Puhetta ja kuvia lasia pitkin

VALO – viisauden ja tiedon ikivanha, arvoituksellinen symboli – ei nykyään ole enää pelkkä symboli. Viime vuosina se on nopeasti ja vähin äänin omaksunut sille sopivan roolin ja alkanut kirjaimellisesti kuljettaa kaikenlaista tietoa. Jotta voitaisiin käyttää täysin määrin hyväksi mahdollisuuksia, joita valo tarjoaa tiedon siirtämiseen pitkien matkojen päähän, tarvitaan 1) tietyntyyppistä valoa ja 2) erikoisvalmisteisia valonjohtimia.

Viime aikoina tutkimus- ja kehittelytyö ovat tuottaneet mielenkiintoisia tuloksia, ja niinpä valonsäteitten avulla voidaan nykyään lähettää uskomattomat määrät kaikenlaista tietoa suunnattoman nopeasti pitkienkin matkojen päähän. Nykyään on siis mahdollista puhua, nähdä ja kuulla ainutlaatuisen nopeasti ja tehokkaasti pienten valonsäteitten avulla, jotka kiitävät pitkin hiuksenohuita lasisäikeitä. Harsomaisten hämähäkinverkkojen tavoin nämä lasisäikeet suojakerroksin ympäröityinä (kaapeleina) yhdistävät jo suurkaupunkeja toisiinsa Yhdysvalloissa, Euroopassa ja Japanissa. Parhaillaan niitä vedetään valtamerten yli maanosasta toiseen.

Miten tämä on mahdollista, kun kerran kaikki tietävät, että valo pyrkii etenemään suoraan? Miten on mahdollista, että pienet valonsäteet pysyvät lasisäikeitten sisällä säikeitten taipuessa kulmien ympäri? Miten nämä säteet pääsevät näinkin pitkien matkojen päähän ja voivat kuljettaa valtavasti tietoa? Sen on mahdollistanut valo, joka ei ole aivan tavallista valoa: koherentti eli yksivärinen valo.

Tehokas koherentti valo

Koherentilla valolla on tiedonsiirrossa tavalliseen valoon nähden etu, jota voidaan valaista vertaamalla tiellä käveleviä miehiä valohiukkasiin, jotka etenevät lasisäikeessä. Kuvitellaanpa, että tavallinen valonsäde muodostuu joukosta kaikenkokoisia miehiä, jotka kaikki kävelevät epätahdissa ja tönien toisiaan. Toisaalta koherenttia valonsädettä voitaisiin verrata sotilaisiin, jotka kaikki ovat samankokoisia ja kaikki kävelevät tahdissa suorina rivistöinä. Tahdissa kävely toisiaan tönimättä epäilemättä vie miehet pidemmälle tehokkaammin ja pienemmällä energianhukalla. Samoin on koherentin valon laita.

Miksi valoa on alettu käyttää hyväksi vasta nyt tällä tavalla? Miksei kukaan ole ajatellut sitä aikaisemmin? Idea ei itse asiassa ole aivan uusi. Ainakin yksi ihminen, Alexander Graham Bell, ymmärsi aikoinaan, millaisia etuja puheen siirtäminen valon avulla tarjoaisi, ja hän julkaisi vuonna 1880 aihetta käsitelleen tutkielman (”Selenium and the Photophones”).

Bellin idea oli paljon edellä aikaansa, mutta ilman koherenttia valoa hänen keksintönsä käyttö olisi jäänyt vähäiseksi. Vasta laserin kehittäminen 1960-luvulla tarjosi ensimmäisen edellytyksen. Belliltä puuttui myös toinen tärkeä edellytys, tiedonsiirtoon tarvittava tehokas valonjohdin.

Lasista tehdyt valonjohtimet – tekniikan taidonnäyte

Samalla kun laserien kehittely jatkui omalla tahollaan, keksittiin ja kehiteltiin myös erittäin kirkkaita ja koostumukseltaan uudenlaisia lasimateriaaleja, joissa laserin koherentti valo pääsi etenemään hyvinkin pitkiä matkoja. Näistä materiaaleista valmistettiin sen jälkeen vetämällä hiuksenohuita säikeitä.

Monet saattavat muistaa nähneensä kiehtovan näköisiä koriste-esineitä, joissa on valaistuja lasikuituja. Niitä valmistettaessa lasisäikeistä tai joskus muovisäikeistä kootut kimput taivutellaan viuhkamaisiksi kukka-asetelmiksi, ja niihin tulee valo säikeitten alapäistä. Tällaisissa esineissä kuituja valaistaan yleensä tavallisella valolla. Tämä osoittaa ainakin sen, miten valo voidaan saada kulkemaan lasisäikeissä ja kääntymään mutkissakin, sen sijaan että se vain etenisi suoraviivaisesti, kuten se normaalisti tekee. (kuva 1) Tällaisissa esineissä valon kulkema matka jää kuitenkin hyvin lyhyeksi.

Jotta valo saataisiin kulkemaan paljon pitempiä matkoja kuin on tarpeen koriste-esineissä, on kehitetty lasisia ja muovisia päällysteitä. Tällaiset päällysteet kääntävät karkuteille aikovat valonsäteet takaisin lasiin päin ja estävät näin valon himmenemisen. Päällysteitä on monenlaisia, ja niiden koostumus ja rakenne vaihtelee. Silti kukin niistä omalla tavallaan ja omien erityisominaisuuksiensa avulla pidentää valon kulkemaa matkaa. (kuva 2)

Vaikka uudentyyppisiä lasisäikeitä eli -kuituja pitkin onkin paljon helpompi siirtää ja johtaa valoa, on edelleen välttämätöntä lähettää valo kuituihin niin pienessä tulokulmassa, että tapahtuu niin sanottu kokonaisheijastus. Ymmärrämme paremmin, mitä kokonaisheijastuksella tarkoitetaan, kun muistamme, että tyyni järven pinta voi olla kuin peili. Rannalla kasvavat puut näkyvät joskus vedenkalvossa peilikuvana. Tällainen peili-ilmiö selittyy sillä, että silmiimme tuleva valo tulee hyvin loivassa kulmassa. Tällaisessa kulmassa tapahtuu kokonaisheijastus, jolloin valo heijastuu järven pinnasta kuin peilistä. Suurinta valon tulokulmaa, jolla vielä tapahtuu kokonaisheijastus, sanotaan kokonaisheijastuksen rajakulmaksi. Kun vastaavasti valo menee sisään lasikuituun kulmassa, joka saa olla korkeintaan rajakulman suuruinen, se kuidun reunaan osuessaan heijastuu aina kuin peilistä lähes sataprosenttisesti takaisin kuituun.

Uusilla ohuilla kuiduilla toivotaan päästävän siihen, että säteet etenisivät niitä pitkin jopa 40 kilometriä tarvitsematta välillä vahvistaa valoa. Tulevaisuudennäkymät ovat vielä innostavampia. Erään uutisen mukaan viime aikoina on kehitelty kuituja, joissa valo himmenee äärimmäisen vähän ja joilla ”voidaan siirtää tietoa tuhansien kilometrien päähän ilman välitoistimia”.

Valonjohtimet on pakko suojata jotenkin, ja niinpä niistä valmistetaankin pieniä valokaapeleita ympäröimällä valonjohtimet erilaisilla suojakerroksilla- ja kääreillä. Valokaapeleihin sijoitetaan usein myös vahvoja kuituja ja teräslankoja, jotka ottavat vastaan pituussuuntaisen rasituksen, sekä sähköjohtimia. (kuva 3) Kaapeloitujen lasikuitujen tiedonsiirtokyky on niin suuri, että tavallisissa kuparijohtimissa kulkevan sähkövirran tiedonsiirtokyky jää sen rinnalla toiseksi. Näin käy etenkin pitkillä etäisyyksillä. Miten koherentti valo sitten kuljettaa tekstiä, kuvia ja puheääntä pitkin ohuita lasikuituja?

Mihin ohuitten kuitujen tiedonsiirtokyky perustuu

Vaikka koherentit valonsäteet ja nerokkaat lasikuidut tekevätkin vaikutuksen, niin yhtä suuren vaikutuksen tekee sen tietäminen, miten nämä säteet tosiaankin pystyvät kuljettamaan valtavia tietomääriä. Ensimmäinen selitys on siinä, että valo kulkee valtavaa vauhtia, noin 300000 kilometriä sekunnissa. Toiseksi valoaaltojen värähdystaajuus on äärettömän suuri, miljardeja värähdyksiä sekunnissa. Suurten värähdystaajuuksien ansiosta ja muokkaamalla valopulsseja ohuissa kuiduissa kiitäviin valosäteisiin voidaan mahduttaa valtavat määrät tietoa. Yhden esimerkin tarjoaa puheen siirtäminen valon avulla.

Puheen siirtäminen valon avulla

Puheen, samoin kuin kuvienkin, siirtämiseen valon avulla tarvitaan monimutkaisia teknisiä laitteita. Tarkastelemalla muutamia puheensiirron vaiheita saamme kuitenkin jonkinlaisen käsityksen siitä, mitä puhetta siirrettäessä todella tapahtuu.

Vaikka puheen siirtämiseen käytetään nyt valoa, niin koko prosessi alkaa samalla tavoin kuin ennenkin – siten että puhutaan puhelimeen. Puheemme synnyttämät ääniaallot muutetaan puhelimessa edelleenkin vastaaviksi sähköisiksi signaaleiksi. Seuraavaksi näistä signaaleista otetaan valtavan suurella nopeudella näytteitä. Näytteiden otto tuo mieleen elokuvakameran, jolla yhtenäisestä liikkeestä otetaan sarja liikkumattomia kuvia. Kun nämä kuvat sen jälkeen heijastetaan peräkkäin nopeassa tahdissa valkoiselle pinnalle, ne antavat katselijalle vaikutelman liikkeestä. Vastaavasti sähköisistä signaaleista otetut näytteet muunnetaan monien vaiheitten kautta lopulta valopulsseiksi. Sen jälkeen valopulssit vilahtavat lasikuitua pitkin vastaanottopäähän. Vastaanottajan puhelimen kuulokkeessa ne muunnetaan takaisin ääniaalloiksi. Millaisia etuja valokaapelit tarjoavat jo nyt? Entä mahdollisesti tulevaisuudessa?

Nyt jo saatavia etuja

Olemme vasta päässeet jonkinlaiseen käsitykseen siitä, millainen on nykyinen maailmanlaajuinen tietoliikenneverkko, kun rinnalle on jo ilmaantumassa kokonaan uusi järjestelmä. Paitsi että kuituoptiikka lupaa korvata monijohtimiset puhelinkaapelit, mikroaaltoverkot ja jopa osan satelliittiasemista, sillä on tarjottavanaan myös monia lisäetuja.

◼ Tunnottomuus häiriöille. Tärkeimpiä optisen tiedonsiirron etuja puhelimenkäyttäjän kannalta on se, että tällöin poistuvat käytännöllisesti katsoen kaikki ne erilaiset häiriöt, joihin olemme tottuneet. Ukonilmat, voimalinjat ja generaattorit ovat kaikki ärsyttäneet meitä aiheuttamillaan häiriöäänillä ja kohinalla. Aina eivät edes hyvin suojatut kuparijohtimet pysty estämään tällaisten häiriöitten läpi tuloa.

Jos olet käynyt puhelinkeskustelua satelliittiyhteyden avulla, olet ehkä havainnut tiedonkulun toimivan sekunnin murto-osan viiveellä ja tuntenut ilmakehän vaikutuksia. Aikaisemmin saattoi kuulla jopa kaikuja. Kuituoptiikka kuitenkin yleensä poistaa havaittavat viiveet ja tuo tiedon perille vastaanottajalle selvänä ja häiriöttömänä.

◼ Kuidussa etenevä tieto hyvin suojattua. Täydellinen tietosuoja on tärkeimpiä kuituoptiikan etuja. Kuitujen välille ei pääse syntymään ylikuulumista, ja salakuuntelu on miltei mahdotonta. Vielä ei ole keksitty keinoa säteilyn saamiseksi ulos kuidusta salakuuntelutarkoituksessa niin ettei signaali vaimenisi huomattavasti, mikä kyllä huomattaisiin.

◼ Valtava tiedonsiirtokyky. Pari esimerkkiä, jotka havainnollistavat valon mahtavaa tiedonsiirtokykyä: Yhdellä johdinparilla voidaan siirtää tuhansia päällekkäisiä puheluja. On myös arvioitu, että koko Websterin suursanakirjan tietosisältö, joka käsittää peräti 450000 hakusanaa selityksineen, voitaisiin lähettää yhtä lasikuitua pitkin kuudessa sekunnissa tuhansien kilometrien päähän.

◼ Vievät vähän tilaa, kestävät ympäristön aiheuttamia rasituksia. Optista tiedonsiirtoa käytetään jo monin paikoin. Lasikuitujen valtavasta tiedonsiirtokyvystä on hyötyä suurkaupunkialueilla, sillä laitteita tarvitaan nyt paljon vähemmän. Kokonaiset huoneelliset vanhanaikaisiksi käyneitä kytkinlaitteistoja voidaan korvata kuituoptisin laittein, jotka vievät vain vähän tilaa. Samoin voidaan syrjäseutujen puhelinliikenne saada nyt kohinattomaksi. Esimerkiksi Floridan niemimaan eteläpuolisilla Keysaarilla joutuvat mereen lasketut puhelinkaapelit suolaisessa vedessä kovalle rasitukselle, mikä aiheuttaa oikosulkuja ja johdinmateriaaleissa kemiallista heikkenemistä. Lasikuitukaapeleita käytettäessä tällaiset haitat jäävät kuitenkin hyvin vähäisiksi.

Katse tulevaisuuteen

Optisen tiedonsiirron tulevaisuus näyttää mitä lupaavimmalta. Siihen siirtyminen on jo nyt nopeampaa kuin mitä jotkut olivat ennustaneet. Kerrotaan, että vaikeimpia tehtäviä on sellaisen järjestelmän valinta, joka ei olisi jo sitä asennettaessa käynyt vanhanaikaiseksi.

◼ Ääni, kuvat ja tietokoneet yhdestä päätelaitteesta. Aikakauslehti High Technology kirjoitti vuoden 1986 helmikuun numerossaan otsikon ”Alan näkymiä” alla, että ”kuituoptiikasta on nopeasti tullut halutuin puheen-, tekstin- ja kuviensiirtoväline Yhdysvalloissa – etenkin pitkillä etäisyyksillä”. Sen jälkeen artikkelissa todetaan: ”Nyt aletaan kehittää kuituverkkoa, joka tulee ulottumaan kotiin asti. Yhden päätelaitteen avulla voidaan käsitellä puhetta, kuvia, ja – – saada yhteys tietopankkiin.” Tämä avaa ainakin joillekuille sen mahdollisuuden, että he voivat uuden tekniikan avulla hoitaa kauppaostoksensa, pankkiasiansa ja ostaa lentolippunsa ja käyttää hyväkseen kirjastoja tiedonhankinnassa kotonaan. Heidän pitäisi jopa voida nähdä ystävänsä, joiden kanssa he puhuvat puhelimessa – mikä kaikki on lasikuituja pitkin tulevan valon ansiota.

[Kuvat s. 20]

Lasista tai muovista valettu kuori vähentää kuidusta karkaavan valon määrää

Lujat kuidut ja teräslangat ottavat vastaan pituussuuntaisen rasituksen

Valo ei pääse karkaamaan lasikuidusta seinämän läpi, vaan se reunasta toiseen heijastuen etenee pitkin kuitua

[Kuva s. 22]

Kuvassa näkyvä pieni valokaapeli siirtää vähintään saman verran puheluita kuin vieressä oleva paksu tavallinen puhelinkaapeli