Under The Sea: 海底ケーブル用光中継器

Jul 20, 2023

月に一度ほど、私は編集長エリオット・ウィリアムズと一緒に座ってハッカデイ・ポッドキャストを録音する機会に恵まれています。 数時間を一緒にオタクに費やすのはとても楽しいし、イントロとアウトロのネタ以外には、いつもばかばかしい脱線をしてしまい、最終カットに進むチャンスはありません。 特に生の録音を編集しなければならないエリオットにとっては大変な作業ですが、とても楽しいことでもあります。

もちろん、すべての作業はバーチャルで行われ、最初に拍手という小さな儀式があります。 私たちは順番にマイクに向かって手を 3 回たたきます。電話の相手は最後の手拍子に合わせて自分の手拍子を打ちます。 これにより、エリオットは回線にどの程度の遅延があるかを把握し、2 つの録音を同期できるようになります。 彼はドイツにいて、私はアイダホにいるので、遅れはかなり顕著で、少なくとも 1 ～ 2 秒です。

この儀式を行うたびに、大西洋の下を走る光ファイバーケーブルなど、それを可能にするすべての設備について疑問を抱かずにはいられません。 海底通信ケーブルは世界をつなぎ、大陸横断インターネット トラフィックの 99% 以上を伝送します。 これらは魅力的なエンジニアリングに満ちていますが、私の意見では、途中で信号を増強するインライン光中継器が、たとえ海底に隠されていたとしても、あるいはおそらく特にそうであるにもかかわらず、最も興味深い部分です。

大洋横断通信の長い歴史のほとんどは、銅という 1 つの素材によって支配されてきました。 初期の電信ケーブルから、何千もの多重化された電話やテレビ信号を伝送する同軸ケーブルに至るまで、銅導体は 20 世紀のほとんどすべての仕事の大部分を担っていました。 この状況は 1988 年に初の大西洋横断光ファイバー電話ケーブル TAT-8 の敷設によって変わり始めました。 わずか 2 ペアのシングルモード グラス ファイバー (1 ペアは予備) で 40,000 件の同時通話能力を備えた TAT-8 は、最先端の大西洋横断同軸ケーブルを 10 倍上回りました。

同軸ケーブルと同様に、光ケーブルは、特に TAT-8 の約 7,000 km の長さにわたって信号を定期的にブーストする必要があります。 リピータはケーブルに沿って約 50 km ごとに配置され、長い耐圧ハウジングに収容されていたため、細いケーブルに膨らみが生じていましたが、それでもケーブル敷設装置と互換性がありました。 これらの中継器は、弱まった光信号をフォトダイオードで受信し、信号を半導体増幅器に通す前に復調し、レーザーダイオードを使用して光に変換することで機能しました。 リピータ用の電力は、陸揚げ局の機器によって光ケーブル アセンブリ内の銅導体に印加されました。

TAT-8 は素晴らしい成功を収め、運用開始から 18 か月以内に需要が生産能力を超えるまでになりました。 2002 年に廃止されましたが、その理由の 1 つは、その間にはるかに大容量の光ケーブルが敷設され、TAT-8 が時代遅れになったことです。 再生中継器の問題もありました。 信号を復調および再変調する必要があるため、着陸時にオペレーターがヘッドエンド機器に加えられる変更は限られていました。 その機器をアップグレードできなければ、ケーブルは駄目になる運命にありました。

しかし、1985 年にはすでに光増幅器の進歩が見られ、最終的には海底ケーブルに採用されることになりました。 ロバート・ミアーズという物理学の大学院生が、エルビウムをドープしたガラスファイバーを使った実験を行い、通常通信に使用される波長において純粋な光の低ノイズ増幅器として機能することを示したときのことだ。 このテーマに関する最初の論文から 10 年以内に、エルビウム添加ファイバ増幅器 (EDFA) が TAT-12/13 ケーブルで大西洋に滑り込みました。

私たちが毎日使用し、当然のことと考えがちな多くのデバイスと同様、EDFA は量子物理学の原理を利用しているにもかかわらず、驚くほどシンプルです。 EDFA は、希土類元素エルビウムの酸化物の蛍光特性を利用して増幅を実現します。 少量の酸化エルビウム (III) がシリカ ファイバーのコアに追加されると、エルビウム イオン内の電子は、特定の励起波長のレーザー光を当てることによって基底状態 (L1) から励起されます。 ポンピング レーザーは、エルビウム電子を L3 状態に励起する 980 nm、またはエルビウム電子を L2 状態に励起する 1,480 nm のいずれかにすることができます。 実際の EDFA は、980 nm と 1,480 nm の両方のポンピング レーザーを使用する傾向があります。