a far superior method of transmission. Instead of metal, glass can be carefully melted and drawn into flexible fiber strands, hundreds of kilometers long and no thicker than human hair. And instead of electricity, these strands carry pulses of light, representing digital data.
Per decenni, le comunicazioni a lunga distanza tra città e nazioni sono state trasportate da segnali elettrici, in cavi fatti di rame. Ciò era lento e inefficiente: i cavi metallici limitano la trasmissione dei dati e la potenza si disperde sotto forma di calore. Ma verso la fine del XX secolo, gli ingegneri hanno affinato un metodo di trasmissione di gran lunga superiore. Al contrario del metallo, il vetro può essere sapientemente fuso e tirato in filamenti di fibra flessibili lunghi centinaia di chilometri e spessi meno di un capello umano. E, al posto dell'elettricità, questi fili trasportano impulsi di luce, che rappresentano dati digitali.
But how does light travel within glass, rather than just pass through it? The trick lies in a phenomenon known as total internal reflection. Since Isaac Newton’s time, lensmakers and scientists have known that light bends when it passes between air and materials like water or glass. When a ray of light inside glass hits its surface at a steep angle, it refracts, or bends as it exits into air. But if the ray travels at a shallow angle, it’ll bend so far that it stays trapped, bouncing along inside the glass. Under the right condition, something normally transparent to light can instead hide it from the world.
Ma come fa la luce a viaggiare dentro il vetro, piuttosto che passarci attraverso? Il trucco risiede in un fenomeno noto come riflessione totale. Fin dai tempi di Isaac Newton, i fabbricanti di lenti e gli scienziati sanno che la luce si piega quando passa dall’aria a materiali come l’acqua o il vetro. Quando un raggio di luce all’interno del vetro colpisce la sua superficie con un angolo ripido, si rifrange, o si piega, appena esce nell’aria. Ma se il raggio viaggia con una bassa angolazione, si piega tanto da restare intrappolato, rimbalzando all'interno del vetro. Nelle giuste condizioni, una cosa normalmente trasparente alla luce può invece nasconderla al mondo.
Compared to electricity or radio, fiber optic signals barely degrade over great distances— a little power does scatter away, and fibers can’t bend too sharply, otherwise the light leaks out. Today, a single optical fiber carries many wavelengths of light, each a different channel of data. And a fiber optic cable contains hundreds of these fiber strands. Over a million kilometers of cable crisscross our ocean floors to link the continents— that’s enough to wind around the Equator nearly thirty times.
Rispetto all'elettricità o le onde radio, nella fibra ottica i segnali si degradano poco sulle grandi distanze, si disperde poca energia, e le fibre non possono fare curve troppo strette, altrimenti la luce fuoriesce. Oggi, una singola fibra ottica trasporta molte lunghezze d’onda della luce, ognuna per un diverso canale di dati. E un cavo in fibra ottica contiene centinaia di questi filamenti di fibre. Oltre un milione di chilometri di cavi attraversa i nostri oceani per connettere i continenti: ce n’è abbastanza per girare attorno all’Equatore quasi trenta volte.
With fiber optics, distance hardly limits data, which has allowed the internet to evolve into a planetary computer. Increasingly, our mobile work and play rely on legions of overworked computer servers, warehoused in gigantic data centers flung across the world. This is called cloud computing, and it leads to two big problems: heat waste and bandwidth demand. The vast majority of internet traffic shuttles around inside data centers, where thousands of servers are connected by traditional electrical cables. Half of their running power is wasted as heat. Meanwhile, wireless bandwidth demand steadily marches on, and the gigahertz signals used in our mobile devices are reaching their data delivery limits.
Con la fibra ottica, la distanza difficilmente limita i dati, il che ha permesso a Internet di trasformarsi in un computer planetario. Sempre più, i dispositivi mobili per lavoro e svago si appoggiano a server sovraccarichi, stipati in enormi data center sparsi in giro per il mondo. Questo è quel che si chiama “cloud computing” e porta a due grossi problemi: dispersione di calore e richiesta di banda. La maggior parte del traffico internet si muove all’interno dei data center, dove migliaia di server sono connessi da cavi elettrici tradizionali. Metà della loro corrente è dispersa come calore. Intanto, la richiesta di banda wireless avanza costantemente, e i segnali gigahertz usati nei nostri dispositivi mobili stanno raggiungendo i loro limiti di trasmissione di dati.
It seems fiber optics has been too good for its own good, fueling overly-ambitious cloud and mobile computing expectations. But a related technology, integrated photonics, has come to the rescue.
Pare che la fibra ottica sia stata troppo efficiente, a proprio svantaggio, alimentando aspettative troppo ambiziose di cloud e mobile computing. Ma una tecnologia affine, la fotonica integrata, è giunta in soccorso.
Light can be guided not only in optical fibers, but also in ultrathin silicon wires. Silicon wires don’t guide light as well as fiber. But they do enable engineers to shrink all the devices in a hundred kilometer fiber optic network down to tiny photonic chips that plug into servers and convert their electrical signals to optical and back. These electricity-to-light chips allow for wasteful electrical cables in data centers to be swapped out for power-efficient fiber.
La luce può essere guidata non solo all’interno della fibra ottica, ma anche in cavi in silicio ultrasottili. I cavi in silicio non guidano la luce bene come la fibra, ma permettono agli ingegneri di ridurre tutti i dispositivi in una rete in fibra ottica di un centinaio di chilometri a minuscoli chip fotonici che si inseriscono nei server e convertono i loro segnali elettrici in segnali ottici e viceversa. Questi chip che convertono l’elettricità in luce permettono di sostituire i cavi elettrici nei data center con fibre efficienti dal punto di vista energetico.
Photonic chips can help break open wireless bandwidth limitations, too. Researchers are working to replace mobile gigahertz signals with terahertz frequencies, to carry data thousands of times faster. But these are short-range signals: they get absorbed by moisture in the air, or blocked by tall buildings. With tiny wireless-to-fiber photonic transmitter chips distributed throughout cities, terahertz signals can be relayed over long-range distances. They can do so via a stable middleman, optical fiber, and make hyperfast wireless connectivity a reality.
I chip fotonici possono aiutare anche a superare i limiti della banda wireless. I ricercatori stanno lavorando per sostituire i segnali gigahertz con frequenze terahertz, per una trasmissione dei dati migliaia di volte più veloce. Ma si tratta di segnali a corto raggio: vengono assorbiti dall'umidità dell'aria, o bloccati dagli edifici alti. Con i minuscoli chip fotonici per la trasmissione da wireless a fibra distribuiti nelle città, si possono trasmettere segnali terahertz su lunghe distanze. Questo è possibile grazie a un intermediario stabile, la fibra ottica, e ciò rende la connessione wireless iperveloce una realtà.
For all of human history, light has gifted us with sight and heat, serving as a steady companion while we explored and settled the physical world. Now, we’ve saddled light with information and redirected it to run along a fiber optic superhighway— with many different integrated photonic exits— to build an even more expansive, virtual world.
Per tutta la storia dell'umanità, la luce ci ha donato la vista e il calore, fungendo da fedele compagna mentre esploravamo e ci stabilivamo nel mondo fisico. Ora, abbiamo caricato la luce di informazioni e l’abbiamo rediretta per farla correre sull’autostrada della fibra ottica, con numerose uscite fotoniche integrate, per costruire un mondo virtuale ancor più esteso.