فیبر نوری - 1

السترام گلاس

جالب است که هنگامی که به شروع کار فیزیکال ریویو می‌نگریم، در جلد1، شماره1، سال 1893، همان اولین مقاله در مورد طیف عبوری برخی مواد در فروسرخ است. کوارتز و شیشه از جمله مواد مورد نظر این مقاله، نوشته ارنست نیکولز، بودند. همین جلد شامل نقدی است بر کتاب نیکولا تسلا، نور و پدیده‌های دیگر پر بسامد. بنابراین، مناسب بود که جشن سالگرد فیزیکال ریویو شامل بحثی باشد در مورد فن‌آوریی که بر اساس اصول بنیادی فیزیکی است که در اولین جلد آن و شماره‌های بیشمار بعدی به آن پرداخته شده و زیر ساختار ارتباطات راه دور جامعه ما را عمیقاً متحول کرده است.
مطالعه تارهای نوری مدیون بینش چارلز کائو است. او 27 سال قبل دریافت که موجبرهایی از جنس موادی با سازه اصلی سیلیکا، راهی عملی برای انتقال نور از طریق بازتابش داخلی کامل فراهم می‌کنند. این موجبرها از یک قسمت مرکزی شیشه‌ای با ضریب شکست زیاد تشکیل شده‌اند که روکشی با ضریب شکست کمتر دور آن را گرفته است. تحقیقات به حدی رسیده است که امروزه دیگر این موجبرها، صرفاً کانال‌های غیر فعال انتقال نور نیستند. پژوهش در مورد تارهای نوری به عنوان ابزارهای فعال، مثل تقویت کننده و لیزر، اکنون به دسته‌ای نوین از ابزارهای نوری انجامیده است. همه دی الکتریک‌ها، چه بلور و چه بی شکل، پنجره نوریی، دارند که در آن در برابر امواج الکترومغناطیس به طور نسبی شفاف‌اند. این پنجره، بین نوارهای جذبی فوتونی (و چند فوتونی) در انرژی‌های کمتر و نوارهای جذبی الکترونی در انرژی‌های بیشتر قرار دارد. در شیشه، قسمت اصلی اتلافی که در این پنجره رخ می‌دهد به خاطر پراکندگی از افت و خیزهای استاتیکی ضریب شکست، و جذب به وسیله ناخالصی‌ها و ناکاملی‌های ساختاری است، در سال 1970، پژوهشگران شرکت شیشه کورنینگ تار نوری سیلیکا را ساختند؛ این تار اتلافی بسیار کم، در حد dB/Km20 (یعنی 1% عبور از یک کیلومتر تار) داشت. ساخت این فیبر جهش بزرگی بود. در آن زمان تصور اینکه فن‌آوری تارهای سیلیکا با چه سرعتی پیشرفت خواهد کرد مشکل بود. در سال 1978، ای تی اند تی، اولین سیستم ارتباطاتی تار نوری را به نمایش گذاشت، و از آن زمان تا به حال میلیون‌ها کیلومتر از این تارها در سراسر دنیا، روی زمین و زیر دریا، کار گذاشته شده است. با استفاده از روش‌های با صرفه‌ای برای پرداختن تارهای نوری، اتلاف تقریباً تا حد نظری کم شده است. این حد نظری dB/Km15ر0 (برای طول موج‌های نزدیک μm55ر1) است، که به خاطر پراکندگی از افت و خیزهای چگالی در قسمت مرکزی تار نوری است. باقیمانده اتلاف را به ناکاملی‌های شبکه شیشه سیلیکا، ژرمانیمآلاینده مرکز تار (به منظور افزایش ضریب شکست)، و ناخالصی‌های 2H و OH نسبت می‌دهند. ما واقعاً خوش شانسیم که ماده‌ای به سادگی و وفور سیلیکا مجموعه خصلت‌های اتلاف کم، قدرت مکانیکی زیاد، و پایداری شیمیایی را در خود دارد. رشته‌های نازک شیشه، که قطر خارجی آن‌ها در حدود 120 میکرون است، به طور شگفت انگیزی انعطاف‌پذیر و قوی‌اند. شیشه صدمه پذیر است و تنش به فرسودگی آن سرعت می‌بخشد اما به کارگیری روکش پلیمری محافظ، پایداری شیمیایی و مکانیکی دراز مدتی فراهم می‌کند. علم پلیمر نقشی اساسی در داستان موفقیت تار نوری بازی کرده است. پیشرفت‌های اولیه ارتباطات تار نوری نیازمند پیشرفت‌های متعددی در زمینه مواد و لیزرهای نیمرسانا بود. من به این مرحله نخستین کار نخواهم پرداخت، اما متذکر می‌شوم که حاصل این نسل اولیه تحقیق و توسعه، شبکه‌ای جهانی از تارهای نوری است که ارتباطاتی کم خرج و با پهنای فرکانسی با صرفه و زیاد را ممکن می‌کند. امروزه، حامل اکثر ارتباطات دور تارنوری است و حاصلضرب پهنای نوار و فاصله، هر سال دو برابر می‌شود. برخی از کارردهای نوین تار نوری در پزشکی جمع آوری اطلاعات از محیط زیست، و صنایع ماشین سازی و هوا فضاست.
برای ارتباطات راه دور، لازم است اتلاف موجود به خاطر ناکامی‌ها و غیره جبران شود. این کار با بازسازی پیغام انجام می‌شود، که معمولاً هر 30 تا 100 کیلومتر صورت می‌گیرد. در حال حاضر بازسازی به این شکل است که پیغام نوری آشکار می‌شود (یعنی به پیغام الکتریکی تبدیل می‌شود)، سپس تقویت می‌شود و شکل تپ آن درست می‌شود، و سرانجام با استفاده از لیزر، پیغام بازسازی شده دوباره به قسمت بعدی تار نوری انتقال داده می‌شود. اینجاست که محدودیت شبکه تار نوری بروز می‌کند: الکترونیکی که برای انجام فرایند بازسازی لازم است. پهنای نوار چنین تکرار کننده‌هایی معمولاً کمتر از 10 گیگابیت (1010 بیت) بر ثانیه است، در حالی که حد نهایی پهنای نواری تار نوری در محدوده چندین ترا بیت (1012 بیت) بر ثانیه است. یک راه افزایش پهنای نوار ارتباطاتی تکرار کننده‌های الکترونیکی آن است که چندین طول موج را با یک تار نوری فرستاد، اما در آن صورت هر طول موج نیازمند مجموعه تکرار کننده‌های خاص خود است. این راه حل گران قیمتی است!

تقویت کننده‌های تاری اربیم آلاییده

ظهور تقویت کننده‌های تاری اربیم آلاییده در سال 1987، وضع را به کلی عوض کرد. در دهه 1960، الیاس اسنیتزر و همکارانش به مطالعه آلاییدن ششه و تار به منظور ساخت تقویت کننده و لیزر پرداختند، اما کار تحقیقاتی سال 1987 دو گروه به رهبری دیوید پین (دانشگاه ساوت هامپتون) و امانوئل دیسروایر ( درآن هنگام در ای تی اند تی) بود که موج اخیر پژوهش و تسعه را به همراه آورد. چند ماهی بیش طول نکشید که اهمیت تقویت کننده اربیم شناخته شد. در ابتدا اعتماد همه جلب نشده بود با این حال پیشرفت در کار تحقیقاتی تقویت کننده‌های اربیم آن‌قدر سریع بود که حتی نظر محققین پروپاقرص تقویت کننده‌های نیمرسانایی را برگرداند (یا حتی آن‌ها را به محققین تقویت کننده‌های اربیم تبدیل کرد). این اختراع، هم اکنون انقلابی در طراحی شبکه‌های ارتباطات راه دور به وجود آورده است و سرآغاز فصل هیجان انگیز جدیدی در پژوهش و توسعه تار نوری است. تار نوری تقویت کننده ابزار بسیار ساده‌ای است. هنگام ساخت تار نوری، قسمت مرکزی آن با یون‌های اربیم (به میزان کمتر از یک درصد) آلاییده می‌شود. دمنده‌ی تقویت کننده، لیزر دیودی نیم رسانای موجود در بازار، در طول موج μm4ر1 یا μm98ر0 است، که با یک مخلوط کننده طول موج به تقویت کننده جفت می‌شود. مخلوط کننده طول موج، ابزاری نوری است که نور با دو طول موج مختلف را به درون یک تار نوری می‌فرستد. علامت نوری نزدیک μm55ر1، هنگام عبور از تار نوری از طریق گسیل تحریک شده یون‌های اربیم برانگیخته شده تقویت می‌شود. با توان دمنده‌ای در حدود mW50، ضریب تقویتی بیش از هزار برابر، به راحتی در دسترس است. تقویت کننده‌های تاری اربیمی، در گستره‌ی طول موجی 53ر1 تا 56ر1 میکرومتر، مستقل از قطبش، عمل می‌کنند. این گستره در ناحیه کمترین اتلاف تارهای نوری است. این تقویت کننده‌ها را می‌توان مستقیماً درون تارهای انتقال دهنده قرار داد. محیط غیر بلوری و طول عمر زیاد ترازهای برانگیخته یون‌های اربیم باعث پهن شدن نوار می‌شود، که به خاطر آن می‌توان چندین کانال طول موجی را همزمان و بدون هم شنوایی تقویت کرد. تقویت کننده اپتیکی محدودیت الکترونیکی را از میان بر می‌دارد و خط انتقالی به وجود می‌آورد که به آهنگ انتقال اطلاعات حساس نیست، پهنای نوار بزرگی دارد، و در پهنای فرکانسی بیش از THz4 بدون اتلاف است!