કાચના પાતળા તારમાં પ્રકાશ કેદ કરીને દુનિયાભરમાં ઇન્ટરનેટ દોડાવતી ફાઇબર ઓપ્ટિક્સની અજાયબી

આજના ડિજિટલ યુગમાં જ્યારે આપણે એક ક્લિક પર દુનિયાના બીજા છેડે રહેલા સર્વર પરથી વિડિયો સ્ટ્રીમ કરીએ છીએ કે સેકન્ડના હજારમા ભાગમાં સંદેશો મોકલીએ છીએ, ત્યારે આ બધો જ ડેટા વાસ્તવમાં આકાશમાંથી નહીં પરંતુ પૃથ્વીના પેટાળમાં અને મહાસાગરોના તળિયે પથરાયેલા અતિ પાતળા કાચના તારમાંથી વહી રહ્યો હોય છે. આ તકનીક એટલે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર (optical fiber). વીજળીના વાયરોની જગ્યાએ કાચ અથવા પ્લાસ્ટિકના અત્યંત લચીલા તાંતણાઓ દ્વારા પ્રકાશના સ્વરૂપમાં માહિતીનું વહન કરવાની વિદ્યાને ફાઇબર ઓપ્ટિક્સ (fiber optics) કહેવાય છે. આ ક્ષેત્રનું નામકરણ ભારતીય મૂળના ભૌતિકવિજ્ઞાની Narinder Singh Kapany દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું, જેમને આ તકનીકના પિતામહ માનવામાં આવે છે.

ધાતુના પરંપરાગત તાંબાના વાયરો કરતાં ફાઇબર કેબલ એટલા માટે ચડિયાતા સાબિત થયા છે કારણ કે પ્રકાશના સિગ્નલો લાંબા અંતર સુધી કોઈપણ મોટા અવરોધ વગર અને અત્યંત ઊંચી બેન્ડવિડ્થ (bandwidth: ડેટા વહન કરવાની ક્ષમતા) સાથે મુસાફરી કરી શકે છે. તાંબાના વાયરમાં વહેતો ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રોથી પ્રભાવિત થાય છે, જ્યારે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ટરફિઅરન્સ (electromagnetic interference: વિદ્યુતચુંબકીય વિક્ષેપ) સામે સંપૂર્ણપણે સુરક્ષિત છે. પરિણામે અવાજ કે ડેટામાં કોઈ ખલેલ પહોંચતી નથી અને સિગ્નલ નબળું પડવાનો દર એટલે કે એટેન્યુએશન (attenuation) પણ ખૂબ ઓછો રહે છે.

પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તન: કાચમાં પ્રકાશને કેદ કરવાનો ભૌતિક સિદ્ધાંત

ઓપ્ટિકલ ફાઇબરની કાર્યપ્રણાલી ભૌતિકશાસ્ત્રના એક પાયાના નિયમ પર ટકેલી છે જેને પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તન (total internal reflection - TIR) કહેવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે જ્યારે પ્રકાશનું કિરણ એક પારદર્શક માધ્યમમાંથી બીજા માધ્યમમાં પ્રવેશે છે ત્યારે તે પોતાના સીધા માર્ગ પરથી થોડું વળી જાય છે, જેને વક્રીભવન (refraction) કહે છે. પ્રકાશ કેટલી ઝડપે વળશે તેનો આધાર તે માધ્યમના વક્રીભવનાંક (refractive index) પર રહેલો છે. જ્યારે પ્રકાશ વધુ વક્રીભવનાંક ધરાવતા માધ્યમમાંથી ઓછા વક્રીભવનાંક ધરાવતા માધ્યમમાં જાય છે, ત્યારે વક્રીભૂત કિરણ લંબથી દૂર ભાગે છે.

આ પ્રક્રિયામાં આપાતકોણ (angle of incidence) જેમ જેમ વધારવામાં આવે તેમ એક ચોક્કસ બિંદુ એવું આવે છે જ્યાં વક્રીભૂત કિરણ બંને માધ્યમોની સપાટીને સમાંતર એટલે કે ૯૦ અંશના ખૂણે વહી જાય છે. આ વિશેષ ખૂણાને ક્રાંતિકોણ (critical angle) કહે છે. જો આપાતકોણનું મૂલ્ય આ ક્રાંતિકોણ કરતાં સહેજ પણ વધારી દેવામાં આવે, તો પ્રકાશ કિરણ બીજા માધ્યમમાં જવાને બદલે સંપૂર્ણપણે મૂળ માધ્યમમાં જ અંદરની તરફ પાછું ફેંકાય છે. અર્થાત્ પ્રકાશનું સહેજ પણ નુકસાન થયા વિના સો ટકા પરાવર્તન થાય છે.

ઈ.સ. ૧૮૨૩માં ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી Augustin-Jean Fresnel દ્વારા આ ઘટનાના તબક્કાકીય ફેરફારોનું વિગતવાર ગાણિતિક વિશ્લેષણ રજૂ કરવામાં આવ્યું હતું, જેણે પ્રકાશના તરંગ સિદ્ધાંતને મજબૂત ટેકો આપ્યો હતો. પાણીમાંથી હવામાં જતા પ્રકાશ માટે ક્રાંતિકોણ આશરે ૪૮.૬° (અથવા ૪૮°૨૭′) હોય છે, જ્યારે સામાન્ય કાચમાંથી હવામાં જવા માટે આ કોણ લગભગ ૪૧.૮° કે ૪૨° ની આસપાસ હોય છે. ઓપ્ટિકલ ફાઇબર આ જ કુદરતી નિયમનો ચાલાકીપૂર્વક ઉપયોગ કરે છે, જેથી કાચની અંદર પ્રવેશેલું પ્રકાશનું કિરણ વારંવાર અંદરની દીવાલો સાથે અથડાઈને હજારો કિલોમીટર સુધી બહાર નીકળ્યા વગર આગળ વધ્યા કરે છે.

પ્રકાશને માર્ગદર્શન આપવાનો ઐતિહાસિક પ્રવાસ

પ્રકાશને સીધી રેખા સિવાય વાંકા માર્ગે વાળી શકાય છે તેવું સૌપ્રથમ પેરિસમાં ૧૮૪૦ના દાયકાની શરૂઆતમાં Daniel Colladon અને Jacques Babinet નામના વૈજ્ઞાનિકોએ પાણીના વહેતા ફુવારામાં પ્રકાશનું વહન કરીને પ્રદર્શિત કર્યું હતું. તેના બાર વર્ષ બાદ લંડનમાં John Tyndall નામના વૈજ્ઞાનિકે આ પ્રયોગને જાહેર વ્યાખ્યાનમાં દર્શાવ્યો અને ૧૮૭૦માં પોતાના પુસ્તકમાં ક્રાંતિકોણ અને આંતરિક પરાવર્તનના નિયમો સ્પષ્ટ કર્યા હતા. ઓગણીસમી સદીના અંત ભાગમાં વિયેનાના તબીબોએ શરીરના આંતરિક અવયવો જોવા માટે વળેલી કાચની નળીઓ વડે પ્રકાશ પહોંચાડવાનો પ્રયાસ શરૂ કર્યો હતો.

વીસમી સદીના પૂર્વાર્ધમાં Clarence Hansell અને John Logie Baird જેવા સંશોધકોએ પાતળી નળીઓ મારફતે ચિત્રો મોકલવાના પ્રયોગો કર્યા, પરંતુ સાચી ક્રાંતિ ૧૯૫૩માં આવી. ડચ વૈજ્ઞાનિક Bram van Heel અને લંડનની ઇમ્પિરિયલ કોલેજમાં Narinder Singh Kapany તથા Harold Hopkins એ હજારો કાચના તાંતણાઓને એકસાથે જોડીને ચિત્ર પ્રસારિત કરવામાં સફળતા મેળવી. Kapany એ ૧૯૬૦માં 'સાયન્ટિફિક અમેરિકન' સામયિકમાં લેખ લખીને "ફાઇબર ઓપ્ટિક્સ" શબ્દ જગતભરમાં પ્રચલિત કર્યો અને આ ક્ષેત્ર પર સૌપ્રથમ અધિકૃત પુસ્તક લખ્યું.

સંચાર ક્રાંતિ અને કાઓની નોબેલ વિજેતા શોધ

શરૂઆતના ઓપ્ટિકલ ફાઇબરમાં એક મોટી મર્યાદા હતી: પ્રકાશ થોડા જ મીટરમાં શોષાઈ જતો હતો. ૧૯૬૫માં Manfred Börner નામના જર્મન વૈજ્ઞાનિકે ટેલિફંકેન લેબ્સમાં સૌપ્રથમ ડેટા ટ્રાન્સમિશન સિસ્ટમ બનાવી. પરંતુ ઓપ્ટિકલ ફાઇબરને વિશ્વવ્યાપી સંચાર માધ્યમ બનાવવા માટે સિગ્નલ ક્ષીણ થવાનો દર ઘટાડવો અનિવાર્ય હતો. ૧૯૬૫માં બ્રિટિશ કંપની Standard Telephones and Cables (STC) ના વૈજ્ઞાનિકો Charles K. Kao અને George A. Hockham એ ક્રાંતિકારી વિચાર રજૂ કર્યો કે ફાઇબરમાં પ્રકાશનું ક્ષીણ થવું ભૌતિક વિખેરણને કારણે નહીં પરંતુ કાચની અશુદ્ધિઓને લીધે થાય છે.

તેમણે ગણતરી માંડી બતાવી કે જો અતિશુદ્ધ સિલિકા કાચ (silica glass) વાપરવામાં આવે તો એટેન્યુએશન ૨૦ ડેસિબલ પ્રતિ કિલોમીટર (dB/km) થી નીચે લાવી શકાય છે, જે ટેલિકોમ્યુનિકેશન માટે વ્યવહારુ સીમાચિહ્ન હતું. આ ઐતિહાસિક સિદ્ધાંત માટે Charles K. Kao ને ૨૦૦૯માં ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત થયું હતું. ૧૯૭૦માં અમેરિકન ગ્લાસ નિર્માતા Corning Glass Works ના વૈજ્ઞાનિકો Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz અને Frank Zimar એ સિલિકા કાચમાં ટાઇટેનિયમ ઉમેરીને ૧૭ dB/km ક્ષમતા ધરાવતો ફાઇબર તૈયાર કર્યો.

ત્યારબાદ જર્મેનિયમ ડાયોક્સાઇડના ઉપયોગથી એટેન્યુએશન ઘટીને માત્ર ૪ dB/km થઈ ગયું. શરૂઆતમાં કાચના ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા તાર સેકન્ડે માત્ર બે મીટરની ઝડપે ખેંચી શકાતા હતા. પરંતુ ૧૯૮૩માં કેમિકલ એન્જિનિયર Thomas Mensah એ કોર્નિંગ કંપનીમાં ઉત્પાદન ગતિ વધારીને પ્રતિ સેકન્ડ ૫૦ મીટરથી વધુ કરી દીધી, જેનાથી ફાઇબર કેબલ તાંબાના વાયરો કરતાં પણ સસ્તા બન્યા. ૧૯૭૭માં ઇટાલીના તુરીન શહેરમાં સૌપ્રથમ મેટ્રોપોલિટન ફાઇબર કેબલ બિછાવવામાં આવ્યો હતો.

ઓપ્ટિકલ ફાઇબરની આંતરિક રચના અને પ્રકારો

ઓપ્ટિકલ ફાઇબરની ભૌતિક રચના એક અત્યંત કુશળ એન્જિનિયરિંગ કમાલ છે. તે મુખ્યત્વે બે મુખ્ય સ્તરોની બનેલી નળાકાર રચના હોય છે. કેન્દ્રભાગને કોર (core) કહેવામાં આવે છે, જે અતિશુદ્ધ સિલિકા ગ્લાસ અથવા પ્લાસ્ટિકનો બનેલો હોય છે અને તેનો વક્રીભવનાંક પ્રમાણમાં ઊંચો રાખવામાં આવે છે. આ કોરની આસપાસ બીજું એક પારદર્શક સ્તર ચડાવવામાં આવે છે જેને ક્લેડિંગ (cladding) કહે છે. ક્લેડિંગનો વક્રીભવનાંક કોર કરતાં ઓછો રાખવામાં આવે છે. આ બંને સ્તરોના વક્રીભવનાંકના તફાવતને લીધે જ પ્રકાશ કોરની દીવાલ સાથે અથડાઈને અંદર જ જળવાઈ રહે છે.

સિગ્નલ પ્રસારણની પદ્ધતિના આધારે ઓપ્ટિકલ ફાઇબરને મુખ્ય બે વર્ગોમાં વહેંચવામાં આવે છે: સિંગલ-મોડ ફાઇબર (Single-mode fiber - SMF) અને મલ્ટી-મોડ ફાઇબર (Multi-mode fiber - MMF). મલ્ટી-મોડ ફાઇબરમાં કોરનો વ્યાસ મોટો હોય છે, જેના કારણે પ્રકાશના કિરણો એક કરતાં વધુ માર્ગો (modes) પરથી પસાર થઈ શકે છે. તેનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ટૂંકા અંતરના નેટવર્કિંગ અને ઊંચી શક્તિ વહન કરવા માટે થાય છે. બીજી તરફ સિંગલ-મોડ ફાઇબરમાં કોર અત્યંત પાતળો હોય છે, જેથી પ્રકાશ માત્ર એક જ સીધા માર્ગે પ્રવાસ કરે છે. ૧,૦૫૦ મીટરથી વધુ લાંબા તમામ સંચાર નેટવર્કમાં સિંગલ-મોડ ફાઇબરનો જ ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

પ્રકાશ દ્વારા ડેટાનું અબજો બિટ્સમાં રૂપાંતરણ

ઓપ્ટિકલ ફાઇબરમાં માહિતીનું પ્રસારણ માત્ર એક ચમકારો નથી, પરંતુ સુવ્યવસ્થિત ડિજિટલ પ્રક્રિયા છે. કમ્પ્યુટર કે ફોનમાંથી નીકળતો ઇલેક્ટ્રિકલ ડેટા સૌપ્રથમ ટ્રાન્સમીટરમાં જાય છે, જ્યાં લેસર અથવા એલઇડી (LED) ડાયોડ તે માહિતીને પ્રકાશના સૂક્ષ્મ સ્પંદનો એટલે કે પલ્સમાં પરિવર્તિત કરે છે. પ્રકાશ ચાલુ થવો એટલે '૧' અને બંધ થવો એટલે '૦' - આ બાઈનરી કોડ અતિઝડપે ફાઇબરની અંદર ફેંકાય છે. હાલના કાર્યરત તંત્રમાં પ્રતિ સેકન્ડ ૧૦ થી ૪૦ ગીગાબિટ્સ (Gbit/s) નો સામાન્ય ડેટા દર ઉપલબ્ધ હોય છે.

આ ક્ષમતાને અસાધારણ સ્તરે પહોંચાડવા માટે વેવલેન્થ-ડિવિઝન મલ્ટિપ્લેક્સિંગ (Wavelength-Division Multiplexing - WDM) પદ્ધતિ વપરાય છે. આ પદ્ધતિમાં અલગ અલગ તરંગલંબાઈ (રંગો) ધરાવતા પ્રકાશના કિરણોને એક જ કાચના તારમાં એકસાથે વહાવવામાં આવે છે. વર્ષ ૨૦૦૮ સુધીમાં વાણિજ્યિક ડેન્સ WDM સિસ્ટમ્સમાં ૮૦ જેટલી સ્વતંત્ર ચેનલો એકસાથે દોડાવવામાં આવતી હતી. લાંબા અંતરે સિગ્નલ નબળું ન પડે તે માટે ૧૯૮૬ અને ૧૯૮૭માં અનુક્રમે સાઉધમ્પ્ટન યુનિવર્સિટીના David N. Payne અને બેલ લેબ્સના Emmanuel Desurvire એ એર્બિયમ-ડોપ્ડ ફાઇબર એમ્પ્લીફાયર (Erbium-doped fiber amplifier - EDFA) વિકસાવ્યા. આ સાધન પ્રકાશ સિગ્નલને વિદ્યુતમાં રૂપાંતરિત કર્યા વિના સીધું જ પ્રકાશીય રીતે બૂસ્ટ કરે છે, જેથી દર ૭૦ થી ૧૫૦ કિલોમીટરે સરળતાથી રીપીટર મૂકી શકાય છે.

બે ફાઇબરના છેડા જોડવાની પ્રક્રિયા પણ વીજળીના વાયર જોડવા જેટલી સરળ નથી હોતી. તેને અત્યંત ચોકસાઈથી કાપવી પડે છે જેને ક્લીવિંગ કહેવાય છે. કાયમી જોડાણ માટે ફ્યુઝન સ્પ્લાઇસિંગ (fusion splicing) પદ્ધતિ વપરાય છે, જેમાં ઇલેક્ટ્રિક આર્કની ગરમીથી બંને છેડા ઓગાળીને એકરસ કરી દેવાય છે. અસ્થાયી જોડાણ માટે યાંત્રિક સ્પ્લાઇસ અથવા ખાસ ઓપ્ટિકલ કનેક્ટર્સ વપરાય છે, જેમ કે ઘરના ઓડિયો સાધનોમાં વપરાતા TOSLINK કનેક્ટર્સ.

સંચાર ઉપરાંતના અવનવા ક્ષેત્રો: સેન્સર્સથી યુદ્ધભૂમિ સુધી

ઓપ્ટિકલ ફાઇબર માત્ર ટેલિફોન કે ઇન્ટરનેટ પૂરતો સીમિત નથી. તબીબી ક્ષેત્રમાં ફાઇબરોસ્કોપ (fiberscope) અને એન્ડોસ્કોપી સાધનો દ્વારા શરીરના નાજુક આંતરિક ભાગોનું જીવંત નિરીક્ષણ શક્ય બન્યું છે. ડેલાઇટિંગ (daylighting) તકનીકમાં બિલ્ડિંગની છત પર પેરાબોલિક કલેક્ટર લગાવી સૂર્યપ્રકાશને એકઠો કરી ફાઇબરના ગૂંચળા મારફતે મકાનની અંદરના અંધારા ઓરડાઓમાં પહોંચાડવામાં આવે છે.

આ ઉપરાંત ફાઇબરનો ઉપયોગ સંવેદનશીલ સેન્સર તરીકે પણ થાય છે. તાપમાન, દબાણ કે ખેંચાણના ફેરફારથી પ્રકાશના કંપનવિસ્તાર, કળા કે તરંગલંબાઈમાં જે ફેરફાર થાય તેને માપીને મોટા પુલો, ડેમ અને ટનલોની માળખાકીય સુરક્ષા તપાસવામાં આવે છે જેને ડિસ્ટ્રિબ્યુટેડ એકોસ્ટિક સેન્સિંગ કહે છે. માર્ચ ૨૦૨૪થી રશિયા-યુક્રેન યુદ્ધમાં ઓપ્ટિકલ ફાઇબર સાથે જોડાયેલા ડ્રોનનો ઉપયોગ શરૂ થયો છે. આ ડ્રોન પાછળ અતિબારીક ફાઇબર વાયર જોડાયેલો રહેતો હોવાથી તે કોઈપણ ઇલેક્ટ્રોનિક જામિંગ કે વિદ્યુતચુંબકીય અવરોધથી પ્રભાવિત થયા વિના દુશ્મન પર સચોટ હુમલો કરી શકે છે.

ઈ.સ. ૧૯૯૧માં ફોટોનિક ક્રિસ્ટલ ફાઇબર (photonic crystal fiber) ની નવી સંકલ્પના આવી, જે વર્ષ ૨૦૦૦માં વ્યાવસાયિક સ્તરે ઉપલબ્ધ થઈ. આ તંતુઓમાં પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તનને બદલે વિવર્તન (diffraction) સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ થાય છે અને તેનો અંદરનો ભાગ પોલો (hollow core) પણ હોઈ શકે છે. પ્રકાશની ગતિએ દોડતા આ અદૃશ્ય કાચના તંતુઓએ માનવ સંસ્કૃતિને ભૌગોલિક સીમાઓથી પર કરીને એકબીજા સાથે અખંડ રીતે જોડી રાખી છે.