Nestačíš říct „švec“

Kdyby staří Řekové znali telefon, nezrodil by se maratón. Ještě ale než Graham Bell vyrazil na patentový úřad, lidstvo využívalo a experimentovalo s dalšími různými způsoby, jak přenést informaci na druhý konec známého světa rychleji, než dovolily lidské nebo zvířecí síly. Od prvotního využití světla a zvuku ve volném prostoru (bubny, ohňové signály) přes elektrické a rádiové signály jsme dospěli až k optickým vláknům a nejmodernějším vysokokapacitním optickým sítím. Základní princip je přitom pozoruhodně jednoduchý – informaci zakódujeme do změn světla, které pak přeneseme a rozbalíme. Komplikované to začne být ve chvíli, kdy zvolenou cestou chceme na velkou vzdálenost přesně přenést a synchronizovat přesný čas.

První optické komunikační systémy využívaly světlo (případně zvuk) šířené přímo prostorem. Příkladem je optický telegraf, který umožňoval přenášet zprávy pomocí vizuálně pozorovatelných světelných nebo mechanických signálů na překvapivě velké vzdálenosti. Lince, která v polovině 19. století spojovala Paříž s Lyonem vzdáleným 390 kilometrů, trvalo předání jednoho signálu zprávy (tehdy závratné) dvě minuty.

Jak přesný je čas, distribuovaný mezi uzly v síti CESTIME si lze představit na analogii. Kdyby jedna sekunda v síti CESTIME trvala jako celé století, pak by se za tuto dobu hodiny od přesného času odchýlily o pouhé tři sekundy. Synchronizovat čas s takovou přesností je důležité například pro zajištění kybernetické bezpečnosti – čas napadení jednotlivých prvků sítě při případném útoku je jedním z prvků, které pomáhají analýze útoku a obraně proti němu. Z hlediska bezpečnosti je čas také důležitý pro přesnou synchronizaci bankovních služeb, ale i vědeckých dat a experimentů, vyžadujících tu největší přesnost. Fakt, že do většiny uzlů míří dvě linky z různých směrů, slouží jako záloha pro krizové situace a zvyšuje dostupnost celé sítě.

Mapa Radek Velc, Cesnet

S dalším rozvojem komunikací roli zprostředkovatelů informace převzaly elektrické signály přenášené kovovými vodiči (telegraf a telefon). Zpracování a přenos informací se tím podařilo výrazně zjednodušit, ale rostoucí požadavky na vzdálenost a přenosovou kapacitu postupně ukázaly fyzikální limity této technologie.

Při hledání způsobu, který by tyto nedostatky přenosu informací odstranil, se tak lidé znovu zaměřili na světlo. Zbývalo jediné – izolovat světelný paprsek od všech rušivých vlivů. Vytvoření vlákna, které by světlu při průchodu kladlo co nejméně překážek, ale narazilo na problém. Výzkumníci první poloviny 20. století při hledání nejvhodnějšího materiálu pro obrazová medicínská vlákna zvolili sklo, ale při vší snaze nedokázali vyvinout materiál dostatečně čistý, aby v něm zamezili velmi vysokým úbytkům optického výkonu už na malých vzdálenostech. To prakticky vylučovalo, byť i jen úvahy, o výrobě vláken pro přenos informace na velké vzdálenosti.

Zlom nastal v roce 1966, kdy čínský fyzik Charles Kao a anglický inženýr George Hockham zjistili, že hlavním problémem není samotný princip optického vlákna, ale především vysoký útlum způsobený nečistotami v použitém skle. Jejich práce přímo vedla k vývoji vláken s výrazně nižšími ztrátami.

Druhý zásadní problém – jak světlo efektivně vytvářet a ovládat – vyřešil vynález trvalého laseru v roce 1960. Laserový zdroj poskytl úzce směrovaný svazek světla, v němž mají všechny vlny stejnou délku (koherenci), a lze je rychle ovládat – ideální kandidát pro přenos digitální informace. Pro optické komunikace se postupně začaly prosazovat zejména polovodičové lasery, umožňující přímo měnit optický výkon až miliardkrát za sekundu (gigahertzy) a později i rychleji s využitím přídavných modulátorů.

Kombinace nízkoztrátového optického vlákna a polovodičového laseru přinesla do telekomunikací zásadní změnu. První generace optických systémů využívaly především mnohavidová vlákna,¹⁾ s nimiž šlo přenos signálu uskutečnit jen na kratší vzdálenosti. Pro překonání meziměstských vzdáleností bylo nutno používat regeneraci, tedy převod signálů do elektrické domény a pak znovu zpět do optické. S rozvojem technologií se však prosadila jednovidová vlákna, která nevykazují modální disperzi¹⁾a umožnila přenos signálu na desítky až stovky kilometrů bez regenerace. Současně technologie dovolovaly postupný přesun pracovních vlnových délek do oblastí s minimálním útlumem optického vlákna, původně do pásma infračerveného záření s vlnovou délkou 1310 nanometrů (nm), později dokonce kolem 1550 nm. Moderní jednovidová vlákna mají útlum tak malý, že se v každém kilometru délky ztratí jen íma necelá setina optického výkonu.

Revoluce ale pokračovala. Zásadní zlepšení výkonu přineslo zavedení optických vláknových zesilovačů. Ty s pomocí speciálního aktivního média – především vlákna obohaceného erbiem (EDFA) zesilují slabé světelné signály v optickém vláknu bez nutnosti jejich převodu na elektrický signál. Extrémní zvýšení kapacity přenosu pak zajistila technologie hustého vlnového multiplexu (DWDM), která do jediného optického vlákna „svítí“ několika datovými toky současně. Každý z optických kanálů (kterých se do jednoho tenkého vlákna vejde 80 běžně a v extrému až k 200), oddělených jen vlnovou délkou světla, nese vlastní informaci. Dosah celého toku je navíc možné zvětšit jediným optickým zesilovačem společným pro všechny kanály. Přenosová kapacita jednoho optického vlákna tak vzrostla z megabitů a gigabitů za sekundu až na násobky terabitů za sekundu. Pro představu: při rychlosti 1,2 terabitu za sekundu (nejvyšší rychlost dnes běžně nasazovaných nejmodernějších systémů) byste 10 GB dat stahovali 0,07 sekundy. Vyslovit „švec“ trvá déle.