No fundo do mar: repetidores ópticos para cabos submarinos

Jul 20, 2023

Mais ou menos uma vez por mês, tenho o privilégio de me sentar com o editor-chefe Elliot Williams para gravar o Hackaday Podcast. É muito divertido passar algumas horas juntos, e invariavelmente saímos por tangentes ridículas, sem chance de fazer a versão final, exceto talvez como material para a introdução e o final. É muito trabalhoso, principalmente para Elliot, que tem que editar as gravações brutas, mas também é muito divertido.

Claro, fazemos tudo virtualmente e temos um pequeno ritual que fazemos no início: as palmas. Nós nos revezamos batendo palmas em nossos microfones três vezes, com a pessoa do outro lado da linha batendo palmas sincronizada com as palmas finais. Isso dá a Elliot uma ideia de quanto atraso existe na linha, o que lhe permite sincronizar as duas gravações. Com ele na Alemanha e eu em Idaho, o atraso é bastante perceptível, pelo menos um ou dois segundos.

Cada vez que realizamos este ritual, não posso deixar de pensar em todos os equipamentos que o tornam possível, incluindo os cabos de fibra óptica que passam por baixo do Oceano Atlântico. Os cabos de comunicações submarinos unem o mundo, transportando mais de 99% do tráfego transcontinental da Internet. Eles estão cheios de engenharia fascinante, mas, para mim, os repetidores ópticos em linha que aumentam os sinais ao longo do caminho são as partes mais interessantes, embora - ou talvez especialmente porque - estejam escondidos no fundo do mar.

A maior parte da longa história das comunicações transoceânicas foi dominada por um material: o cobre. Desde os primeiros cabos telegráficos até os cabos coaxiais que transportam milhares de sinais multiplexados de telefone e televisão, os condutores de cobre fizeram a maior parte do trabalho durante quase todo o século XX. Isso começou a mudar em 1988 com a instalação do primeiro cabo telefônico transatlântico de fibra óptica, o TAT-8. Com capacidade para 40.000 chamadas telefônicas simultâneas em apenas dois pares de fibras de vidro monomodo (com um par de reserva), o TAT-8 superou os cabos coaxiais transatlânticos mais avançados por um fator de dez.

Assim como os cabos coaxiais, os cabos ópticos requerem aumento periódico do sinal, especialmente nos cerca de 7.000 km de comprimento do TAT-8. Os repetidores eram espaçados a cada 50 km ou mais ao longo do cabo, alojados em caixas longas e com classificação de pressão que criavam protuberâncias no cabo fino, mas ainda eram compatíveis com o equipamento de instalação do cabo. Esses repetidores funcionavam recebendo os sinais ópticos enfraquecidos com fotodiodos, desmodulando o sinal antes de executá-lo através de amplificadores semicondutores e convertendo-o novamente em luz usando diodos laser. A energia para os repetidores foi aplicada a um condutor de cobre dentro do conjunto de cabos ópticos por equipamento na estação de pouso.

O TAT-8 foi um sucesso fantástico, a tal ponto que a demanda excedeu a capacidade dezoito meses após a entrada em serviço. Foi retirado de serviço em 2002, em parte porque nos anos seguintes foram instalados cabos ópticos com muito mais capacidade, tornando o TAT-8 obsoleto. Havia também a questão dos repetidores regenerativos; uma vez que precisavam demodular e remodular os sinais, isso limitava as alterações que os operadores poderiam fazer nos equipamentos head-end nos patamares. Sem a capacidade de atualizar esse equipamento, o cabo estava condenado.

Mas já em 1985, estavam sendo feitos avanços em amplificadores ópticos que acabariam por chegar aos cabos submarinos. Foi quando um estudante de física chamado Robert Mears fez experimentos com fibras de vidro dopadas com érbio e mostrou que elas poderiam atuar como amplificadores puramente ópticos e de baixo ruído nos comprimentos de onda normalmente usados ​​para comunicações. Dez anos após o primeiro artigo sobre o assunto, amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) estavam deslizando para o Atlântico no cabo TAT-12/13.

Como muitos dispositivos que usamos todos os dias e que tendemos a considerar garantidos, os EDFAs aproveitam os princípios da física quântica e, ainda assim, são surpreendentemente simples. Os EDFAs dependem das propriedades fluorescentes dos óxidos do elemento de terras raras érbio para obter amplificação. Quando uma pequena quantidade de óxido de érbio (III) é adicionada ao núcleo de uma fibra de sílica, os elétrons nos íons de érbio podem ser excitados de seu estado fundamental (L1), atingindo-os com luz laser em um comprimento de onda de bombeamento específico. O laser de bombeamento pode ser de 980 nm, que excita os elétrons do érbio para o estado L3, ou de 1.480 nm, que os excita para o estado L2. EDFAs práticos tendem a usar lasers de bombeamento de 980 e 1.480 nm.