علماء يُحدثون طفرة في مجال الألياف الضوئية تعزز الاتصالات بعيدة المدى

طوّر باحثون بريطانيون في مجال علم الفوتونات نوعًا جديدًا من الألياف البصرية ذات النواة المجوّفة، يمكنه نقل الإشارات الضوئية لمسافة أبعد بنسبة 45% مقارنة بالألياف البصرية التقليدية المستخدمة في الاتصالات قبل الحاجة إلى تعزيز الإشارة.

وصف العلماء من مايكروسوفت أزور فايبر (Microsoft Azure Fiber) وجامعة ساوثهامبتون هذا الإنجاز بأنه "إنجاز مهم يمهّد الطريق لثورة محتملة في مجال الاتصالات الضوئية". ومع مزيد من التطوير، قد يتيح هذا النوع من الألياف إنشاء شبكات ضوئية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مع قدرات غير مسبوقة في نقل البيانات.

صرح الباحثون: « لقد قدّمنا ما نعتقد أنه واحد من أبرز التحسينات في تقنية توجيه الموجات الضوئية في الأربعين عامًا الماضية».

أتاح تطوير الألياف البصرية منخفضة الفقد في السبعينيات ظهور عصر جديد من الاتصالات الرقمية، وأسهم في إنشاء الشبكات العالمية وبزوغ الإنترنت.

ومنذ ذلك الحين، يسعى هذا المجال إلى تحسينات تمكّن الألياف البصرية من نقل المزيد من المعلومات عبر نطاقات ترددية أوسع، مع خفض معدّل التوهين (attenuation) لزيادة المسافة التي يمكن أن تقطعها الإشارة قبل الحاجة إلى تعزيزها.

لكن الحد الأدنى لتوهين البيانات في ألياف زجاج السيليكا لم يتغير فعليًا منذ عام 1985 (0.154 ديسيبل/كم)، إلى عام 2024 (0.1396 ديسيبل/كم). وهذا يعني أنّ نحو نصف الضوء المرسل عبر الألياف يفقد بعد حوالي 20 كم، ما يستلزم وجود مضخّمات ضوئية على مسافات متقاربة لتعزيز الإشارة.

ويتفوّق الدليل الموجي الجديد على الألياف التقليدية من حيث التوهين وعرض النطاق، وعوضًا عن النواة الزجاجية الصلبة التقليدية يتضمن التصميم الجديد نواة هوائية محاطة ببنية ميكروية زجاجية دقيقة لتوجيه الضوء.

ويوجه الضوء داخل المنطقة المملوءة بالهواء لتجنّب التشتت والامتصاص اللذين يسبّبان فقدان الطاقة في الألياف الزجاجية الصلبة.

كتب الباحثون : «هذا النهج لا يقلل فقط من التوهين والظواهر الأخرى التي تضعف الإشارة، بل يزيد أيضًا من سرعة النقل بنسبة 45 %».

أظهر الفريق في التجارب المخبرية أنّ الضوء بطول موجي 1,550 نانومتر وهو شائع الاستخدام في الاتصالات البصرية يفقد طاقته بمقدار 0.091 ديسيبل/ كم في الألياف الجديدة ويصل فقط إلى 0.1 ديسيبل/كم ضمن نافذة إرسال بين 1,481 و1,625 نانومتر (18 تيراهرتز).

ويضيف الباحثون: «إذا أهملنا امتصاص الغازات داخل النواة، وهو ليس ذا أصل فيزيائي جوهري، فان الليف قادر على توجيه الضوء بتوهين أقل من 0.2 ديسيبل/كم من 1,250 إلى 1,730 نانومتر (66 تيراهرتز)، وهو تحسن بنسبة 260% مقارنة بألياف الاتصالات الحالية (25 تيراهرتز)».

وتشير نماذج المحاكيات أنّ الألياف الأكثر صلابة، ذات الطبقة الخارجية السميكة والنواة الهوائية الأكبر، قد يحقق فقدًا أقل من القيم المسجّلة في الدراسة، ويرى الباحثون أن هذا قد يمهّد إلى عصر جديد في الاتصالات بعيدة المدى، وكذلك في النقل البعيد لحزم الليزر.

لكن الأمر يتطلّب مزيدًا من الأبحاث للتأكد من ذلك.

ويختتم الباحثون بالقول: «نحن واثقون أنه مع الزيادة في حجم الإنتاج، وتحسين التناسق الهندسي، وتقليل وجود الغازات الممتصة في النواة، ستفرض الألياف المجوّفة المزدوجة ذات البنية المضادة للرنين نفسها على أنها تقنية محورية في توجيه الموجات الضوئية».

ويؤكدون أن هذا الابتكار قد يكون الأساس إلى القفزة التكنولوجية القادمة في مجال اتصالات البيانات.