Как работает оптоволоконный кабель: свет через океан

Как работает оптоволоконный кабель: стеклянная нить под океаном

Оптоволоконный кабель передаёт данные вспышками инфракрасного света внутри стеклянной нити тоньше волоса, и свет остаётся внутри благодаря полному внутреннему отражению. Когда вы открываете страницу, размещённую на другом континенте, запрос почти наверняка пересекает море именно так. TeleGeography, которая составляет карту этой отрасли, насчитала в 2026 году более 600 действующих и планируемых подводных кабелей и более 1,5 млн километров кабеля в эксплуатации. Есть и спутниковые линии, но долю международного трафика, которая приходится на них, этот экспонат не оценивает.

Свет в таких кабелях должен тысячи километров идти внутри стеклянной сердцевины шириной 8,2 микрометра, как можно меньше терять по дороге и прийти чистым рисунком из единиц и нулей. Экспонат прослеживает его путь от торца одного волокна до дна Атлантики. Каждая станция на стенде отвечает за одну часть задачи, а числа на табло получены по формулам ниже.

Почему свет остаётся в сердцевине

Луч света, переходя из одного материала в другой, меняет направление. Новый угол даёт закон Снеллиуса:

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

Здесь n это показатель преломления (во сколько раз материал замедляет свет по сравнению с вакуумом), а θ отсчитывается от нормали, линии, проведённой перпендикулярно поверхности. При переходе из более плотного материала в менее плотный луч отклоняется от нормали.

Будем теперь увеличивать θ1. Луч во втором материале всё ближе прижимается к поверхности, пока при одном особом угле sin θ2 не должен был бы стать равным 1. Это и есть критический угол:

θc = arcsin(n2 / n1)

При любом большем угле решения для θ2 нет. Через границу не проходит никакой свет, и поверхность отражает 100% его. Физики называют это полным внутренним отражением. Оно эффективнее любого зеркала, потому что нет металла, который при каждом отражении поглощал бы долю света.

Оптическое волокно построено вокруг этого единственного эффекта. Сердцевина сделана из стекла с небольшой добавкой оксида германия, повышающей показатель преломления. Окружающая её оболочка состоит почти из чистого кварца с чуть меньшим показателем. Луч, идущий почти параллельно оси, падает на стенку сердцевины под очень малым, скользящим углом, далеко за критическим, и потому отражается от стенки к стенке на всём протяжении волокна.

Как вычислить критический угол

В модели взята геометрия SMF-28e+ производства Corning, стандартного одномодового волокна по рекомендации ITU-T G.652.D. В паспорте указаны диаметр сердцевины 8,2 мкм, диаметр оболочки 125,0 мкм, диаметр покрытия 242 мкм и числовая апертура (NA) 0,14.

Для оболочки мы берём плавленый кварц на 1550 нм, показатель которого равен 1,4440 (измерения Мэлитсона по данным RefractiveIndex.INFO). Числовая апертура связывает два показателя:

NA = √(n1² − n2²)

отсюда показатель сердцевины n1 = √(1,4440² + 0,14²) = 1,4508. Разница составляет всего 0,47%, это типично для одномодового волокна. Критический угол получается таким:

θc = arcsin(1,4440 / 1,4508) = 84,46°

Иначе говоря, луч должен отклоняться от оси волокна не больше чем на 5,54°. Снаружи, в воздухе, это даёт конус с половинным углом arcsin(0,14) = 8,05°. Свет, направленный в торец круче 8°, волокно не удержит.

Первый ползунок задаёт угол на стенке сердцевины. При 87° луч удерживается: вдоль модели он касается стенки четыре раза, и пятно на карточке в дальнем конце остаётся ярким. Опустите угол до 84°, и по формулам Френеля коэффициент отражения при каждом касании составит всего 19,6%. При 80° он равен 0,8%. Почти весь свет уходит в оболочку уже при первом отражении, идёт наружу под углом 81,7° к нормали и поглощается покрытием, показатель которого выбран больше, чем у стекла, чтобы рассеянный свет выводился, а не вёлся дальше. На табло показан свет, оставшийся к концу модели, для каждого случая.

Как превратить свет в единицы и нули

Проще всего передавать данные по волокну так: включать свет для 1 и выключать для 0. Передатчик в модели делает именно это с восемью битами заглавной буквы. В ASCII буква A это 65, или 01000001 в двоичной записи, так что в каждой группе из восьми лазер вспыхивает дважды.

На дальнем конце фотодиод превращает каждую вспышку в небольшой ток. Приёмник проверяет ток в середине каждого битового интервала и решает, выше он порога или ниже. Вторая кривая на табло показывает, почему это работает, хотя принятый сигнал слабее и края у него скруглены: пока единицы и нули хорошо отличаются друг от друга, приёмник их различит.

Скорости здесь трудно представить. При 10 гигабитах в секунду один бит длится 100 пикосекунд. Свет в стекле идёт со скоростью около 204 000 км/с, поэтому бит занимает около 2,04 см волокна. В кабеле длиной 6 600 км в каждый момент находятся в пути сотни миллионов бит.

Современные магистральные системы идут намного дальше простого включения и выключения. Они меняют у света не только яркость, но и фазу с поляризацией, а по одному волокну одновременно посылают десятки длин волн (спектральное уплотнение). Но принцип тот же: рисунок из света, который приёмник может вернуть в числа.

Как свет теряется на каждом километре

Даже очень чистое стекло не идеально прозрачно. Крошечные колебания плотности рассеивают часть света в стороны (рэлеевское рассеяние), а примеси поглощают ещё немного. Потери измеряют в децибелах на километр. Каждые 10 dB уменьшают мощность в десять раз, поэтому 20 dB оставляют 1%.

Для стандартного одномодового волокна заданы потери от 0,19 до 0,20 дБ/км на 1550 нм, той длине волны, где кварцевое волокно теряет меньше всего. Волокно для подводных трасс делают с ещё меньшими потерями. Третья станция начинается с 0,17 дБ/км, это характерное значение для такого волокна, а не паспортная величина, и её ползунок идёт от 0,15 до 0,40 дБ/км.

Звучит как мелочь, пока не умножишь на океан. На 6 605 км кабеля MAREA 0,17 дБ/км складываются в 1 123 dB. Свет ослабился бы до одной части из 10^112, это намного меньше одного фотона. Пересечь океан можно только усиливая сигнал много раз по дороге.

Усилители на морском дне

Каждый серый корпус на модельном дне это ретранслятор. Внутри стоят эрбиевые волоконные усилители: несколько метров волокна, в сердцевине которого есть ионы эрбия, с накачкой от небольшого лазера. Свет на 1550 нм, проходя через возбуждённый эрбий, заставляет его излучать ещё свет на той же длине волны и с той же фазой, так что сигнал выходит сильнее, ни разу не превращаясь в электрический.

Расстояние между усилителями это компромисс. При усилителях через 70 км и волокне 0,17 дБ/км каждый участок теряет 11,9 dB, оставляя 6,5% света, и каждый усилитель должен вернуть 11,9 dB. Растяните участки до 120 км, и потери вырастут до 20,4 dB: сигнал придёт таким слабым, что шум, который добавляет каждый усилитель, начнёт мешать. Короткие участки дают более чистый сигнал, но требуют больше ретрансляторов, а каждый стоит денег и электроэнергии. SubCom указывает для своих систем номинальный шаг от 50 до 90 км. В исследовании 2024 года кабеля Dunant компании Google среднее расстояние составляет 84 км на 6 611 км.

Ретрансляторам нужно электричество, а розеток на морском дне нет. Оборудование питания на каждой береговой станции пропускает по медному проводнику кабеля постоянный ток, все ретрансляторы включены последовательно, а обратным путём служит море. Кабель SubCom SL17 рассчитан на 15 000 вольт. Сопротивление его проводника около 1 ома на километр, поэтому нужное напряжение растёт с длиной кабеля.

Что внутри подводного кабеля

Четвёртая станция показывает кабель типа SubCom SL17, подробно описанный в заявке правительства Ирландии на использование прибрежной полосы для кабеля AEC-2. Идём от центра наружу:

1. Трубка с волокнами. Небольшая пластиковая трубка, в которой волокна свободно лежат в водоблокирующем геле.
2. Силовые проволоки. 24 высокопрочные стальные проволоки в два слоя (8 по 1,59 мм, затем 8 по 1,50 мм вперемежку с 8 по 1,13 мм). Они принимают нагрузку при укладке и подъёме кабеля и образуют вокруг волокон небольшой сосуд, выдерживающий давление.
3. Медная оболочка. Медная трубка со сварным швом вокруг проволок. По ней идёт питание ретрансляторов, и она закрывает сердечник от воды и водорода, из-за которого стекло со временем темнеет.
4. Полиэтиленовая оболочка. Изолирует медь от моря и доводит кабель до 17,0 мм. Это лёгкий кабель (LW), который кладут на глубоком дне океана, он примерно толщиной с садовый шланг.

Модель рисует эти слои в масштабе и сдвигает каждый назад, чтобы все они были видны сразу.

Почему у берега кабель толще

На абиссальной равнине кабель почти никто не трогает. Ближе к суше ему встречаются якоря, рыболовные тралы, течения и скалы. TeleGeography со ссылкой на Международный комитет по защите кабелей оценивает число повреждений кабелей примерно в 200 в год, и две трети из них вызваны рыболовными судами и волочащимися якорями.

Поэтому защита меняется с глубиной. В руководстве SubCom по выбору кабеля, использованном для AEC-2, двойная броня (DA) положена на глубинах менее примерно 600 м: два слоя просмолённых оцинкованных стальных проволок, 18 и затем 24 штуки, каждая толщиной 3,35 мм, под просмолённой нейлоновой пряжей. Кабель вырастает до 35,9 мм. Лёгкая проволочная броня (LWA), только с первым слоем, применяется до примерно 2000 м и имеет диаметр 28,9 мм. Глубже 17-миллиметровый лёгкий кабель идёт до самой большой глубины океана. Рекомендация ITU-T G.978 даёт похожие типичные диапазоны: лёгкий кабель глубже 1000 м, одинарная броня примерно от 20 до 1500 м и двойная броня от берега до 100 м. На мелководье кабель обычно ещё и закапывают в грунт.

Сколько идёт свет через океан

Свет в стекле медленнее, чем в вакууме. Для сигнала важна скорость, которую задаёт групповой показатель, а у SMF-28e+ на 1550 нм он равен 1,4682. Значит, сигнал идёт со скоростью

v = c / 1,4682 = 299 792 / 1,4682 ≈ 204 190 км/с

примерно две трети скорости света в вакууме. Задержка на кабеле длиной L равна просто L / v. Для трёх маршрутов на глобусе:

Длины кабелей взяты с Submarine Cable Map компании TeleGeography. Кабель всегда длиннее прямой, проведённой по большому кругу между его концами, потому что изыскатели обводят его вокруг крутых склонов, разломов и оживлённых рыбных мест. От Вирджиния-Бич до Бильбао по большому кругу 6 050 км, и свет в вакууме прошёл бы их за 20,2 мс. В реальном соединении время добавляют ещё маршрутизаторы и наземные участки на каждом конце.

Второй пример с расчётом: более широкая сердцевина и её угол приёма

Волокно экспоната одномодовое, с числовой апертурой 0,14. Многие короткие линии, например внутри здания или между двумя серверами в зале, используют многомодовое волокно, у которого сердцевина в несколько раз шире. Чтобы увидеть, как меняются числа, возьмём волокно из стекла со ступенчатым профилем: показатель сердцевины n1 = 1,480, показатель оболочки n2 = 1,460. Эти два значения приняты для наглядности расчёта и не описывают никакого конкретного изделия.

NA = √(1,480² − 1,460²) = √(2,1904 − 2,1316) = √0,0588 = 0,2425

θc = arcsin(1,460 / 1,480) = 80,6°

Луч удерживается, если падает на стенку сердцевины под углом больше 80,6°, то есть идёт не дальше 9,4° от оси. Снаружи, в воздухе, волокно принимает конус с половинным углом arcsin(0,2425) = 14,0°. Можно сверить два числа между собой: луч, отклонённый от оси на 9,4° внутри стекла, выходит из торца под углом, для которого sin θ = 1,480 × sin 9,4° = 0,242, а это те же 0,2425 с точностью до округления.

Сравните с волокном экспоната, где половинный угол приёма всего 8,05°. Более широкий конус приёма облегчает ввод света от дешёвого источника. Но он же допускает больше разных путей внутри сердцевины, и следующий раздел показывает, чем за это приходится платить скоростью.

Почему импульсы расплываются: модовая и хроматическая дисперсия

Резкий вначале импульс не остаётся резким. У этого две основные причины.

Модовая дисперсия возникает в многомодовом волокне. Луч вдоль оси идёт кратчайшим путём. Луч, отражающийся под самым крутым из допустимых углов, идёт более длинным зигзагом, и потому приходит позже. Для принятого выше волокна дополнительное время в пути на километр равно

Δt = (n1 × L / c) × (n1 − n2) / n2 = (1,480 / 299 792 км/с) × (0,020 / 1,460) ≈ 4,94 мкс × 0,0137 ≈ 67,6 нс на км

При 10 Гбит/с бит длится 100 ps, так что через километр одна вспышка растягивается примерно на 676 битовых интервалов. По распространённому практическому правилу разброс должен оставаться меньше примерно половины битового интервала, что для этого волокна ограничивает скорость на километре значением около 1 / (2 × 67,6 нс) = 7,4 Мбит/с. Fiber Optic Association объясняет, что в многомодовом волокне с градиентным профилем показатель сердцевины убывает к краю, поэтому моды высших порядков на длинных трассах идут быстрее и разница времён прихода уменьшается. Остаточная модовая дисперсия у реальных волокон всё же есть. Другое решение для больших расстояний: сделать сердцевину настолько узкой, что остаётся один путь. Сердцевина экспоната шириной 8,2 мкм так и сделана, поэтому подводные кабели используют одномодовое волокно.

Хроматическая дисперсия остаётся даже в одномодовом волокне. Показатель преломления стекла немного зависит от длины волны, поэтому разные цвета внутри одного лазерного импульса идут с чуть разной скоростью. Дисперсию D указывают в пикосекундах разброса на нанометр спектральной ширины на километр. Для SMF-28e+ паспорт Corning даёт длину волны нулевой дисперсии между 1304 и 1324 нм и наклон не больше 0,092 ps/(nm²·km). Обычное приближение D(λ) = (S0 / 4) × (λ − λ0⁴ / λ³) при λ0 = 1313 нм (середина этого диапазона, моё допущение) даёт около 17 ps/(nm·km) на 1550 нм. Это оценка по исходным данным самой формулы из паспорта, а не напечатанная в нём характеристика.

Допустим, линия лазера шириной 0,1 нм (тоже допущение). На 100 км импульс расплывается на 17 × 0,1 × 100 = 170 ps, это уже больше 100 ps бита при 10 Гбит/с. На 6 605 км кабеля MAREA получилось бы 17 × 0,1 × 6 605 ≈ 11 200 ps, примерно 112 битовых интервалов. Поскольку разброс для данного волокна и расстояния фиксирован, приёмник может его компенсировать. TAT-8 работал на 1,3 мкм, внутри окна нулевой дисперсии от 1304 до 1324 нм, и дисперсия там была небольшой. Платой были потери выше, чем на 1550 нм.

Бюджет потерь в числах

Шкала децибел превращает умножение в сложение: потери x dB оставляют 10^(−x/10) мощности. Возьмём 0,20 дБ/км, верхнюю границу требований к стандартному одномодовому волокну, и введём 1 мВт (0 dBm, условное круглое число):

В этих числах не учтены разъёмы и сростки, у каждого из которых свои потери, поэтому у реальной линии запас меньше, чем следует из таблицы.

Таблицу полезно сравнить с историей. Нобелевский фонд сообщает, что в 1960-е годы после 20 метров стекловолокна оставался лишь 1% света. Это 20 dB на 20 м, или 1000 дБ/км. Цель Као была такой: 1% после целого километра, то есть 20 дБ/км. Фонд также пишет, что сегодня после километра остаётся 95%, а это 10 × log10(0,95) = −0,22 дБ/км. За полвека потери снизились примерно в 4500 раз.

Подводные системы тогда и сейчас

TAT-8 вступил в строй 14 декабря 1988 года. В записи о нём в списке вех IEEE указаны длина по морскому дну 5 846 км, одномодовое волокно 1,3 мкм, ретрансляторы со скоростью 280 Мбит/с и ёмкость 40 000 телефонных каналов, в десять раз больше, чем у последнего медного кабеля. Первый трансатлантический телефонный кабель, проложенный в 1956 году, по данным Нобелевского фонда, мог передавать 36 разговоров одновременно.

TeleGeography указывает для более нового кабеля MAREA потенциальную ёмкость 224 терабита в секунду. Если разделить её на 280 Мбит/с ретрансляторов TAT-8, получится 224 × 10¹² / 280 × 10⁶ = 800 000 раз. TeleGeography различает потенциальную ёмкость, то есть то, что кабель мог бы передавать, если бы владелец установил на концах всё возможное оборудование, и фактически задействованную ёмкость; в прессе обычно приводят большую цифру.

Кабели различаются не только скоростью, но и размером. TeleGeography относит CeltixConnect длиной 131 км между Ирландией и Великобританией к коротким, а Asia America Gateway длиной 20 000 км к длинным. Она следит за более чем 600 действующими и планируемыми кабелями и оценивает общую длину в эксплуатации в более чем 1,5 млн km на начало 2026 года. В её FAQ отмечено и изменение в том, кто их строит: поставщики контента, такие как Google, Meta, Microsoft и Amazon, теперь крупные инвесторы, и ёмкость, развёрнутая частными сетевыми операторами, недавно обогнала ёмкость операторов магистралей интернета.

Распространённые заблуждения

«Внутри волокно зеркальное». Нет, покрытие не нужно. Полное внутреннее отражение возникает из ступеньки показателя преломления между сердцевиной и оболочкой, и при каждом отражении ничего не теряется. Металлическое зеркало каждый раз поглощало бы часть света.

«Свет в волокне идёт со скоростью света». Только в вакууме. В стекле сигнал идёт со скоростью c / 1,4682, около 204 190 км/с, примерно на треть медленнее.

«Стекловолокно хрупкое». Тонкое стекло кажется ломким, но Нобелевский фонд отмечает, что стекло, вытянутое в длинную нить, становится прочным, лёгким и гибким, а потому его можно закапывать, тянуть под водой и огибать им углы.

«Главная опасность это акулы и рыбы». Рыболовные снасти и якоря вызывают около двух третей всех повреждений кабелей, по данным ICPC, которые приводит TeleGeography.

«Чем толще кабель, тем больше он передаёт». Глубоководный кабель имеет толщину 17 мм, а прибрежный вариант с двойной бронёй 35,9 мм. Лишняя толщина это стальная проволока против якорей, а не дополнительные волокна.

«Ретранслятор превращает свет в электричество и обратно». Ретрансляторы TAT-8 действительно так и делали. Современные усиливают сам свет эрбиевым волокном. Электричество лишь питает лазеры накачки.

Четыре пары материалов и углы, которые они удерживают

Первая сцена позволяет менять стекло. Правило для всех четырёх одно: критический угол равен arcsin(n2 / n1), он отсчитывается от нормали к стенке, и внутри остаются только лучи, падающие на стенку под большим углом.

Mitsubishi Chemical указывает для пластикового волокна показатель сердцевины 1,49 и числовую апертуру 0,5, так что показатель его оболочки следует из NA = sqrt(n1² - n2²): sqrt(1,49² - 0,5²) = 1,4036. Чем меньше разница двух показателей, тем ближе к оси должен идти луч, поэтому луч в телекоммуникационном волокне на сцене выглядит почти прямым.

У стеклянного стержня в воздухе есть особенность, которой нет у остальных. Свет, входящий в его плоский торец из воздуха, так сильно загибается к оси, что всегда падает на боковую стенку под углом больше критического: числовая апертура sqrt(1,5² - 1²) = 1,12 больше 1, наибольшего значения, которое может подать воздух. Поэтому на сцене нельзя заставить стеклянный стержень пропускать свет лазером: маркер останавливается на 48,19°, наименьшем угле на стенке, до которого может дойти свет из воздуха.

Насколько круто можно гнуть

В сцене Изгиб девять лучей входят в волокно, которое поворачивает на полкруга вокруг барабана. На прямом участке у каждого луча угол на стенке остаётся одним и тем же, но на изгибе внешняя стенка уходит прочь, и каждый луч падает на неё под меньшим углом, чем раньше. Луч, идущий вдоль оси при радиусе изгиба R (до центра сердцевины), падает на внешнюю стенку, на расстоянии R + a, так что sin(угла) = R / (R + a). Он уходит наружу, когда это значение становится меньше n2 / n1, то есть когда R меньше a n2 / (n1 - n2).

Для пластикового волокна этот предел равен 1,4036 / (1,49 - 1,4036) = 16,2 половины ширины сердцевины. Лучи, которые уже идут под углом, уходят раньше, и на сцене проходит около половины света при примерно 19 половинах ширины. Прослеженные лучи учитывают коэффициент отражения Френеля при каждом касании, поэтому луч чуть ниже критического угла теряет каждый раз лишь часть света.

Для телекоммуникационного волокна та же формула даёт 213 половин ширины, около 0,9 мм при радиусе сердцевины 4,1 мкм. Настоящее одномодовое волокно начинает терять свет при гораздо больших радиусах, потому что его свет это волновая картина, заходящая в оболочку, а лучевая картина этого показать не может. По данным Corning, SMF-28 Ultra теряет не больше 0,50 dB на одном витке радиусом 10 мм на 1550 нм. Волокно ITU-T G.657.A2, сделанное для квартир и зданий, рассчитано на радиус 7,5 мм и не больше 0,5 dB на одном витке. Пластиковое волокно теряет не больше 0,5 dB на четверти витка радиусом 25 мм.

Как далеко идёт импульс, пока не расплывётся

Сцена Моды посылает одни и те же восемь бит сразу по двум волокнам. В многомодовом волокне со ступенчатым профилем (модельные значения: сердцевина 1,4570, оболочка 1,4440) самый крутой из удерживаемых лучей проходит путь в n1 / n2 раз длиннее прямого. Поэтому времена прихода расходятся на L n1 / c x (n1 / n2 - 1), то есть на 43,7 нс на каждый километр. При 1 Гбит/с один бит длится 1 нс, так что импульсы сливаются через 1 / 43,7 км, примерно 23 м. При 100 Мбит/с предел в десять раз больше, около 230 м.

У одномодового волокна один путь, и разброс создаёт хроматическая дисперсия: 17 ps на каждый нанометр ширины сигнала и на каждый километр (у SMF-28 Ultra не больше 18). Сигнал со скоростью B бит/с имеет ширину около lambda² B / c: 0,080 нм при 10 Гбит/с и 1550 нм, так что разброс равен 1,36 ps на km. При 100 ps на бит импульсы сливаются примерно через 73 км. При 1 Гбит/с ширина в десять раз меньше, а бит в десять раз длиннее, поэтому предел вырастает в сто раз, до примерно 7 340 км. Настоящие длинные кабели исправляют дисперсию электроникой в приёмниках, поэтому могут работать далеко за этими пределами.

Кривая потерь и полоса усилителей

Сцена Потери рисует затухание в зависимости от длины волны от 800 до 1700 нм. Кривая модельная и состоит из трёх частей: рэлеевского рассеяния, которое падает как 1 / lambda⁴ и преобладает на коротких волнах; инфракрасного поглощения самим кварцем, которое круто растёт примерно после 1600 нм; и небольшого пика на 1383 нм от воды, оставшейся в стекле. Её подогнали так, чтобы она оставалась ниже максимумов Corning для SMF-28 Ultra: 0,32 дБ/км на 1310 и 1383 нм, 0,21 на 1490, 0,18 на 1550 и 0,20 на 1625. Модель даёт 1,46 дБ/км на 850 нм, 0,275 на 1310 и 0,164 на 1550.

Усилители на морском дне это эрбиевые волоконные усилители. Они работают в C-диапазоне примерно от 1530 до 1565 нм, а с более длинным эрбиевым волокном и в L-диапазоне до примерно 1625 нм. Установите в сцене 1310 нм, и два ретранслятора покраснеют: свет там не восстанавливается, и после двух участков его уже нет. Малые потери и полоса усилителей вместе объясняют, почему длинные кабели работают на 1550 нм.

Задание в этой сцене требует провести модельный путь Сеул–Лос-Анджелес длиной 11 378 км не более чем со 100 усилителями и не более чем с 20 dB потерь на каждом участке (20 dB это модельный предел того, что возвращает один усилитель). Нужно не меньше 101 участка, поэтому участок должен быть не короче 11 378 / 101 = 112,7 км, а на 1550 нм он может быть не длиннее 20 / 0,164 = 121,8 км. Подходит любое значение от 113 до 121. Без усилителей весь путь потерял бы 1 868 dB, и остался бы 10⁻¹⁸⁷ света: ни одного фотона.

Сеул–Лос-Анджелес: расчёт

Одного кабеля от Сеула до Лос-Анджелеса нет. Модельный путь в сцене Сеул–ЛА состоит из трёх участков: по суше от Сеула до выхода на берег в Пусане, под Тихим океаном от Пусана до Пасифик-Сити в Орегоне (два конца кабеля New Cross Pacific на карте TeleGeography) и снова по суше до Лос-Анджелеса. Длина каждого участка равна длине по большому кругу, умноженной на поправку на то, что настоящая трасса длиннее: 1,25 на суше и 1,1 на море (модельные значения).

При c / 1,4682 свету нужно 55,7 мс в одну сторону и 111,4 мс туда и обратно. Прямая по большому кругу от Сеула до Лос-Анджелеса равна 9 586 км; по волокну это было бы 93,9 мс туда и обратно, а в вакууме 63,9 мс. Ежечасные пинги WonderNetwork между серверами в двух городах с 25 по 27 октября 2026 года в среднем дали от 139 до 145 мс. Лишние примерно 30 мс приходятся на маршрутизаторы, более длинные наземные маршруты и сами серверы.

Кнопка гонки посылает импульс сразу по всем маршрутам, замедленный в 100 раз, так что вы видите, как TAT-8 (5 846 км, 28,6 мс) обгоняет Unity (9 620 км, 47,1 мс) и путь Сеул–ЛА.

Ваше имя в виде света

Сцена 0 и 1 превращает всё, что вы введёте, в байты UTF-8 и посылает биты вспышками. Латинская буква это один байт, восемь бит; слог хангыля это три байта, 24 бита, так что корейское имя из трёх слогов занимает 72 бита. Приёмник собирает по восемь бит и расшифровывает буквы по мере прихода. При 10 Гбит/с каждый бит длится 100 ps и занимает 2,04 см стекла, поэтому имя в 72 бита длится 7,2 нс и растягивается на 1,47 м вдоль волокна. В километре волокна одновременно находятся в пути около 49 000 бит.

Одна пара волокон и ваш домашний интернет

Под элементами управления можно ввести скорость вашего интернета и выбрать фильм. Размеры фильмов модельные: около 5 GB для HD и 20 GB для 4K. Google указывает для Dunant проектную пропускную способность 250 Tbit/s на 12 парах волокон, то есть около 20,8 Tbit/s на пару. Фильм в 20 GB это 160 Gbit, поэтому одна пара передала бы его за 7,7 мс; при 500 Мбит/с дома это занимает 320 с, около пяти с половиной минут.

Попробуйте на экране

В каждой подсказке используются названия из панели сцен и с самих панелей.

1. В сцене Ловушка для света тяните красный маркер на лазере вниз, пока панель не скажет, что свет уходит наружу, затем верните его, пока свет снова не будет удерживаться. С пластиковым волокном это происходит на 70,39°; задание просит остановиться меньше чем на 0,5° выше.
2. Выберите SMF-28 и снова потяните. Критический угол прыгнет до 84,46°, а луч внутри почти не зигзагообразит.
3. Выберите Стеклянный стержень и попробуйте заставить его пропускать свет. Маркер остановится на 48,19°, выше критического угла 41,81°.
4. Нажмите Ехать на свете и доедьте с импульсом до дальнего конца.
5. В сцене Изгиб тяните красный маркер к барабану. С пластиковым волокном первые лучи уходят при радиусе меньше 33 половин ширины, а примерно половина света пропадает около 19.
6. В сцене Моды выберите 1 Гбит/с и меняйте длину от 10 м до 100 м. Многомодовая кривая на экране станет оранжевой и расплывётся, а одномодовая останется прямоугольной.
7. В сцене Потери установите длину волны 1310 нм и смотрите, как краснеют ретрансляторы; затем вернитесь к 1550 нм и увеличьте расстояние до 118 км.
8. В сцене 0 и 1 введите своё имя и нажмите «Отправить».
9. В сцене Сеул–ЛА угадайте время туда и обратно ползунком, нажмите «Проверить», затем «Гонка по всем маршрутам».

Чего модель не показывает

Лучевая картина это упрощение. Сердцевина шириной 8,2 мкм это всего несколько длин волн, а свет в одномодовом волокне идёт как одна картина поля (мода), немного заходящая в оболочку. Лучевой рисунок точен для широких многомодовых сердцевин и даёт правильные критический угол и угол приёма для этой, но это не то, что свет делает буквально, и он не может показать, почему настоящее одномодовое волокно теряет свет на изгибах в несколько миллиметров.

Волокно в первой сцене нарисовано во много раз толще, чем на самом деле, а сцена изгиба использует половины ширины сердцевины как масштаб; углы и показатели настоящие. В сцене Моды зигзагообразные пути нарисованы круче настоящих 7,6°, чтобы их можно было различить, а пара многомодовых стёкол модельная.

Свет нарисован красным. Настоящий свет на 1550 нм инфракрасный и невидимый. Кривая потерь модельная, подогнанная под максимумы из паспорта, а не измеренная, а предел усилителя 20 dB и размеры фильмов это модельные значения.

Маршруты на глобусе это большие круги между точками выхода на берег, а не настоящие трассы, и путь Сеул–Лос-Анджелес модельный: он построен из трёх больших кругов с поправками. Контуры суши взяты из набора общественного достояния Natural Earth.

Краткая история

В январе 1966 года Чарльз Као, работавший вместе с Джорджем Хокхэмом в Standard Telecommunication Laboratories в Англии, пришёл к выводу, что большие потери в стекловолокне вызваны самим стеклом, а не дефектами нити, и что стекло можно очистить. По данным Нобелевского фонда, он рассчитал, что волокно из самого чистого стекла сможет передавать световые сигналы на 100 км, тогда как у волокон 1960-х годов было около 20 м. Статья Dielectric-fibre Surface Waveguides for Optical Frequencies вышла в том году в Proceedings of the IEE. Као указал на плавленый кварц как на материал. Он плавится почти при 2000 °C, это трудно контролировать, но получается самое чистое стекло.

Затем Corning Glass Works изготовила оптическое волокно длиной 1 км химическими способами. Научно-популярная справка Нобелевского фонда относит это к 1971 году.

Идея направлять свет намного старше. Даниэль Колладон пустил свет по струе воды в Женеве в 1841 году и описал это на следующий год в Comptes Rendus; Джон Тиндаль показал тот же эффект в Королевском институте в Лондоне 19 мая 1854 года, и его записи признают, что это было не совсем ново. К 1930-м годам врачи заглядывали в желудок через пучки тонких стеклянных стержней, а оболочка с меньшим показателем остановила утечку света там, где стержни касались друг друга.

Optics & Photonics News рассказывает, как Дональд Кек из Corning в августе 1970 года измерил 17 дБ/км на куске волокна длиной 29 м и записал в блокноте «Ура!». Капрон, Кек и Маурер в ноябре 1970 года сообщили в Applied Physics Letters о примерно 20 дБ/км. В 1979 году Мия с коллегами из NTT получили 0,20 дБ/км на 1,55 мкм в одномодовом волокне, близко к пределу, который задаёт рассеяние в кварце. В январе 1987 года Мирс, Рики, Джонси и Пейн из Саутгемптонского университета сообщили об эрбиевом волоконном усилителе с усилением 26 dB на 1,536 мкм, устройстве, которое теперь стоит в каждом ретрансляторе.

TAT-8, первый трансатлантический волоконно-оптический кабель, вступил в строй 14 декабря 1988 года. Он шёл 5 846 км по морскому дну между Северной Америкой и Европой, использовал одномодовое волокно 1,3 мкм и ретрансляторы со скоростью 280 Мбит/с и мог передавать 40 000 телефонных каналов. Его ретрансляторы ещё превращали свет в электрические сигналы и обратно. Позже эту работу взяли на себя оптические усилители. Нобелевский фонд оценивает общую длину проложенного сегодня оптического волокна более чем в 1 млрд km, а в 2009 году присудил Као половину премии по физике за работу, открывшую путь волоконной связи.