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.
2012 yılında Japon ve Danimarkalı araştırmacılardan oluşan bir ekip dünya rekoru kırdı. 1 petabit verinin, ki bu 10.000 saatlik yüksek kaliteli video demek, 50 kilometreden uzun kabloyla bir saniyede aktarılması ile. Bu herhangi bir kablo değildi. Fiber optiğin geliştirilmiş bir versiyonuydu, gezegenimizi birbirine bağlayan ve interneti mümkün kılan gizli ağ.
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.
Onlarca yıldır şehirler ve ülkeler arasındaki uzun mesafeli iletişim, elektrik sinyalleri ile taşınmaktaydı, bakırdan yapılmış kablolarla. Bu oldukça yavaş ve verimsizdi, metal kablolar veri hızını sınırlıyor ve enerji, boşa harcanmış ısı olarak kayboluyordu. Ama 20. yüzyılın sonlarında mühendisler aktarımı daha ileriye taşıyacak bir yöntemde uzmanlaştılar. Metal yerine, cam dikkatlice eritilerek daha esnek yüzlerce kilometre uzunluğunda ve saç telinden daha kalın olmayan fiber kıllara dönüştü. Ve elektrik yerine, bu kıllar dijital veriyi temsil eden ışık sinyallerini taşır.
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.
Ama ışık camın arasından geçmeden, nasıl cam ile taşınır? Bu "toplam iç yansıma" olarak bilinen bir olguda gizli. Isaac Newton'un zamanından beri optikçiler ve bilim insanları ışığın büküldüğünü biliyorlardı, havayla su veya cam gibi malzemelerin arasından geçerken camın içindeki bir ışık ışını yüzeyine dik açı ile çarptığında kırılır veya havaya geçiyormuş gibi bükülür. Ama ışın yüzeye daha yakın bir açı ile ilerlerse daha uzağa bükülür ve içeride hapsolur, cam içinde yansımaya devam eder. Doğru koşullarda, saydam olan bir şey, dünyadan saklanabilir.
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.
Elektrik ve radyo ile karşılaştırıldığında fiber optik sinyaller uzun menzilde hemen hemen hiç kaybolmaz, az miktarda güç israfı olur ve fiberler çok keskin bükülemezler aksi hâlde ışık dışarı sızar. Günümüzde, tek bir optik kıl birçok ışık dalgaboyunu taşımaktadır, hepsi farklı bir veri kanalıdır. Ve fiber optik kablo bu fiber kıllardan yüzlercesini içerir. Bir milyon kilometrenin üzerinde kablo okyanus tabanını taramaktadır kıtaları birbirine bağlamak için, bu Ekvator çevresini 30 kere dönmeye yeterlidir.
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.
Fiber optikler ile uzaklık veriyi neredeyse hiç sınırlamayarak internetin gezegensel bir bilgisayara dönüşmesine olanak sağlar. Giderek artarak mobil iş ve faaliyetlerimiz çok çalışan sunucu birliğine dayanmakta, dünya genelinde devasa veri merkezlerinde depolanmaktadır. Buna bulut programlama denmektedir ve iki büyük probleme neden olmaktadır: ısı kaybı ve bant genişliği rağbeti. İnternet trafiğinin büyük bir kısmı, veri merkezlerinde mekik dokumaktadır, binlerce sunucunun birbirine geleneksel elektrik kablolarıyla bağlı olduğu. Çalışma enerjilerini yarısı ısı olarak boşa gitmektedir. Bu arada kablosuz bant genişliğine rağbet istikrarlı bir şekilde artmaktadır ve mobil cihazlarda kullanılan gigahertz sinyalleri veri dağıtım sınırlarına ulaşmaktadır.
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.
Görünen o ki fiber optikler, kendi iyiliği için fazla iyidir çünkü çok yüksek bulut ve mobil programlama beklentilerini daha da ateşlemektedir. Ama bağlantılı bir teknoloji olan entegre fotonik imdada yetişti.
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.
Işık sadece optik kablolarla değil ayrıca çok ince silikon kablolar ile de yönlendirilebilir. Silikon kablolar, ışığı fiber kadar iyi yönlendiremez. Ama mühendislerin, yüz kilometrelik fiber optik ağındaki tüm cihazları sunuculara bağlanabilen ufak fotonik çiplere küçültmesini ve elektrik sinyallerini, optiğe ve tekrar geriye dönüştürmesini sağlayabilir. Bu elektrikten ışığa dönüşebilen çipler, veri merkezlerindeki elektrik kablolarının enerji etkin fiberlere dönüşmesini sağlar.
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.
Fotonik çipler açık kablosuz bant genişliği sınırında da yardımcı olabilir. Araştırmacılar, mobil gigahertz sinyallerinin terahertz frekanslarıyla yer değiştirmesi sayesinde binlerce kat daha hızlı veri taşınması üzerinde çalışmaktadır. Ama bunlar kısa menzilli sinyallerdir: havadaki nem tarafından emilebilir ya da yüksek binalar tarafından engellenebilir. Ufak kablosuzdan fibere dönüşen fotonik verici çipler ile, şehirler arasında dağıtılan terahertz sinyalleri uzun menzillerde aktarılabilir. Sabit bir aracı olan ışınsal fiber ile yapılabilir ve hiper hızlı kablosuz bağlantı gerçeğe dönüşebilir.
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.
Tüm insanlık tarihi boyunca, ışık bize görüş alanı ve ısı sağlamıştır, keşfettiğimiz ve yerleştiğimiz fiziki dünyada güvenilir bir arkadaş olmuştur. Şimdi ışığı bilgi ile yöneterek ve yeniden yönlendirerek, fiber optik otobanı boyunca taşıyarak birçok farklı entegre fotonik çıkışla, daha da genişleyen bir sanal dünya yaratabiliriz.