В 1988 году первый трансатлантический оптический кабель TAT-8 обслуживал 40 000 телефонных разговоров одновременно — это было чудо инженерии. Сегодня один кабель Grace Hopper от Google пропускает 352 терабита в секунду: в миллионы раз больше. Разница — не только в более тонких волокнах и более умной модуляции. Она в том, что каждые 50–80 километров на глубине до восьми километров стоит герметичный цилиндр длиной около метра. Без него свет в волокне просто угасает.
Свет устает
Оптическое волокно передает фотоны, а не электроны, и фотоны в стекле рассеиваются. Стандартное волокно для морских кабелей поглощает примерно 0,15–0,2 дБ на километр на рабочей длине волны около 1550 нм. За 70–100 километров набегает 10–20 дБ потерь — сигнал становится слабее в десятки, а то и в сотню раз. Для цифрового сигнала это катастрофа: приемник перестает различать ноль и единицу в шуме.
Без усилителей трансатлантический оптический кабель не смог бы передавать данные вовсе — сигнал растворился бы еще у Азорских островов. Длина такого кабеля без регенерации ограничена несколькими сотнями километров, а от Нью-Йорка до Лондона — больше пяти тысяч.
Эрбий внутри
Устройство называется EDFA — усилитель на эрбиево-легированном волокне. Принцип такой: внутри корпуса намотана катушка из оптического волокна длиной 10–20 метров, в состав стекла которого добавлен эрбий — редкоземельный металл. Атомы эрбия умеют накапливать энергию и отдавать ее проходящему свету.
Рядом с сигнальным волокном в ту же нить закачивается луч-накачка с длиной волны 980 нм — невидимый инфракрасный. Его энергия возбуждает атомы эрбия, и они выбрасывают накопленное прямо в сигнал, усиливая его. Никакого преобразования в электрику. Никакой цифровой обработки: сигнал входит и выходит оптическим, просто более мощным. Именно поэтому один усилитель поднимает сразу все длины волн в кабеле — без разбора содержимого каждого канала.
Питание с берега
Лазер-накачка 980 нм генерируется прямо в корпусе повторителя небольшим лазерным диодом. А чтобы диод работал, нужна электроэнергия — и она приходит с берега по медному проводнику, который идет вдоль всего кабеля.
Береговые станции подают на этот проводник постоянный ток: напряжение 10–15 киловольт, сила тока около 1 ампера. Повторители включены в эту цепь последовательно, каждый забирает 30–70 вольт для своей электроники. Обратный путь тока — через морскую воду: она достаточно проводящая, чтобы замкнуть цепь длиной в тысячи километров. Высокое напряжение нужно, чтобы преодолеть сопротивление километров меди — суммарная мощность всей трассы при этом относительно невелика: 15 киловатт на всю Атлантику, примерно как несколько бытовых электрочайников.
Сколько всего влезает
Grace Hopper несет 16 пар волокон — 32 отдельных световода. Каждая пара работает по технологии DWDM: одна физическая нить одновременно несет до 100 световых волн разной длины, и каждая волна — самостоятельный канал данных. Итог: 352 терабита в секунду на один кабель.
Добавить новые каналы на уже уложенный кабель можно, просто обновив оборудование на берегу. Сам кабель со дна поднимать не надо: усилители прозрачны для любой длины волны, которую в них подадут.
Без права на ошибку
На глубине 8 километров давление — около 800 атмосфер. Корпус повторителя из титана или бериллиевой бронзы выдерживает 103 МПа без деформации: требование жесткое, потому что любое микроскопическое смещение оптических элементов меняет характеристики усиления. Корпус заваривается герметично после сборки: внутрь не попадет ни капля воды, ни молекула кислорода за весь срок службы.
Срок этот — 25 лет без обслуживания. Заменить вышедший из строя повторитель возможно: кабелеукладчик поднимает участок, вырезает секцию, вваривает новую. Операция занимает несколько недель и обходится в миллионы долларов. На практике основная причина ремонтов — якоря и рыболовные тралы, а не отказ усилителя. Сами повторители проходят многолетние ресурсные испытания до укладки.
Сценарий, при котором отказ повторителей обрывает связь между континентами, маловероятен: трансокеанские маршруты дублируются, и выход одной нитки незаметен для большинства пользователей. Реальная уязвимость системы — не в цилиндрах на дне, а в точках, где кабель выходит на шельф: именно там его режут якоря. Герметичный цилиндр с эрбиевым волокном внутри остается самой надежной частью всей конструкции.