ファイバーオプティックの力：つながる世界を実現する

概要

本記事では、インターネットを可能にする隠れたネットワークであるファイバーオプティックの歴史と科学について探求します。従来の金属線に比べてファイバーオプティックの優位性について詳しく説明し、ほとんど劣化することなく長距離通信を可能にしていることを説明します。また、クラウドコンピューティングと帯域幅の需要の課題についても議論し、統合フォトニクスがデバイスの縮小や無駄な電気ケーブルを省エネファイバーに交換することで問題を解決していることについても触れます。

ファイバーオプティックの台頭

長距離通信は、数十年にわたって銅製の電線を通じて行われてきました。しかし、これは遅く非効率であり、金属線によるデータレートの制限や、電力の無駄な熱損失が問題でした。20世紀後半には、エンジニアたちははるかに優れた伝送方法であるファイバーオプティックを習得しました。

ガラス中での光の伝播

ガラスは、慎重に溶かして人間の髪の毛よりも細い数百キロメートルの柔軟なファイバー状に引き伸ばすことができます。これらの繊維は、デジタルデータを表す光のパルスを運びます。トリックは、光が浅い角度で表面に当たったときに、ガラス内を跳ね返す現象である全反射にあります。

ファイバーオプティックの優位性

電気や無線と比較して、ファイバーオプティック信号はほとんど劣化せず、長距離でも伝送できます。1本の光ファイバーには、多くの波長の光が含まれ、それぞれが異なるデータチャネルです。ファイバーオプティックケーブルには、これらのファイバー繊維が数百本含まれており、海底には100万キロメートル以上のケーブルが交差して大陸をつないでいます。ファイバーオプティックにより、距離はほとんどデータを制限せず、インターネットは地球規模のコンピューティングに進化しました。

クラウドコンピューティングと帯域幅の需要の課題

私たちのモバイルワークやプレイは、世界中に散在する巨大なデータセンターに収容された過労気味のコンピューターサーバーの膨大な数に頼っています。これがクラウドコンピューティングと呼ばれ、2つの大きな問題を引き起こします。1つは熱の無駄で、数千台のサーバーが従来の電気ケーブルで接続されている場合、動作電力の半分が熱として無駄になります。もう1つは、無線帯域幅の需要が着実に進行しており、モバイルデバイスで使用されるギガヘルツ信号はデータ配信の限界に達しています。

統合フォトニクスが救う

関連技術である統合フォトニクスが救いに来ました。光は光ファイバーだけでなく、超薄型のシリコンワイヤーでも誘導できます。シリコンワイヤーはファイバーほど光を誘導することはできませんが、100キロメートルのファイバーオプティックネットワーク内のすべてのデバイスを小型フォトニックチップに縮小して、サーバーにプラグインして電気信号を光学信号に変換し、逆に戻すことができます。これらの電気-光変換チップにより、データセンターの無駄な電気ケーブルを省エネファイバーに交換することができます。

超高速無線接続の未来

研究者たちは、データを数千倍高速に伝送するために、モバイルギガヘルツ信号をテラヘルツ周波数に置き換えることを目指しています。しかし、これらは空気中の水分に吸収されたり、高層ビルに遮られたりする短距離信号です。都市中に分散した小型のワイヤレス-ファイバーフォトニック送信機チップにより、テラヘルツ信号を安定した中継者である光ファイバーを介して長距離で中継することができます。これにより、超高速無線接続が現実のものになります。