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.
В 2012 году группа японских и датских учёных установила мировой рекорд, передав за одну секунду по пятидесятикилометровому кабелю один петабит данных, что составляет 10 000 часов видео высокого разрешения. Это был не обычный кабель, а усовершенствованная версия оптоволокна, скрытой сети, опутывающей земной шар, благодаря которой существует интернет.
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.
Много лет связь между городами и странами на дальние расстояния осуществлялась посредством электрического тока по медным проводам. Это было медленно и неэффективно из-за ограничений по скорости и потерь энергии в виде тепла в металлических проводах. Но в конце XX века инженеры значительно улучшили способ передачи данных. Вместо металла стало возможно использовать тонко расплавленное стекло, вытянутое в гибкие волокна длиной в сотни километров и тоньше человеческого волоса. А вместо электричества эти волокна способны передавать цифровые данные в виде импульсов света.
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.
Но как удержать свет внутри стекла, чтобы он не выходил наружу? Хитрость заключается в использовании полного внутреннего отражения. Со времён Исаака Ньютона изготовители линз и учёные знали, что при прохождении из воздуха через такие материалы, как вода или стекло, свет меняет направление. Когда луч света внутри стекла падает на его поверхность под крутым углом, он меняет направление, или преломляется, на выходе в воздух. Но если луч падает полого, то преломляется настолько, что остаётся пойманным внутри стекла. При определённых условиях вещество, обычно пропускающее свет, способно изолировать его от окружающего мира.
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.
По сравнению с электричеством или радио оптоволоконные сигналы практически не затухают на больших расстояниях в силу малых потерь энергии, и волокна нельзя слишком сильно согнуть, иначе свет просочится наружу. В наше время одно оптоволокно несёт набор световых волн различной длины с отдельным каналом данных на каждой. И оптоволоконный кабель состоит из сотен таких волокон. По дну океанов вдоль и поперёк проложено более миллиона километров кабеля, связывающего континенты. Им можно почти тридцать раз обмотать экватор.
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.
С оптоволокном расстояние мало влияет на время передачи данных, и интернет стал одним компьютером поистине планетарного масштаба. Всё больше и больше постоянная доступность нашей работы и отдыха зависит от множества перегруженных компьютерных серверов в разбросанных по всему миру гигантских центрах хранения и обработки данных. Это называется облачными вычислениями и создаёт две большие проблемы: тепловые отходы и гонку за пропускной способностью. Сетевой трафик в основном идёт внутри центров обработки и хранения данных, где тысячи серверов соединены обычными электрическими кабелями. Половина их рабочей мощности теряется на выбросы тепла. При этом спрос на пропускную способность беспроводной связи постоянно растёт, и гигагерцовые сигналы, генерируемые в мобильных устройствах, приближаются к пределам скорости передачи данных.
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.
Может показаться, что оптоволокно оказалось слишком хорошим себе же во вред, породив завышенные ожидания в области облачных и мобильных вычислений. Но на выручку пришла смежная технология интегральной фотоники.
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.
Свет может направляться не только по оптоволокну, но и по ультратонким кремниевым проводам. Кремниевые провода проводят свет не так хорошо, как оптоволокно. Но зато они позволяют инженерам ужать все устройства в стакилометровой оптоволоконной сети до крошечных фотонных микросхем, которые подключаются к серверам и преобразуют электрические сигналы в оптические и наоборот. Электросветовые трансформаторы заменяют неэкономные электрические кабели в центрах хранения и обработки данных на энергосберегающее волокно.
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.
Фотонные микросхемы могут ещё и улучшить пропускную способность беспроводной сети. Учёные работают над переводом мобильных сигналов с гига- на терагерцовые частоты, что позволит ускорить передачу данных в тысячи раз. Но это сигналы короткого радиуса действия: они поглощаются влагой в воздухе, или же блокируются высокими зданиями. Микросхемы беспроводных фотонных передатчиков, распределённые по городам, позволят транслировать терагерцовые сигналы на большие расстояния. Это станет возможным благодаря надёжному посреднику — оптоволокну, и тогда сверхбыстрая беспроводная связь станет реальностью.
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.
На протяжении всей истории человечества свет нёс нам способность видеть и дарил нам тепло и был верным партнёром в исследовании и освоении физического мира. Теперь мы снабдили свет информацией и запустили его по сверхскоростному оптоволоконному «шоссе» со множеством ответвлений на интегральной фотонике, чтобы ещё больше раздвинуть границы виртуального мира.