פיתוח אמריקני ישראלי מאפשר להגדיל מאוד את נפח התקשורת בסיבים אופטיים
ב-1966 הגה המהנדס הסיני צ’ארלס קאו (Kao) רעיון מהפכני – שימוש בצינוריות זכוכית דקיקות להעברת מידע באמצעות אור. הרעיון הזה – אמר קאו – יאפשר לשלוט באור ואף לכופף אותו (מה שיאפשר כמובן להשתמש בו גם להעברת מידע בקו שאינו ישר), יאפשר להעביר כמו גדולה של אינפורמציה ולשלוח אותה לטווחים ארוכים בלי לסבול מהדעיכה או ירידה בעוצמת האות, כפי שקורה לאות חשמלי בכבל נחושת. עד מהרה קרם הרעיון המבריק אור וגידים (זו לא טעות דפוס, אלא משחק מילים), ובשנות ה-70 כבר יוצרו הסיבים האופטיים הראשונים במעבדות מחקר. בעשורים שלאחר מכן כבר החלו להשתמש בהם ברשתות תקשורת, וכיום סיבים אופטיים הם עמוד השדרה המנתב את רוב-רובה של התקשורת בעולמנו. טלפון, תקשורת מחשבים, תעבורת נתונים, טלוויזיה בכבלים – כל אלה עוברים דרך רשתות סבוכות של סיבים אופטיים, המגיעות (כמעט) לכל קצווי תבל. כל סיב כזה, עוביו כשערה בערך, וכבלי התקשורת הגדולים, כמו למשל כבלים תת ימיים, מכילים מספר גדול של סיבים. קאו, אגב, קיבל לפי ארבע שנים פרס נובל בפיסיקה, בעיקר על ההמצאה הזו.
הצינור מתמלא
“בשנות ה-80, הסיבים האופטיים היו כמו המוביל הארצי – צינור בקוטר ענקי שכל מה שזורם בו הוא זרזיף דקיק של מים”, אומר פרופ’ משה טור, מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת ת”א. “כיום נראה שאנו לא רחוקים מהגעה לכמות המידע המרבית שאנו יכולים להעביר בסיבים האלה. המומחים חלוקים אם זה יקרה בעוד שנתיים, שלוש, או חמש שנים. אבל זה לא רחוק. בטכנולוגיות הקיימות לא נוכל להדביק את הביקוש הגובר”. השימוש בסיבים אופטיים רבים ושיפור בטכנולוגיות להעברת המידע בהם, גם הביאו במרוצת השנים לירידה ניכרת במחירי התקשורת. “אם לא נוכל להעביר עוד מידע בסיבים, פירוש הדבר יהיה שכדי להכפיל את כמות המידע יהיה צורך בהכפלת התשתיות, מה שידרוש כמובן השקעה כספית ויביא לייקור התקשורת”.
לא מתערבבים
פיתוח חדש של טור ושל עמיתיו בארה”ב, עשוי לדחות את הקץ בכמה שנים טובות, בזכות רתימת תכונות ייחודיות של האור להעברת מידע יעילה יותר. כיום אפשר להעביר בכל פוטון (חלקיק אור), כמה מאות גיגה-ביטים לשנייה (כלומר כמה מאות מיליארדי “ביטים” אותות מידע המסומנים לשם הנוחות ב”0″ או “1”). אפשר לשדר במקביל, בסיב יחיד, פוטונים בכ-160 אורכי גל שונים, וכל אחד מהם מעביר כמות כזו של מידע. אם מנסים להעביר יותר מידע, הפוטונים מתחילים להפריע זה לזה, והעברת המידע משתבשת.
הסיבים האופטיים מתחלקים לשתי קבוצות: סיב חד אופן (single mode), שבו האור נע רק בצורה אחת ויחידה לאורך הסיב, ואלה משמשים בעיקר לתקשורת ארוכת טווח. הסוג השני הוא סיב רב-אופן (multi-mode), שבו האור יכול לנוע בכמה דרכים שונות: למשל בקו ישר, בזיג-זג מדופן לדופן, וכן הלאה. סיבים כאלה זולים יותר, אך מוגבלים להעברת מידע לטווחים קצרים. העבודה של פרופ’ טור ועמיתיו, בראשם סידהרת רמצ’נדראן (Ramachandran) מאוניברסיטת בוסטון ואלן ווילנר (Willner) מאוניברסיטת דרום-קליפורניה, מציעה גישה חדשה להעברת מידע רב-אופני. “יש שתי גישות להעברת מידע כזו”, אומר טור. “האחת – שיגור הפוטונים באופנים שונים כך שהם יתערבבו במעברם דרך הסיב, ואח”כ הפרדה ביניהם בשיטות של אלקטרוניקה מתקדמת. האחרת – שימוש באופני תנודה שאינם גורמים לפוטונים להתערבב זה עם זה”.
האור המתעקל
טור ועמיתיו בחרו בשיטה השנייה, ורתמו לשם כך את התנע הזוויתי המעגלי של הפוטונים. חלקיקי אור הנעים באופן כזה, ייראו כמו ספירלה, או כמו בורג, מה שהחוקרים מכנים “אור מתעקל” (twisted light). אופני התנועה של הפוטונים האלה נבדלים זה מזה הן בכיוון הסיבוב (ימינה או שמאלה), הן במידת הצפיפות של הסיבובים (ההברגה). “הצלחנו להעביר בפוטונים כאלה 400 ג’יגה-ביט של מידע בשניה, שזה המון”, אומר טור. “הם אינם מתערבבים ביניהם, ובשימוש בארבעה אופנים בכל אורך גל, הצלחנו לעביר 1.6 טרה-ביט בשניה”. במאמר בכתב העת Science החוקרים מדווחים כי הצליחו להעביר אור בשיטה הזו למרחק של קילומטר אחד – רחוק יותר מהשימוש שנעשה בד”כ בסיבים רב-אופניים.
אין מנוס משינוי
השיטה שפיתחו טור ועמיתיו אינה מעניינת רק את שוק התקשורת הרגיל, והיא עשויה להיות בעלת חשיבות רבה גם לתקשורת ולתעבורת נתונים צבאית. לכן, במימון המחקר משתתפת הסוכנות האמריקנית למחקרי ביטחון, DARPA, הפועלת במסגרת משרד ההגנה האמריקני.
אף על פי שהשיטה החדשה עושה שימוש בסיבים שכבר קיימים בשוק, הפעלתה עדיין דורשת שדרוג של התשתית, והפעלת טכנולוגיות חדשות בנקודות הכניסה של האור לסיב וביציאה ממנו. זו גם הסיבה שהחוקרים לא רשמו פטנט על השיטה – הם חשפו עקרון פיסיקלי קיים, והפטנטים – מעריך טור – יירשמו בעתיד על הטכנולוגיות הנלוות האלה. הפוטנציאל המלא של השיטה יתברר רק במחקרי המשך, כשהחוקרים יגלו כמה אופנים שונים אפשר להעביר במקביל בסיב אחד (כעת כאמור הם הצליחו להשתמש בארבעה אופנים).
שימוש רחב בשיטה הזו יחייב גם את החלפתם של הסיבים ארוכי הטווח בסיבים מסוג שונה מעט. ואולם, טור מעריך כי כבר בשנים הקרובות לא יהיה מנוס מהשינוי הזה. “אם השוק יתתפתח כמו שהוא מתפתח היום, בעוד חמש שנים בערך הטכנולוגיה תמצה את עצמה, ואז יצטרכו לפנות לשיטה שפיתחנו או לשיטה דומה, או שיצטרכו להתחיל להניח עוד ועוד קווים כדי לענות על הביקוש, בהוצאות ניכרות ובהשקעת אנרגיה רבה יותר בכל העברת מידע”.
קישורים נוספים:
תקציר המאמר באתר כתב העת Science
