Одной из технологических революций XIX века стало изобретение способов передачи информации на большие расстояния, как по проводам, так и без них, с помощью радиоволн. Поначалу казалось, что эти два варианта должны полностью удовлетворять все информационные и коммуникационные запросы человека. Однако для современного мира пропускная способность этих каналов — будь то мегабиты в секунду или количество одновременных телефонных разговоров — очень и очень недостаточна. И что самое важное, у этой пропускной способности есть принципиальное ограничение, которое нельзя обойти никакими технологическими усовершенствованиями, связанное с медленностью процессов, протекающих в самом канале передачи.
Рассмотрим для примера передачу информации по радиоволнам с несущей частотой 100 МГц. Информация при этом кодируется в виде небольшой модуляции несущей волны, однако эти модуляции должны быть намного более медленными, чем колебание самой волны, — иначе волна слишком сильно исказится, займет слишком большую полосу частот. Это значит, что в такой волне можно закодировать последовательность битов, идущих друг за другом с частотой от силы в несколько мегабит в секунду. Поэтому если мы хотим увеличить скорость передачи информации, нам неизбежно придется увеличивать и несущую частоту электромагнитных волн. Именно поэтому физики обратили свой взор к световым импульсам. При частоте порядка 1015 Гц световые импульсы позволяют, по крайней мере теоретически, передавать сотню терабит в секунду (на самом деле, тут вопрос уже упирается в скорость передатчика и приемника сигналов).
Интересно, что первая попытка передавать телефонный разговор с помощью света была реализована Александром Грэмом Беллом еще в 1880 году, на заре телекоммуникационных технологий. Его устройство — фотофон — с помощью дрожащего зеркала конвертировало звуковую волну в модулированный солнечный луч, который передавался получателю прямо по открытому воздуху. Эта схема была, очевидно, подвержена световым шумам, сильно зависела от состояния атмосферы и в любом случае позволяла передавать сигналы лишь на небольшое расстояние в пределах прямой видимости. Для более эффективной работы устройства требовалось свет провести по каналу, защищенному от внешних световых помех.
На помощь тут могло бы прийти оптоволокно — помещенная в защитную оболочку тонкая, а потому довольно гибкая стеклянная нить. Такой канал проводит свет за счет явления полного внутреннего отражения. Так называется эффект, при котором свет, идущий вдоль волокна и подходящий к границе раздела «стекло—воздух», не может выйти наружу, отражается обратно в стекло, и в результате идет вдоль волокна, послушно следуя всем его изгибам.
В начале XX века делались попытки взять этот эффект на вооружение для передачи световых сигналов на большие расстояния, однако тут выяснилась неожиданная вещь — стекло оказалось не таким уж и прозрачным материалом. Вы можете в этом убедиться самостоятельно. Возьмите лист оконного стекла и посмотрите сквозь торец вдоль стекла. Вы увидите вовсе не изображение с противоположного торца, а просто толщу стекла характерного зеленоватого цвета. Свет «пробивается» в толще обычного стекла лишь на метр-другой.
Отступление о единицах измерения. Если волокно однородно, то затухание сигнала (то есть затухание яркости светового импульса) идет с расстоянием экспоненциально. Другими словами, то, на сколько порядков ослабевает сигнал, пропорционально длине пройденного пути. Если сигнал уменьшился в 10 раз в 10-метровом оптоволокне, то он уменьшится в 100 раз в 20-метровом волокне, в 1000 раз в 30-метровом и т. д. В технике порядки часто выражаются в децибелах: 10 дБ — это изменение на один порядок, 20 дБ — изменение на два порядка и т. д. Поэтому конкретная линия передачи характеризуется своим коэффициентом затухания, который выражают в дБ/м (или дБ/км). Скажем, описанная выше ситуация (падение в 10 раз на каждые 10 метров пути) отвечает коэффициенту затухания 1000 дБ/км.
Даже в самых чистых стеклах, которые изготавливались в первой половине XX века, свет затухал на расстоянии в десяток метров, то есть коэффициент затухания составлял порядка 1000 дБ/км. Оптоволокна всё же начали применяться в некоторых задачах, не требующих больших расстояний (например, в медицине при гастроскопии). Но использовать такие оптоволокна для эффективной линии передачи данных на большие расстояния было всё еще нереально. Оценки показывали, что для того, чтобы оптоволокна стали эффективным коммуникационным носителем, требуется уменьшить коэффициент затухания хотя бы в сотню раз — скажем, до уровня 20 дБ/км. Но как этого добиться и можно ли этого добиться вообще, в середине XX века было совершенно неясно. Ну и, кроме затухания, оставались также и другие проблемы, например дисперсия света в стекле, из-за которой профиль светового импульса искажался до неузнаваемости.
В результате в 1950-е годы общее отношение специалистов ко всей этой затее было очень скептическим, и намного больше оптимизма вызывали иные способы телекоммуникаций. Так, в 1956 году был проложен первый телефонный трансатлантический кабель, а спустя пару лет началось бурное развитие спутниковых технологий (первый коммуникационный спутник был запущен уже в 1958 году).