प्रकाश अंदर कैसे रहता है
रिचर्ड हैमिंग को फाइबर ऑप्टिक्स एक नई तकनीक प्रस्ताव के रूप में सामना हुआ और उन्होंने तुरंत भौतिकविद् का सवाल पूछा: प्रकाश एक पतले कांच के फाइबर के अंदर क्यों रहता है?
स्नेल का नियम
जब प्रकाश अपवर्तन सूचकांक n₁ वाले माध्यम से n₂ सूचकांक वाले माध्यम में प्रवेश करता है, तो संचारित कोण θ₂ संतुष्ट करता है:
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
कांच (n₁ ≈ 1.5) से हवा (n₂ = 1.0) के लिए, sin θ₂ = (n₁/n₂) sin θ₁ = 1.5 sin θ₁।
जब sin θ₁ n₂/n₁ = 1/1.5 ≈ 0.667 से अधिक होता है, तो θ₂ के लिए कोई वास्तविक समाधान मौजूद नहीं है। प्रकाश कांच से बिल्कुल नहीं निकल सकता। हर फोटॉन अंदर वापस प्रतिबिंबित होता है। यह सीमा क्रिटिकल कोण है:
θ_c = arcsin(n₂/n₁)
कांच-से-हवा के लिए: θ_c = arcsin(1/1.5) ≈ 42°। कोई भी किरण जो कांच-हवा इंटरफेस पर सामान्य से 42° से अधिक के कोण पर टकराती है, पूरी तरह प्रतिबिंबित होती है। शून्य संचरण। सीमा पर शून्य नुकसान।
क्रिटिकल कोण की गणना
क्रिटिकल कोण केवल अपवर्तन सूचकांक के अनुपात पर निर्भर करता है। एक फाइबर डिजाइन एक उच्च-सूचकांक कोर (n₁) का उपयोग करता है जो कम-सूचकांक क्लैडिंग (n₂) से घिरा होता है। कोर के भीतर निर्देशित प्रकाश जब भी अपना कोण θ_c से अधिक होता है तो सीमाओं के बीच उछलता है।
छोटा व्यास क्यों? हैमिंग ने इसे सीधे नोट किया। एक मोटा फाइबर एक दिए गए वक्र त्रिज्या पर अधिक धीरे से झुकता है। एक पतला फाइबर घटना के कोण को θ_c से ऊपर रखते हुए एक तंग मोड़ का पालन कर सकता है। छोटा व्यास लंबी दूरी पर सिग्नल विकृति (मोडल फैलाव) को भी कम करता है।
बैंडविड्थ, क्षीणन, और प्रतिरक्षा
हैमिंग ने इंजीनियरिंग लाभों की गणना की जिसने फाइबर ऑप्टिक्स को अपरिहार्य बनाया:
उच्च बैंडविड्थ। ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी (≈10¹⁴ Hz) माइक्रोवेव और रेडियो फ्रीक्वेंसी से कहीं अधिक होती है। प्रति सेकंड अधिक चक्र का अर्थ है प्रति सेकंड अधिक जानकारी। एक एकल फाइबर स्ट्रैंड कॉपर केबल बंडल की तुलना में अधिक समवर्ती चैनल ले जाता है।
कम क्षीणन। आधुनिक सिलिका फाइबर लगभग 0.2 dB/km खो देता है। कॉपर कोएक्सियल केबल प्रति किलोमीटर 10-100 गुना अधिक खो देता है। फाइबर कम रिपीटर के साथ महासागरों को फैलाता है।
विद्युत चुम्बकीय प्रतिरक्षा। फाइबर कोई विद्युत प्रवाह नहीं ले जाता है। बिजली, पास की बिजली की लाइनें, और ऊपरी वायुमंडल में परमाणु बम विस्फोट विद्युत चुम्बकीय नाड़ियों को उत्पन्न करते हैं जो तांबे-आधारित संचार को नष्ट करती हैं। फाइबर उन्हें अनदेखा करता है। हैमिंग ने एक रसायन विज्ञान समूह के साथ कर रहे गणना के माध्यम से इस लाभ को पहचाना।
ग्रेडेड-इंडेक्स समाधान। एक तेज कोर-क्लैडिंग सीमा मोडल फैलाव का कारण बनती है: विभिन्न किरण कोण अलग-अलग पथ की लंबाई में यात्रा करते हैं, नाड़ियों को चौड़ा करते हैं। हैमिंग ने पहचाना कि अपवर्तन सूचकांक को सुचारू रूप से ग्रेड करना (साइक्लोट्रॉन में मजबूत फोकसिंग के समान सिद्धांत) किरणों को लगातार केंद्र की ओर झुकाता है, तीव्र प्रतिबिंब को समाप्त करता है और फैलाव को कम करता है।
हैमिंग की सुरक्षा अंतर्दृष्टि
हैमिंग ने एक ऐसा अवलोकन किया जो फाइबर ऑप्टिक्स पर काम करने वाले संचार इंजीनियरों के लिए शुरुआत में स्पष्ट नहीं था: जो संपत्ति फाइबर को कुशल बनाती है वह इसे सुरक्षित भी बनाती है।
> फाइबर इतने कुशल हैं, यानी वे बहुत कम फोटॉन खो देते हैं, एक लाइन को 'टैप' करना एक कठिन कार्य होगा। यह असंभव नहीं है, केवल यह कठिन होगा।
फाइबर को टैप करने के लिए, एक हमलावर को इसे इतना झुकाना होगा कि कुछ प्रकाश झुकने के बिंदु पर बाहर निकल जाए। लेकिन प्रकाश को रिसाव करने के लिए पर्याप्त झुकाव पहचाना जा सकता है: रिसीवर को सिग्नल शक्ति में गिरावट दिखाई देती है। कॉपर के विपरीत, जहां एक निष्क्रिय टैप नगण्य करंट खींचता है, फाइबर अवरोधन का भौतिक प्रमाण प्रदान करता है।
यह एक दोहरे उपयोग की अंतर्दृष्टि थी: हैमिंग ने एक भौतिकी समस्या के बारे में सोचते हुए एक सुरक्षा संपत्ति पर ध्यान दिया। जो सबक उन्होंने निकाला: एक तकनीक के भौतिकी का अध्ययन अक्सर ऐसी संपत्तियों को प्रकट करता है जो इंजीनियर प्राथमिक अनुप्रयोग पर केंद्रित होकर मिस करेंगे।
मोड बहस पर हैमिंग की स्थिति
हैमिंग ने स्वीकार किया कि वह एकल-मोड बनाम मल्टी-मोड फाइबर बहस में हर तर्क का पालन नहीं कर सके। उन्होंने दोनों पक्षों के लिए सिमुलेशन चलाए और अंततः एकल-मोड का समर्थन किया उसी आधार पर जिस पर उन्होंने अपने कैरियर में बाद में बहु-स्तरीय सिग्नलिंग पर बाइनरी सिग्नलिंग का समर्थन किया था।
मल्टी-मोड फाइबर एक साथ कई प्रसार कोण (मोड्स) की अनुमति देता है। निर्माण में आसान, प्रकाश को युग्मित करने में आसान, अधिक कनेक्टर अशुद्धि को सहन करता है। लेकिन मोडल फैलाव दूरी पर नाड़ियों को चौड़ा करता है।
एकल-मोड फाइबर प्रकाश को एक प्रसार पथ तक सीमित करता है। बहुत छोटे कोर व्यास की आवश्यकता है (दूरसंचार के लिए ≈8 µm)। स्प्लिस करना और जोड़ना कहीं अधिक कठिन है। लेकिन शून्य मोडल फैलाव: नाड़ियें हजारों किलोमीटर पर तीव्र रहती हैं।
उच्च-क्षमता, दीर्घ-दूरी संचरण के लिए दीर्घकालीन विजेता: एकल-मोड। सरलता के लिए हैमिंग की वरीयता — कम मोड्स, एक पथ, कोई मोडल फैलाव नहीं — अंतिम इंजीनियरिंग परिणाम के साथ संरेखित था।