كيف يظل الضوء داخل الألياف الزجاجية الصغيرة
لقد صادف ريتشارد حامنج الألياف البصرية كاقتراح جديد في التكنولوجيا وسأل الفيزيائي السؤال المعتاد: لماذا يظل الضوء داخل ألياف الزجاج الصغيرة؟
قانون سنيل
عندما يمر الضوء من وسط يحتوي على مؤشر انكسار n₁ إلى واحد يحتوي على مؤشر n₂، تفي بزوايا الناتج θ₂:
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
في الزجاج (n₁ ≈ 1.5) إلى الهواء (n₂ = 1.0)، sin θ₂ = (n₁/n₂) sin θ₁ = 1.5 sin θ₁.
عندما تزيد sin θ₁ عن n₂/n₁ = 1/1.5 ≈ 0.667، لا توجد حلول حقيقية لθ₂. الضوء لا يمكن أن يخرج من الزجاج على الإطلاق. كل فoton يتفاعل مرة أخرى داخلها. هذا الحد هو الزاوية الحرجة:
θ_c = arcsin(n₂/n₁)
في الزجاج الهواء: θ_c = arcsin(1/1.5) ≈ 42°. أي شعاع يضرب سطح الزجاج الهواء بزاوية أكبر من 42° من المستقيم يتفاعل بالكامل. transmission zero. zero loss على الحدود.
حساب الزاوية الحرجة
تعتمد الزاوية الحرجة فقط على نسبة المؤشرات الانكسارية. تصميم الألياف يستخدم مركزًا مرتفعًا (n₁) محاطًا بملحقة منخفضة (n₂). الضوء الموجه داخل المركز يلتقي عند الحدود بينها في كل مرة عندما تزيد زاوية الانكسار عن θ_c.
لماذا القطر الأصغر؟ لاحظ حامنج هذا مباشرة. الألياف الزجاجية الكبيرة تقلب بشكل أطول على محور دائرة معين. الألياف الأثقل يمكن أن تتبع دائرة أكثر صغرًا بينما يظل زاوية الاشتراك فوق θ_c. القطر الأصغر يقلل أيضًا من التشوهات الإشارة (dispersion المودية) على الأطوال الطويلة.
النطاق الترددي والانحلال والاستجابة
قسّم هامنج المزايا الهندسية التي جعلت الألياف البصرية أمرًا لا مفر منه:
النطاق الترددي الأعلى. الترددات البصرية (≈10¹⁴ هرتز) تتفوق على الترددات الميكرووجيّة والراديويّة. أكثر دورات في الثانية تعني أكثر معلومات في الثانية. تتحمل شريطة واحدة من الألياف أكثر قنوات متزامنة من مجموعة كابل برونزي من الكبريت.
الانحلال الأقل. الألياف السيليكا الحديثة تفقد حوالي 0.2 ديسيبل في الكيلومتر. كابل الكبريت الموصول يفقد 10-100 مرة أكثر لكل كيلومتر. الألياف تمتد عبر البحار مع عدد أقل من المكررات.
الاستجابة الكهرومغناطيسية. الألياف لا تحمل تيار كهربائي. الثلج، خطوط الكهرباء القريبة، وبوم ذري في الغلاف الجوي الأعلى يولدان موجات كهرومغناطيسية تدمر التواصل بالكابلات الكبريتية. الألياف تجاهلهم. لاحظ هامنج هذا الميزة من خلال الحسابات التي كان يفعله مع مجموعة كيميائية.
الحل المبتكر. حدود واضحة بين النواة والكلفنج يسبب انشطار الحزم: يتنقل الأشعة بأطوال مسارات مختلفة، مما يوسع الحزم. لاحظ هامنج أن التدرج المنظم لدرجة الانكسار (النفسsame principlestrong focusing في الأسلحة الدقيقة) يلتزم الأشعة بشكل مستمر بالعودة إلى مركز، مما يزيل انعكاسات حادة ويقلل من الانشطار.
فكرة الأمان من هامنج
قسّم هامنج ملاحظة لم يكن واضحًا في البداية للمهندسين في مجال الألياف البصرية: الخاصية التي جعلت الألياف كفاءة أيضًا جعلت الألياف آمنة.
> الألياف هي كذلك كفاءة، مما يعني أنها تفقد عدد قليل جدًا من الفوتونات، سيكون من الصعب توجيه خط لها. ليس أنه من المستحيل، فقط أنه سيكون صعبًا.
لإيقاف خط للألياف، يجب على المهاجم أن يلتزم به بما يكفي لخروج بعض الضوء في نقطة الانحناء. لكن التواء كافٍ لخروج الضوء مرئي: يلاحظ المرسل انخفاض قوة الإشارة. لا يوجد في الكبريت، حيث يتم توجيه تيار ضئيل فقط، الألياف تظهر أدلة فيزيائية على الالتقاط.
هذه كانت فكرة الاستخدام الدبلوماسي: لاحظ هامينغ خاصية الأمان أثناء التفكير في مشكلة فيزياء. الدرس الذي استخلصه: دراسة فيزياء التكنولوجيا تكشف عن خصائص قد تفوت المهندسين الذين يركزون على التطبيق الرئيسي.
موقف هامينغ حول جدال النمط
قبل هامينغ أنه لم يتابع كل حجة في جدال الألياف النمطية الواحدة ضد المتعددة النمطية. قام بتشغيل المحاكاة لصالح كل جانب وأخيرا دعم الألياف النمطية الواحدة على نفس الأركان التي دعم فيها الإشارة الثنائية على الإشارة المتعددة المستوى في بداية مسيرته المهنية.
الألياف المتعددة النمطية تسمح بزوايا انعكاس متعددة (النمط) في نفس الوقت. أسهل في الإنتاج، أسهل في توصيل الضوء، يتحمل أكثر من دقة المكونات. لكن التشتت النمطي يوسع النقاط الزمنية على بعد.
الألياف النمطية الواحدة تضعف الضوء في مسار تنفيذي واحد. يتطلب قطر نواة صغير جدا (≈ 8 ميكرون للاتصالات). صعوبة أكبر في الصياغة والاتصال. لكن التشتت النمطي الصفر: النقاط الزمنية تبقى حادة على آلاف الكيلومترات.
الفائز النهائي في الطويل: الألياف النمطية الواحدة. ترتيب هامينغ للبساطة - عدد أقل من النمط، مسار واحد، لا تشتت نمطي - تطابق مع النتيجة الهندسية النهائية.