В 2012 году группа японских и датских учёных установила мировой рекорд, передав за одну секунду по пятидесятикилометровому кабелю один петабит данных, что составляет 10 000 часов видео высокого разрешения. Это был не обычный кабель, а усовершенствованная версия оптоволокна, скрытой сети, опутывающей земной шар, благодаря которой существует интернет.
Много лет связь между городами и странами на дальние расстояния осуществлялась посредством электрического тока по медным проводам. Это было медленно и неэффективно из-за ограничений по скорости и потерь энергии в виде тепла в металлических проводах. Но в конце XX века инженеры значительно улучшили способ передачи данных. Вместо металла стало возможно использовать тонко расплавленное стекло, вытянутое в гибкие волокна длиной в сотни километров и тоньше человеческого волоса. А вместо электричества эти волокна способны передавать цифровые данные в виде импульсов света.
Но как удержать свет внутри стекла, чтобы он не выходил наружу? Хитрость заключается в использовании полного внутреннего отражения. Со времён Исаака Ньютона изготовители линз и учёные знали, что при прохождении из воздуха через такие материалы, как вода или стекло, свет меняет направление. Когда луч света внутри стекла падает на его поверхность под крутым углом, он меняет направление, или преломляется, на выходе в воздух. Но если луч падает полого, то преломляется настолько, что остаётся пойманным внутри стекла. При определённых условиях вещество, обычно пропускающее свет, способно изолировать его от окружающего мира.
По сравнению с электричеством или радио оптоволоконные сигналы практически не затухают на больших расстояниях в силу малых потерь энергии, и волокна нельзя слишком сильно согнуть, иначе свет просочится наружу. В наше время одно оптоволокно несёт набор световых волн различной длины с отдельным каналом данных на каждой. И оптоволоконный кабель состоит из сотен таких волокон. По дну океанов вдоль и поперёк проложено более миллиона километров кабеля, связывающего континенты. Им можно почти тридцать раз обмотать экватор.
С оптоволокном расстояние мало влияет на время передачи данных, и интернет стал одним компьютером поистине планетарного масштаба. Всё больше и больше постоянная доступность нашей работы и отдыха зависит от множества перегруженных компьютерных серверов в разбросанных по всему миру гигантских центрах хранения и обработки данных. Это называется облачными вычислениями и создаёт две большие проблемы: тепловые отходы и гонку за пропускной способностью. Сетевой трафик в основном идёт внутри центров обработки и хранения данных, где тысячи серверов соединены обычными электрическими кабелями. Половина их рабочей мощности теряется на выбросы тепла. При этом спрос на пропускную способность беспроводной связи постоянно растёт, и гигагерцовые сигналы, генерируемые в мобильных устройствах, приближаются к пределам скорости передачи данных.
Может показаться, что оптоволокно оказалось слишком хорошим себе же во вред, породив завышенные ожидания в области облачных и мобильных вычислений. Но на выручку пришла смежная технология интегральной фотоники.
Свет может направляться не только по оптоволокну, но и по ультратонким кремниевым проводам. Кремниевые провода проводят свет не так хорошо, как оптоволокно. Но зато они позволяют инженерам ужать все устройства в стакилометровой оптоволоконной сети до крошечных фотонных микросхем, которые подключаются к серверам и преобразуют электрические сигналы в оптические и наоборот. Электросветовые трансфоматоры заменяют неэкономные электрические кабели в центрах хранения и обработки данных на энергосберегающее волокно.
Фотонные микросхемы могут ещё и улучшить пропускную способность беспроводной сети. Учёные работают над переводом мобильных сигналов с гига- на терагерцовые частоты, что позволит ускорить передачу данных в тысячи раз. Но это сигналы короткого радиуса действия: они поглощаются влагой в воздухе, или же блокируются высокими зданиями. Микросхемы беспроводных фотонных передатчиков, распределённые по городам, позволят транслировать терагерцовые сигналы на большие расстояния. Это станет возможным благодаря надёжному посреднику — оптоволокну, и тогда сверхбыстрая беспроводная связь станет реальностью.
На протяжении всей истории человечества свет нёс нам способность видеть и дарил нам тепло и был верным партнёром в исследовании и освоении физического мира. Теперь мы снабдили свет информацией и запустили его по сверхскоростному оптоволоконному «шоссе» со множеством ответвлений на интегральной фотонике, чтобы ещё больше раздвинуть границы виртуального мира.