Kāpēc optika nevis vara kabelis?

Doties uz #digiTuvi Jaunumi

LVRTC kā viens no uzticamākajiem IKT uzņēmumiem, izmantojot optisko šķiedru sakaru tīklu infrastruktūru, klientiem nodrošina arī elektronisko sakaru pakalpojumus, ļaujot ikvienam saņemt augstas kvalitātes, ātru un drošu datu pārraidi. Lai sniegtu pakalpojumus atbilstoši augstākajiem kvalitātes standartiem, liela nozīme ir atbilstošu tehnoloģisko materiālu un iekārtu izvēlei un izmantošanai. Kas smalko optisko šķiedru padara tik īpašu savu priekšgājēju vidū? Atbildi uz šo jautājumu meklējām Rīgas Tehniskajā universitātē!

RTU Telekomunikāciju institūts
Prof. Sandis Spolītis

RTU Telekomunikāciju institūts
Prof. Jurģis Poriņš

RTU Telekomunikāciju institūts
Laura Skladova

Optisko šķiedru izmantošana ir viens no drošākajiem datu pārraides veidiem mūsdienās –  tās ir izturīgas pret elektromagnētiskajiem traucējumiem un citiem vides faktoriem, kas var ietekmēt datu pārraidi. Optiskās šķiedras plaši izmanto telekomunikāciju nozarē – tās nodrošina daudz lielākus datu pārraides ātrumus un attālumus, salīdzinot ar, piemēram, vara kabeļu sistēmām. Datu pārraide ar ātrumu pat vairāki terabiti sekundē (Tbit/s) optiskajā šķiedrā tiek realizēta izmantojot gaismu –  ļoti īsu optisko impulsu veidā.

Datu lielceļš cilvēka mata diametrā!

Šobrīd telekomunikāciju nozarē datu pārraidei visplašāk pielietotā ir silīcija dioksīda (stikla) optiskā šķiedra, kuras ārējais diametrs ir līdzvērtīgs cilvēka mata biezumam. Konstruktīvi, telekomunikācijās pielietotās optiskās šķiedras sastāv no diviem būtiskiem cilindriskiem elementiem – optiski blīva serdeņa un mazāk blīva apvalka, kas ieskauj serdeni. Optiskais signāls, kurš satur pārraidāmo informāciju, šķiedras serdenī izplatās pateicoties gaismas pilnās iekšējās atstarošanās parādībai. Tā nosaka, ka gaismai krītot uz robežvirsmu starp divām caurspīdīgām vidēm, tā var atstaroties vidē, no kuras krīt, proti, gaisma no robežvirsmas ar apvalku atstarojas atpakaļ serdenī.

Mūsdienās tiek ražotas dažādu veidu optiskās šķiedras, nodrošinot optiskā signāla pārraidi pie dažādiem gaismas viļņa garumiem. Visas optiskās šķiedras pēc to tipa tiek iedalītas divās galvenajās grupās: daudzmodu optiskās šķiedras – MMF (angļu val. multi-mode fiber) un vienmodas optiskās šķiedras – SMF (angļu val. single mode fiber).

Optiskās šķiedras metinātājs

Pateicoties saviem optiskajiem raksturlielumiem un ģeometriskajiem izmēriem, SMF optiskās šķiedras pārsvarā izmanto lielu datu pārraides ātrumu un attālumu sakaru sistēmās, kur datu pārraides ātrums ir mērāms vairākos desmitos gigabitu sekundē (Gbit/s), bet pārraides attālums desmitos un simtos kilometru. Tās lieto globālu sakaru tīklu infrastruktūras izveidē – starp pilsētām, reģioniem un datu centriem.

LVRTC savā optisko sakaru tīklu infrastruktūrā pārsvarā izmanto SMF šķiedras, kas atbilst starptautiskās telekomunikāciju apvienības (ITU) G.652, G.655 un G.657 standartiem, nodrošinot datu pārraides savienojumus starp Baltijas valstīm, Zviedriju, u.c. kaimiņvalstīm.

MMF optiskās šķiedras pielieto īsākos datu pārraides attālumos (līdz 2 km), piemēram, savienojot sakaru iekārtas. LVRTC datu centros visos augsta datu pārraides ātruma savienojumos, kuri tiek realizēti caur kabeļu krosu, tiek izmantota SMF optiskā šķiedra, bet zemāka pārraides ātruma iekārtu starpsavienojumos tiek izmantota MMF optiskā šķiedra. Tipiski izmantotie MMF optisko šķiedru standarti ir OM3 un OM4.

Nākotnes risinājumi jau šodien

Tehnoloģijām nemitīgi attīstoties un pilnveidojoties, jau ir radītas kvantu sakaru sistēmas. 2021. gada septembrī LVRTC un LUMII veica veiksmīgu kvantu datu pārraides testu optiskajā šķiedrā vairāk nekā 33 km attālumā. Šī tehnoloģija, balstoties uz kvantu fizikas likumiem, garantē datu noklausīšanās neiespējamību. Balstoties uz iegūto pieredzi, šogad kopā ar partneriem LVRTC uzsāka projekta “Nacionāla līmeņa kvantu komunikācijas infrastruktūras sistēmu un tīklu izveide” īstenošanu, lai nākotnē ieviestu inovatīvus tehnoloģiskos risinājumus.

Papildus tam, Latvijā šogad ir uzsākts Latvijas Kvantu iniciatīvas projekts, kas apvieno Latvijas vadošos kvantu tehnoloģiju jomas zinātniekus un mācībspēkus, lai atbalstītu zināšanas, prasmes, tehnoloģijas un idejas, kas saistītas ar kvantu fizikas teorijas praktiskiem pielietojumiem.

Kvantu pārraides sistēmas sastāvdaļas

Kvantu sakaru pārraides sistēma, līdzīgi kā jebkura pārraides sistēma jeb klasiskā sakaru sistēma, sastāv no raidītāja, pārraides kanāla un uztvērēja. Kvantu sakaru sistēmas galvenā atšķirība ir tā, ka raidītājs un uztvērējs ietver kvantu šifrēšanas iekārtas (QKD), kas teorētiski ir pilnīgi drošs komunikācijas kanāls starp diviem lietotājiem – A un B.

Drošu sakaru kanālu iekārtu pāris sazinās tikai savā starpā, un tās ir nesavietojamas ar citām iekārtām no cita pāra. Saziņa tiek balstīta uz autentifikāciju ar vienreiz lietojamām šifrēšanas atslēgām. Pārraides kanāls var būt gan optiskās šķiedras, gan arī bezvadu, bet atšķirībā no klasiskās sakaru sistēmas, kvantu sakaru sistēmā informācija, kuru pārraida raidītājs A, tiek pārraidīta caur kvantu stāvokļiem ar lāzera palīdzību optiskajos viļņa garumos, pielietojot fāzes manipulācijas modulāciju.

Starp lietotājiem A un B tiek izveidots kvantu sakaru savienojums, kur abi lietotāji saņem identiskas gadījuma skaitļu virknes ar ātrumu, kas atkarīgs no lāzera, optiskās šķiedru pārraides līnijas parametriem un fotouztvērēja. Kvantu sakaru sistēmas uztvērējs saņem pārraidīto informāciju un to pārveido atpakaļ par klasisku informāciju, kuru tālāk apstrādā lietotājs B. Kvantu pārraides sistēmas tuvākajā nākotnē primāri varētu izmantot ierobežotas informācijas tehnoloģiju jomā –  militārajās, finanšu, medicīnas un citas jomās, kur ir kritiski nepieciešama konfidencialitāte un drošība, kas ļauj nodrošināt drošu un aizsargātu informācijas pārraidi.

Nākamajā LVRTC jaunumu izsūtnē stāstīsim par Latvijā uzsākto projektu “Nacionāla līmeņa kvantu komunikācijas infrastruktūras sistēmu un tīklu izveide”.