يتيح التطور الأمريكي الإسرائيلي إمكانية زيادة حجم اتصالات الألياف الضوئية بشكل كبير
في عام 1966، توصل المهندس الصيني تشارلز كاو إلى فكرة ثورية، وهي استخدام أنابيب زجاجية رفيعة لنقل المعلومات عبر الضوء. هذه الفكرة - كما قال كاو - ستجعل من الممكن التحكم في الضوء وحتى ثنيه (مما سيجعل من الممكن بالطبع استخدامه أيضًا لنقل المعلومات في خط غير مستقيم)، وستجعل من الممكن نقل كمية كبيرة من المعلومات وإرسالها لمسافات طويلة دون المعاناة من اضمحلال أو انخفاض قوة الإشارة، كما يحدث للإشارة الكهربائية في الكابل النحاسي. وسرعان ما انطلقت الفكرة الرائعة (هذا ليس خطأ مطبعي، بل تلاعب بالكلمات)، وفي السبعينيات، تم بالفعل إنتاج الألياف الضوئية الأولى في مختبرات الأبحاث. وفي العقود التي تلت ذلك، بدأ بالفعل استخدامها في شبكات الاتصالات، واليوم تعد الألياف الضوئية العمود الفقري الذي يوجه معظم الاتصالات في عالمنا. الهاتف، واتصالات الكمبيوتر، وحركة البيانات، وتلفزيون الكابل - كل هذا يمر عبر شبكات معقدة من الألياف الضوئية، والتي تصل (تقريبًا) إلى جميع أنحاء العالم. ويبلغ سُمك كل ألياف من هذه الألياف سمك الشعرة تقريبًا، وتحتوي كابلات الاتصالات الكبيرة، مثل الكابلات البحرية، على عدد كبير من الألياف. بالمناسبة، حصل كاو على جائزة نوبل في الفيزياء في أربع سنوات، وذلك بشكل أساسي لهذا الاختراع.
الأنبوب يمتلئ
يقول البروفيسور موشيه تور، من كلية الهندسة في جامعة تل أبيب: "في الثمانينيات، كانت الألياف الضوئية مثل الناقل الوطني - أنبوب ذو قطر ضخم يتدفق من خلاله كل ما هو عبارة عن قطرة رقيقة من الماء". "يبدو اليوم أننا لسنا بعيدين عن الوصول إلى الحد الأقصى من المعلومات التي يمكننا نقلها عبر هذه الألياف. وينقسم الخبراء حول ما إذا كان هذا سيحدث خلال عامين أو ثلاثة أو خمسة أعوام. لكنها ليست بعيدة. ومع التكنولوجيات الحالية لن نتمكن من اللحاق بالطلب المتزايد". كما أدى استخدام العديد من الألياف الضوئية وتحسين تقنيات نقل المعلومات عبرها، على مر السنين، إلى انخفاض كبير في أسعار الاتصالات. "إذا لم نتمكن من نقل المزيد من المعلومات عبر الألياف، فهذا يعني أنه من أجل مضاعفة كمية المعلومات، سيكون من الضروري مضاعفة البنية التحتية، الأمر الذي سيتطلب بالطبع استثمارات مالية وسيجعل الاتصالات أكثر تكلفة".
لا تخلط
تطور جديد قام به تور وزملاؤه في الولايات المتحدة الأمريكية، قد يؤجل النهاية لعدة سنوات جيدة، وذلك بفضل تسخير الخصائص الفريدة للضوء لنقل المعلومات بشكل أكثر كفاءة. اليوم، يمكن لكل فوتون (جسيم ضوئي) أن ينقل عدة مئات من الجيجابت في الثانية (أي عدة مئات من مليارات "البتات" من إشارات المعلومات المميزة بـ "0" أو "1" لتسهيل الأمر). من الممكن نقل فوتونات في وقت واحد، في ليف واحد، بحوالي 160 طولًا موجيًا مختلفًا، وينقل كل منها مثل هذا القدر من المعلومات. إذا حاولت نقل المزيد من المعلومات، تبدأ الفوتونات بالتداخل مع بعضها البعض، ويحدث خطأ في نقل المعلومات.
تنقسم الألياف الضوئية إلى مجموعتين: ألياف أحادية الوضع، حيث يتحرك الضوء بطريقة واحدة فقط على طول الألياف، وتستخدم بشكل أساسي للاتصالات طويلة المدى. النوع الثاني هو ألياف متعددة الأوضاع، حيث يمكن للضوء أن يتحرك بعدة طرق مختلفة: على سبيل المثال في خط مستقيم، في شكل متعرج من جانب إلى آخر، وما إلى ذلك. هذه الألياف أرخص، ولكنها تقتصر على نقل المعلومات عبر مسافات قصيرة. يقدم عمل البروفيسور تور وزملاؤه، بقيادة سيدارت راماشاندران (راماشاندران) من جامعة بوسطن وألان ويلنر (ويلنر) من جامعة جنوب كاليفورنيا، نهجًا جديدًا لنقل المعلومات متعدد الوسائط. يقول تور: "هناك طريقتان لنقل مثل هذه المعلومات". "أحدها - إرسال الفوتونات بطرق مختلفة بحيث تختلط أثناء مرورها عبر الألياف، ومن ثم فصلها بالطرق الإلكترونية المتقدمة. والآخر هو استخدام أنماط التذبذب التي لا تتسبب في اختلاط الفوتونات مع بعضها البعض.
ضوء التقويس
اختار تور وزملاؤه الطريقة الثانية، حيث قاموا بتسخير الزخم الزاوي الدائري للفوتونات لهذا الغرض. ستبدو جزيئات الضوء التي تتحرك بهذه الطريقة وكأنها حلزونية، أو مثل المسمار، وهو ما يسميه الباحثون "الضوء الملتوي". تختلف أوضاع حركة هذه الفوتونات عن بعضها البعض في اتجاه الدوران (يمينًا أو يسارًا)، وفي درجة كثافة الدورات (الشد). يقول تور: "لقد تمكنا من استخدام مثل هذه الفوتونات لنقل 400 جيجابت من المعلومات في الثانية، وهو رقم كبير". "إنها لا تختلط مع بعضها البعض، وباستخدام أربعة أوضاع في كل طول موجي، تمكنا من نقل 1.6 تيرابايت في الثانية." وفي مقال نشر في مجلة Science، ذكر الباحثون أنهم تمكنوا من نقل الضوء باستخدام هذه الطريقة لمسافة كيلومتر واحد، وهو أبعد من استخدام الألياف متعددة الدورات.
التغيير أمر لا مفر منه
إن الطريقة التي طورها تور وزملاؤه لا تهم سوق الاتصالات العادية فحسب، بل قد تكون أيضًا ذات أهمية كبيرة للاتصالات وحركة البيانات العسكرية. ولذلك فإن وكالة أبحاث الدفاع الأمريكية DARPA، التي تعمل في إطار وزارة الدفاع الأمريكية، تشارك في تمويل البحث.
وعلى الرغم من أن الطريقة الجديدة تستخدم الألياف الموجودة بالفعل في السوق، إلا أن تفعيلها لا يزال يتطلب ترقية البنية التحتية، وتفعيل تقنيات جديدة عند نقاط دخول الضوء داخل وخارج الألياف. وهذا أيضًا هو السبب وراء عدم قيام الباحثين بتسجيل براءة اختراع لهذه الطريقة - فقد كشفوا عن مبدأ فيزيائي موجود، وسيتم تسجيل براءات الاختراع - تقديرات تور - في المستقبل لهذه التقنيات المصاحبة. لن تصبح الإمكانات الكاملة لهذه الطريقة واضحة إلا في مزيد من الأبحاث، عندما يكتشف الباحثون عدد الأوضاع المختلفة التي يمكن نقلها في وقت واحد في ليف واحد (الآن، كما ذكرنا، تمكنوا من استخدام أربعة أوضاع).
سيتطلب الاستخدام الواسع النطاق لهذه الطريقة أيضًا استبدال الألياف طويلة المدى بألياف من نوع مختلف قليلاً. ومع ذلك، يقدر تور أنه في السنوات المقبلة لن يكون هناك مفر من هذا التغيير. "إذا تطور السوق بالطريقة التي يتطور بها اليوم، ففي غضون خمس سنوات تقريبًا سوف تستنفد التكنولوجيا نفسها، وبعد ذلك سيتعين عليهم اللجوء إلى الطريقة التي طورناها أو طريقة مماثلة، أو سيتعين عليهم البدء في وضع المزيد والمزيد من الخطوط لتلبية الطلب، بتكلفة كبيرة واستثمار المزيد من الطاقة في كل عملية نقل للمعلومات."
روابط إضافية:
ملخص المقال على الموقع الإلكتروني لمجلة العلوم
