پژوهشگران موفق به توسعه‌ی نوع جدیدی از تارهای نوری شده‌اند که توانایی انتقال نور «پیچ‌خورده» از فواصل دور را دارد. «تار نوری گردبادی» آنان بهمراه فناوری‌های رمزگذاری و رمزگشایی، این امکان را به داده‌ها می‌دهد تا با استفاده از حالات تکانه‌ی زاویه‌ای مداری (OAM) موجب انتقال نور شوند. می‌توان از این سیستم به منظور افزایشِ آهنگِ انتقالِ اطلاعات در یک تار نوری استفاده کرد که نهایتاً به ارتقاء ترافیک داده‌ها‌ی اینترنتی می‌انجامد.

 با توجه به این‌که حجم داده‌هایی که از طریق اینترنت ارسال می شود بسیار بالاست٬ محققان در پی روش‌های نوین برای ارتقاء ظرفیت داده‌ی تارهای نوری (حاملین ارتباطات دیجیتال) هستند. هرچند طرح‌های جدیدِ مختلف و در حال توسعه‌ای در این زمینه وجود دارد، اما همگی آن‌ها اشکالاتی همچون نیازی که برای پردازش سیگنال‌های شدید یا تارهای نوری چندهسته‌ای پیچیده وجود دارد، دارند.

اخیراً پژوهشگران به این نتیجه رسیده‌اند که می‌توان اطلاعات موردنظر را در OAM نور رمزگذاری کرد. نوری که از OAM برخوردار است٬ جبهه‌موجی دارد که حول محور انتشار می‌چرخد و باعث ایجاد یگ گردابه یا مارپیچ حلزونی می‌شود. در مقابل٬ یک پرتو نور عادی از آن جبهه‌موجی برخوردار است که راستای آن نسبت به جهت انتشار موج ثابت است.

        تاثیر هنرمندانه‌ی نور با تکانه‌ی زاویه‌ای مداری

مشکلات جفت‌شدگی

در اصل می‌توان OAM را با فناوری‌های تسهیم‌سازیِ (multiplexing techniques) متعارف به منظور ارتقاء آهنگِ انتقال داده‌ها در تارهای نوری ترکیب کرد. با این وجود مشکل اصلی در این جاست که حتی کوچکترین خم‌شدگی٬ تاب‌خوردگی یا تغییرات دمایی در یک تار نوری می‌تواند منجر به این شود که نور در یک انتقال یا مخابره‌ی OAM به دیگر مدها جهش یابد. این جفت‌شدگی مدها به اتلاف سریع اطلاعات منجر می‌شود و فقط این امکان را ایجاد می کند تا داده‌ی رمزگذارده‌شده‌ی OAM کمتر از یک متر در طول تارهای مرسوم ارسال شود.

سیستم جدیدی که درگیر حل این مشکل است توسط سیدهارت راماچاندران (Siddharth Ramachandran) و همکارانش در دانشگاه بوستن٬ گروه آلن ویلنر (Alan Willner) از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی (USC)٬ OFS-Fitel سازنده‌ی فیبرهای نوری در دانمارک و دیگر همکارانشان ایجاد شده است.

دایره و حلقه

در مرکز تار نوری که این گروه طراحی کرده‌اند، ناحیه‌ای است به قطر ۸ میکرون که متشکل از یک دایره داخلی و یک حلقه‌ی متحدالمرکز (نگاه کنید به شکل «سطح مقطع تار نوری گردابی»). هر دوی این نواحی ضریب شکست‌هایی بزرگ‌تر از مابقیِ تار نوری دارند. این تار نوری طوری طراحی شده که قابلیت حمل چهار مد متمایز را داشته باشد- دو مد OAM صفر که در هسته‌ی دایره‌ی داخلی منتشر می‌شود و دو مد OAM که در حلقه‌ی خارجی انتشار می‌یابد. بعلاوه این طرح با کمینه‌کردن جفت‌شدگی نور مابین مدهای OAM صفر و دیگر مدها٬ باعث کاهش جفت شدگی بین مدهای OAM صفر و دو مد «پارازیتی» دیگر (که می‌تواند در یک تار نوری روی‌دهد) می‌شود.

             تصویر ذره‌بینی از مقطع تار نوری گردابی

درحدود ۱/۱ کیلومتر از این تار نوری توسط  OFS-Fitel ساخته شده است. آن‌چنان‌که راماچاندران توضیح می‌دهد: «ما قصد داریم این کار را تنها با کار بر روی تارهایی که در یک محیط تولیدی واقعی توانایی تولید داشته باشند، نشان دهیم و تمام گام‌هایی که در ساخت آن طی کرده‌ایم با تمامی مراحل ساخت تارهای نوری تولیدشده‌یِ تجاری معادل است.»

توسعه‌ی این سیستم‌ها که پالس‌های OAM را رمزگذاری و رمزگشایی می‌کنند، توسط ویلنر در USC رهبری شده است. با دوبله‌کردنِ تسهیم سازیِ تقسیم مد OAM (OAM-MDM) این سیستم در چهار کانال مجزا رمزگذاری می‌شود که در قالب OAM (صفر یا یک) و قطبش دایروی (-1 یا 1) نور تعریف شده‌اند. این تیم توانست تنها با استفاده از این چهار مد٬ داده‌ها را در طول تار نوری تا ۱/۱ کیلومتر و در آهنگ ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیه انتقال دهد.

هشت بلو-ری در ثانیه

همچنین این سیستم قادر است تا هر چهاربخشی از مدهای OAM را در ۱۰ طول‌موج مختلف نوری بازتولید کند- فناوری که تسهیم‌سازیِ تقسیم طول‌موج (WDM) نامیده می‌شود. با این کار می‌توان آهنگ انتقال را به ۱/۶ ترابیت بر ثانیه ارتقاء داد (معادل انتقال هشت دیسک بلو-ری در هر ثانیه). هرچند چنین آهنگ‌ انتقال داده‌ای معمولاً توسط سیستم‌های WDM تجاری حاصل می‌شود، اما این اولین بار است که چنین انتقال‌هایی بر پایه‌ی OAM و در فواصل بیشتر از یک متر بدست می‌آید.

راماچاندران معتقد است حتی می‌توان این انتقال را با کمینه کردن اتلاف در این سیستم‌ها افزایش داد. وی می‌افزاید:«چیز خوبی که در شروع با تار نوری ساخته شده بر روی یک خط تولیدی واقعی وجود دارد این است که، این امیدواری را به ما می‌دهد تا هر زمان و هرجایی که  تارهای نوریِ پشتیبانِ OAM نیاز است٬ رهیافتی که ما ارائه کرده‌ایم قابلیت ساخته‌شدن چنان تارهایی را مورد خطاب قرار می‌دهد.»

این سیستم در مجله ساینس توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

هامیش جانستون (Hamish Johnston) ویراستار physicsworld.com است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jul/02/twisted-light-carries-data-over-1-km-in-optical-fibre