zpětdálkapitolakurskatedra

3.2 TELEKOMUNIKACE

V tomto oddílu popíšeme, jak technologie laserů a optických vláken umožňuje přenos signálů na dlouhé vzdálenosti. Ukážeme, jak základní výzkum, zahájený pracemi Alberta Einsteina v kvantové mechanice, vedl k důležitým aplikacím. Cesta k nim byla spletitá a žádný z jejich zákrutů nebylo možné předpovídat na jejím začátku.

Páteří dnešních telekomunikačních systémů jsou optická vlákna. Tato skleněná vlákénka, která jsou tenčí než lidský vlas, ale pevnější než ocel, mohou přenášet velké objemy dat prostřednictvím přesně fokusovaných laserových paprsků. Použitím laserů a optických vláken se výrazně zvýšila kapacita přenosových sítí. Komunikační technologie společně s podobně rychle se rozvíjejícími počítačovými technologiemi vedly k exponenciálnímu růstu jevu zvaného Internet.

Začněme opět příběhem, který proletěl světem. V dubnu 1995 umírala v pekingské nemocnici studentka chemie. I když lékaři provedli řadu testů, nemohli zjistit příčinu jejího onemocnění. Její zoufalý přítel vyslal signál SOS s popisem jejího stavu do několika diskusních skupin na Internetu. Ve Washingtonu si této zprávy všiml Dr. John Aldis, který se znal s lékaři, kteří o dívku pečovali. Internetem poslal zprávu svým kolegům v Americe. Brzy se do diskuse zapojila řada lékařů a shodli se na tom, že příčinou onemocnění je otrava thaliem. Laboratorní vyšetření v Pekingu toto podezření potvrdilo - koncentrace thalia v těle dívky byla tisíckrát větší než norma. Diskuse na Internetu pokračovala a byla navržena vhodná léčba. Dívka se začala uzdravovat.

Tato historka poukazuje na to, že společnost je stále více závislá na globální komunikaci, která může každého stejně snadno spojit lidi kdekoliv na světě. K růstu kapacity přenosových linek, které umožňují takový nárůst komunikace, došlo poměrně nedávno. Ještě dlouho po 2. světové válce se spojení mezi Amerikou, Evropou a Asií uskutečňovalo s pomocí krátkovlnných rádiových signálů; navázání spojení někdy trvalo operátorům několik hodin a spojení bylo často rušeno atmosférickým šumem.

V roce 1956 byl položen první měděný transoceánský kabel, který umožňoval současný přenos 36 telefonních hovorů. Počátkem šedesátých let přenášely kabely 5 miliónů hovorů ročně. V polovině 60. let nastoupila komunikace přes satelity a v r. 1980 se uskutečnilo asi 200 miliónů transoceánských hovorů. Požadavky na telekomunikační systémy se dále zvyšovaly a tehdejší technologie nebyly schopny jim vyhovět. Na konci 80. let se objevilo řešení - světlo jako prostředek komunikace.

Všechny formy moderní komunikace používají jako nosiče signálu elektromagnetických vln určité frekvence. Modulací nosného signálu můžeme kódovat informaci, která má být přenášena; čím vyšší je frekvence, tím více informace může signál přenášet.

Měděný vodič může přenášet pouze frekvence do 1 MHz, což stačí k přenosu několika tuctů zvukových kanálů. Drahé koaxiální kabely mohou přenášet frekvence do 10 GHz a ani kapacita mikrovlnných systémů pracujících s frekvencemi okolo 40 GHz nestačila rostoucím potřebám.

Využití světla k přenosu informací napadlo už vynálezce telefonu A. Grahama Bella, ale v té době neexistoval způsob přenosu světla na velké vzdálenosti. V šedesátých letech bylo využito čtyřicet let starých poznatků A. Einsteina k vynálezu laseru. Tento úspěch povzbudil výzkumníky k hledání způsobů, jak využít světla k přenosu informací, a o několik let později se objevily optické kabely.

Výzkum, který vedl ke konstrukci laserů, začíná kvantovou mechanikou. V r. 1900 Max Planck vyslovil hypotézu, že atomy vyzařují energii v diskrétních kvantech. A. Einstein přišel s myšlenkou, že světlo sestává z energetických balíků - fotonů, které mají tím vyšší energii, čím větší je frekvence světla. Využil svého nápadu k vysvětlení fotoelektrického jevu (vyrážení elektronů z atomových slupek dopadajícím světlem) a za tento objev (nikoliv ze teorii relativity, jak si spousta lidí myslí) dostal Nobelovu cenu.

Podle Bohrova modelu atomu obsazují elektrony určité energetické hladiny a mohou se dostat na vyšší hladinu pouze pohlcením zcela určité energie neb mohou přejít na nižší hladinu vyzářením určitého kvanta energie. Pokud jsou atomy v excitovaném stavu, dochází za normálních okolností ke spontánní emisi, při níž se fotony pohybují v náhodných směrech. Einstein si uvědomil, že pokud na excitované atomy dopadnou fotony se správnou energií (rovnou rozdílu mezi nižším a excitovaným stavem), může tím být spuštěna řetězová emise, kterou se zesílí procházející světlo, jako by „hladové“ elektrony, které chtějí chytit přicházející fotony, upustily ty, které už drží. Navíc mají všechny emitované fotony stejný směr. Tomuto jevu se říká „stimulovaná emise“. Problém je v tom, že ke stimulované emisi může dojít pouze tehdy, je-li v excitovaném stavu více atomů než v nižším energetickém stavu, což je situace opačná k normální situaci. Musí tedy vzniknout tzv. inverzní populace a toho se dociluje umělým uvedením populace atomů do excitovaného stavu.

Na základě těchto principů se v r. 1963 podařilo sestrojit první maser (zkratka Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), který emitoval mikrovlnné fotony. V r. 1960 byl postaven první rubidiový laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), který emituje vysoce fokusované monochromatické světlo.

Při experimentu, provedeném v r. 1962, byl zaměřen na Měsíc laserový paprsek o průměru 30 cm. Na povrchu Měsíce ozářil plochu o průměru 2 km. Normální světlo by se rozptýlilo tak, že by ozářilo plochu o průměru skoro 40 000 km.

K vytvoření inverzní populace se používalo tzv. světelných čerpadel, která mohla produkovat pouze světelné impulsy, nikoliv spojitý proud světla. Později byly vyvinuty plynové lasery, které měly menší energetické nároky a nepřehřívaly se, ale byly velké a křehké. Připomínaly elektronky, které byly v šedesátých letech nahrazeny malými a spolehlivými tranzistory. Vědci začali přemýšlet, jestli by k něčemu podobnému nemohlo dojít i u laserů.. Brzy se ukázalo, že je k tomu vhodný jeden z polovodičů, arsenid galia, a v r. 1962 byl vyvinut polovodičový laser, který se však stále potýkal s problémem přehřívání. Tento problém se podařilo vyřešit r. 1967 s pomocí  mnohovrstvého laseru který pracoval spojitě při pokojové teplotě.

Zbývalo vyřešit ještě jeden problém: Jak přenášet světelné signály na velké vzdálenosti. Rozhlasové vlny, které mají velkou vlnovou délku, procházejí volně vzduchem, protože se mohou ohnout kolem pevných částic, vodních kapek a jiných překážek. Ale krátkovlnné světlo laseru se na takových částicích rozptýlí. Světlo tedy potřebuje vodič podobný telefonnímu kabelu.

Řešením se staly optické kabely, které využívají vlastnosti známé jako totální reflexe. Pokud světlo dopadá na rozhraní dvou prostředí pod menším než limitním úhlem, pak nedojde k lomu a přestupu světla do druhého prostředí, ale k jeho totálnímu odrazu. Pokud je optické vlákno tak tenké, že světlo nemůže na jeho vnitřní povrch dopadat pod úhlem větším než je příslušný limitní úhel, pak zůstává paprsek „uvězněn“ uvnitř vodiče (viz obr. 3-2). Sklo však nesmí obsahovat žádné nečistoty, na nichž by se mohlo světlo rozptýlit. Při použití normálního skla se ztratí 99% světla po průchodu zhruba desetimetrovým vláknem. V r. 1980 už se podařilo vyrobit tak čisté vlákno, že mohlo vést světlo na vzdálenost větší než 200 km bez nadměrných ztrát. Takové sklo se vyrábí kondenzací par.
 


 

Úsilí vědců a techniků přineslo plody v roce 1976, ve kterém společnost AT&T úspěšně instalovala v Atlantě dva optické kabely dlouhé 700 m ve standardních podzemních kanálech. Následující rok byl zahájen komerční provoz v Chicagu, kde byly podzemním kabelem dlouhým přes 2 km propojeny dvě telefonní ústředny.
Rozvoj optických sítí překonal veškerá očekávání. V r. 1978 bylo na celém světě instalováno asi 100 km optických kabelů. O pět let to bylo pouze v USA skoro 400 000 km kabelů, které mohly současně přenášet 80 000 telefonních hovorů. První transatlantický optický kabel byl položen r. 1988. Použité sklo bylo tak čisté, že zesilovače mohly být od sebe 60 km daleko.

Zesilovače jsou další důležitou součástí přenosových tras. Každý signál při přenosu slábne. Ještě dříve, než zeslábne pod přípustnou míru, musí být zesílen. Starší zesilovače převedly optický signál na elektrický, ten byl zesílen elektronickými obvody a jimi řízený laser vyslal nový, zesílený signál. Protože kapacita elektronických zesilovačů byla výrazně nižší než možná kapacita laserů a optických kabelů, omezovaly tyto prvky propustnost systému. Tento problém se podařilo vyřešit v r. 1985, když vědci v Southamptonu zjistili, že přidáním malého množství erbia do skla používaného v optických kabelech je možné postavit čistě optický zesilovač. Kapacita systému s takovými zesilovači může být stokrát vyšší než kapacita systému s elektronickými prvky. Takto konstruované kabely byly položeny přes Atlantik i Pacifik v r. 1996.

Pokrok byl rychlý, ale na obzoru jsou ještě dramatičtější změny. I když v tzv. páteřních sítích jsou používány optické systémy, na posledních kilometrech od ústředen do domácností se používají konvenční měděné vodiče, které sice stačí pro přenos zvuku, ale nevyhovují pro vysokorychlostní přenosy velkých objemů dat. Technologie pro stavbu vhodných linek existují, ale jsou zatím pro domácnosti příliš drahé. Ať už bude řešení pro tyto poslední kilometry jakékoliv, je jisté, že vyjde z laboratoří vědců, kteří zkoumají i to, co nemá okamžité využití, zkoumají zdánlivě nesouvisející procesy, aby pochopili tajemství přírody.
 

zpětdálkapitolakurskatedra


Správce stránky: Jiří Vacek
Poslední změna: 16.7.2001