In fondo al mare: ripetitori ottici per cavi sottomarini

Circa una volta al mese, ho il privilegio di sedermi con il caporedattore Elliot Williams per registrare il podcast di Hackaday. È molto divertente passare un paio d'ore a divertirci insieme, e invariabilmente partiamo per ridicole tangenti senza alcuna possibilità di fare il montaggio finale, tranne forse come foraggio per l'intro e l'outro. È un sacco di lavoro, soprattutto per Elliot, che deve modificare le registrazioni grezze, ma è anche molto divertente.

Naturalmente facciamo tutto virtualmente e all'inizio abbiamo un piccolo rituale: l'applauso. A turno battiamo le mani nei nostri microfoni tre volte, con la persona dall'altra parte della linea che fa un battito di mani sincronizzato con l'applauso finale. Ciò dà a Elliot un'idea di quanto ritardo c'è sulla linea, il che gli consente di sincronizzare le due registrazioni. Dato che lui è in Germania e io in Idaho, il ritardo è piuttosto evidente, almeno un secondo o due.

Ogni volta che eseguiamo questo rituale, non posso fare a meno di interrogarmi su tutti gli strumenti che lo rendono possibile, compresi i cavi in ​​fibra ottica che corrono sotto l'Oceano Atlantico. I cavi di comunicazione sottomarini uniscono il mondo, trasportando oltre il 99% del traffico Internet transcontinentale. Sono pieni di ingegneria affascinante, ma per i miei soldi, i ripetitori ottici in linea che amplificano i segnali lungo il percorso sono le parti più interessanti, anche se - o forse soprattutto perché - sono nascosti sul fondo del mare.

Gran parte della lunga storia delle comunicazioni transoceaniche è stata dominata da un materiale: il rame. Dai primi cavi telegrafici fino ai cavi coassiali che trasportavano migliaia di segnali telefonici e televisivi multiplexati, i conduttori in rame hanno svolto la maggior parte del lavoro per quasi tutto il XX secolo. La situazione iniziò a cambiare nel 1988 con la posa del primo cavo telefonico transatlantico in fibra ottica, TAT-8. Con una capacità di 40.000 telefonate simultanee su sole due coppie di fibre di vetro monomodali (con una coppia di riserva), TAT-8 superava di un fattore dieci i cavi coassiali transatlantici più avanzati.

Come i cavi coassiali, i cavi ottici richiedono un potenziamento periodico del segnale, soprattutto sulla lunghezza di circa 7.000 km del TAT-8. I ripetitori erano distanziati ogni 50 km circa lungo il cavo, alloggiati in lunghi alloggiamenti resistenti alla pressione che creavano rigonfiamenti nel cavo sottile, ma erano comunque compatibili con l'attrezzatura di posa dei cavi. Questi ripetitori funzionavano ricevendo i segnali ottici indeboliti con fotodiodi, demodulando il segnale prima di farlo passare attraverso amplificatori a semiconduttore e riconvertendolo in luce utilizzando diodi laser. L'alimentazione per i ripetitori veniva applicata a un conduttore di rame all'interno del gruppo del cavo ottico tramite apparecchiature nella stazione di atterraggio.

TAT-8 fu un successo fantastico, al punto che la domanda superò la capacità entro diciotto mesi dall'entrata in servizio. È stato messo fuori servizio nel 2002, in parte perché negli anni successivi erano stati posati cavi ottici con una capacità molto maggiore, rendendo TAT-8 obsoleto. C'era anche la questione dei ripetitori rigenerativi; la necessità di demodulare e rimodulare i segnali limitava le modifiche che gli operatori potevano apportare alle apparecchiature di testa ai piani. Senza la possibilità di aggiornare l'attrezzatura, il cavo era condannato.

Ma già nel 1985 furono compiuti progressi nel campo degli amplificatori ottici che avrebbero poi trovato spazio nei cavi sottomarini. Fu allora che uno studente laureato in fisica di nome Robert Mears fece esperimenti con fibre di vetro drogate con erbio e dimostrò che potevano agire come amplificatori puramente ottici e a basso rumore nelle lunghezze d'onda tipicamente utilizzate per le comunicazioni. Nel giro di dieci anni dal primo articolo sull'argomento, gli amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA) stavano scivolando nell'Atlantico sul cavo TAT-12/13.

Come molti dispositivi che usiamo ogni giorno e che tendiamo a dare per scontati, gli EDFA sfruttano i principi della fisica quantistica e tuttavia sono sorprendentemente semplici. Gli EDFA si basano sulle proprietà fluorescenti degli ossidi dell'erbio, elemento delle terre rare, per ottenere l'amplificazione. Quando una piccola quantità di ossido di erbio (III) viene aggiunta al nucleo di una fibra di silice, gli elettroni negli ioni erbio possono essere eccitati dal loro stato fondamentale (L1) colpendoli con luce laser a una specifica lunghezza d'onda di pompaggio. Il laser di pompaggio può essere di 980 nm, che eccita gli elettroni di erbio allo stato L3, o di 1.480 nm, che li eccita allo stato L2. Gli EDFA pratici tendono a utilizzare laser di pompaggio sia da 980 che da 1.480 nm.