את היכולת שלנו לקיים שיחות זום חובקות עולם, לצפות בנטפליקס בכל מקום או לקרוא חדשות מדע בטלפון, אנו חייבים למהפכת התקשורת האופטית. הסיבים שהאירו את העולם

הסיבים האופטיים הם עמוד תווך מרכזי של תשתיות האינטרנט ושל שאר מערכות התקשורת בעולם. כיום קשה לדמיין את חיינו בלעדיהם, אך עד לפני כמה עשורים, רק יחידי סגולה העלו בדעתם שטכנולוגיה כזאת תיתכן. סיפורה המדהים של מהפכת התקשורת כולל מדע פורץ דרך ומאמץ ממושך של אלפי מדענים ומהנדסים. חברות תקשורת ענקיות עם גיבוי ממשלתי וכיסים עמוקים, אנשי חזון והתגברות על אינספור מכשולים. כל אלה נדרשו כדי ליצור מערכות עולמיות של סיבי זכוכית דקיקים, המעבירים כמויות מידע בלתי נתפסות באמצעות אור.

דרוש: שיפור טכנולוגי

באמצע המאה הקודמת מערכות התקשורת סבלו מבעיה עמוקה. מספר המשתמשים בטלפון עלה במהירות ותשתיות התקשורת לא עמדו בעומס. בנוסף, ענקיות התקשורת פיתחו מכשירים שיאפשרו שיחות וידאו עתירות מידע ורצו להתחיל לשווקן כבר בשנות ה-70. שתי המגמות חייבו להעביר כמויות מידע עצומות, והיה ברור כי מערכות התקשורת הקיימות יקרסו אם לא יחול בהן שיפור דרסטי.

הגידול במספר המשתמשים נבע בחלקו מניתוב שיחות מהיר. בראשית ימיה של רשת הטלפון, כל משתמש חובר למרכזייה מקומית, שם ישבה מרכזנית בת אנוש (לרוב הן היו נשים). כדי להתקשר למנוי מסוים היה צריך להתקשר תחילה למרכזייה, ולבקש שיחברו ידנית את קו הטלפון שלכם לקו שמוביל אל המנוי המבוקש. אם המרחק בין שני הטלפונים היה גדול, השיחה הייתה צריכה לעבור במרכזיות נוספות, כשבכל אחת היו צריכים לחבר ולנתק חוטים כדי לאפשר את השיחה. עם הזמן, מפסקים אלקטרומכניים יקרים החליפו את המרכזניות. אותות חשמליים שנוצרו בפעולת החיוג הזיזו את המפסקים שפתחו וסגרו מעגלים לניתוב השיחה. בהמשך פיתחו חברות הטלפון מפסקים חשמליים לגמרי, ללא חלקים מכניים, ששוכללו והפכו לרכיב האלקטרוני החשוב בעולם – הטרנזיסטור.

במקביל לשיפור בניתוב השיחות התעורר הצורך לשפר את קצב העברת המידע בקווי התקשורת. הקווים העמוסים ביותר הם אלו שבין המרכזיות, שכן שיחות רבות מתרכזות בהם. המצב הזכיר באופיו את העומס המורגש בכבישים בין-עירוניים, שאליהם מתנקזת תנועת המכוניות מכבישים צרים רבים.

כדי לפתור את בעיית העומס בלי להניח עוד ועוד קווי טלפון יקרים, נדרשת טכנולוגיה שתגדיל את קיבולת המידע של חיבור בודד. אך ככל שהקווים נהיים ראשיים וארוכים יותר, גובר גם הקושי הטכנולוגי. בשנת 1956, למשל, הושלמה התקנה של כבל תת-ימי מהפכני לרוחב האוקיינוס האטלנטי, שנקרא כבל משותף-ציר (Coaxial), בעלות השקולה לכ-400 מיליון דולר בערכים של ימינו. הכבל היה מסוגל להעביר נפח מידע של 36 שיחות טלפון במקביל מבריטניה לארצות הברית. זמן קצר לאחר מכן כבר שקדו על חיבור נוסף. החיבור המהפכני אִפשר לראשונה להאזין לקונצרט שנערך מעבר לאוקיינוס. אך עלות השידור הייתה אדירה – כעשרת אלפים דולר לרבע שעה בערכים של ימינו.

מרכזייה בשנות ה-50 | צילום: צבא ארה"ב, ויקיפדיה, נחלת הכלל
המרכזניות הוחלפו במתגים ובטרנזיסטורים. מרכזייה בשנות ה-50 | צילום: צבא ארה"ב, ויקיפדיה, נחלת הכלל 

חזון הפס הרחב

חוטי הטלפון הישנים, העשויים נחושת או מתכת מוליכה אחרת, העבירו אותות חשמליים משתנים. הטלפון היה בנוי כך שמיקרופון בשפופרת שלו שינה את העוצמה של האות החשמלי בהתאם לשינויים בלחץ של גלי הקול. ככל שגלי הקול שלנו יכילו יותר תדירויות ויותר צלילים, כך יקרה גם לאותות החשמליים.

גלי הקול יכולים לשנות את עוצמתו של זרם קבוע, או של "גל נושא", שהוא אות חשמלי המשתנה מהר ובאופן מחזורי, כלומר בעל תדר גבוה. בסוף התהליך מסננים את תדירויות הדיבור מהגל הנושא, ומעבירים אותן לרמקול, שממיר את האותות החשמליים בחזרה לצלילים.

כדי להעביר כמה שיחות במקביל באותו קו, משתמשים בתחומי תדירויות שונים הנקראים ערוצים. לכל ערוץ יש גל נושא בתדר שונה. גם שידורי הרדיו והטלוויזיה פועלים באופן דומה, אך מאחר שמדובר - לפחות במקור - בשידורים אלחוטיים, האותות לא עוברים בכבלים אלא על גלים אלקטרומגנטיים הנעים באטמוספרה.

מאחר שתמונה אחת שווה אלף מילים, ערוץ טלוויזיה דורש תחום רחב הרבה יותר של תדרים – יותר מכל ערוצי ה-AM של הרדיו גם יחד. שימוש בגל נושא בעל תדר גבוה יותר, מאפשר להלביש עליו תחום תדירויות רחב יותר, ויותר מידע, בלי לשנותו ללא הכר. הגל יכול לשאת אותות מידע בתדר גבוה, להשתנות מהר ולהגדיל את קצב העברת הנתונים. גלים כאלה גם מגדילים את כמות הערוצים – אפשר לחלק את תחום התדרים הרחב שבו הם תומכים לכמה וכמה ערוצים, שכל אחד מהם עדיין יכיל מידע רב.

המהנדס הבריטי מבריק אלק ריבס (Reeves) ידוע בזכות רעיונותיו פורצי הדרך, שהניחו את התשתית למהפכה הדיגיטלית. כבר בשנות ה-30 של המאה ה-20 הוא הראה איך להמיר אות אנלוגי רציף לאות דיגיטלי המורכב ממקטעים קצרים (פולסים, או פעימות) המייצגים את הספרות 0 ו-1, והסביר את הפוטנציאל הגלום בשידור הדיגיטלי, הרגיש פחות לרעשים. ככל שהאות האנלוגי המקורי משתנה מהר יותר, כך צריך להעביר בכל רגע יותר מקטעים דיגיטליים המבוססים עליו.

כדי ליצור את המקטעים הקצרים האלו ולהגדיל את קצב העברת הנתונים נחוצות הרבה תדירויות גבוהות, בדומה לשידור האנלוגי. עם השנים למדו המדענים והמהנדסים לנצל לצורך זה תדרים רבים יותר מהספקטרום האלקטרומגנטי. השידורים, שהחלו בגלי רדיו ארוכים בתדר של עשרות אלפי הרץ (מחזורים בשנייה) ובאורכי גל של קילומטרים, השתכללו מאוד והגיעו תוך כמה עשרות שנים עד לתחום גלי המיקרו, בתדרים של מיליארדי הרץ (גיגה-הרץ, GHz) ואורך גל של עשרות סנטימטרים.

משדרי מיקרוגל, שיא הטכנולוגיה של שנות ה-50, גדשו עד מהרה את קווי התקשורת העמוסים של ארצות הברית ואירופה. הצעד הבא נראה ברור: להגדלת קיבולת הקווים יש להמשיך את התנועה הרציפה לאורך הספקטרום האלקטרומגנטי, אל עבר גלי המילימטר בתדירויות של עשרות גיגה-הרץ. אך הגלים הקצרים האלה חשופים מאוד להפרעות, ודי בטיפות גשם כדי לשבש את השידור שלהם – תכונה בעייתית מאוד כשמדובר בקווי תקשורת. היות שגלים כאלה לא עוברים היטב גם בחוטי חשמל, הפתרון היחיד שנמצא היה להעביר אותם במבנה מיוחד שנקרא "מוליך גלים", או גַּלְבּוֹ. המשימה הזאת, התברר, הייתה קשה במיוחד, ולא התקדמה באופן משמעותי למרות השקעה של סכומי עתק ושנות עבודה רבות של טובי המהנדסים.

לריבס היו רעיונות אחרים. הוא לקח בחשבון שגם האור הוא גל אלקטרומגנטי, אך בתדרים שלו מגיעים למאות טֶרה-הרץ (THz), כלומר פי מאה אלף מגלי המיקרו. בהתאם לכך גם טווח התדרים הזמין בתחומי האור הנראה והתת-אדום מכיל מאות טרה-הרץ. ריבס העריך כי אם תימצא דרך לנצל את האור לתקשורת, קו שידור יחיד יוכל להעביר שבעה מיליארד שיחות טלפון דיגיטליות, או 1.5 מיליון ערוצי טלוויזיה.

סיבים אופטיים – המוצא האחרון

בניגוד לגלי רדיו או מיקרו, אין דרך מעשית לשדר אור באוויר הפתוח. הוא מתפזר ונבלע באטמוספרה, דבר שמחליש את האות ומגביל את השידור באמצעותו למרחקים קצרים בלבד. עבור ריבס ואנשי צוותו, זיהום הערפיח בלונדון של אותם הימים הבהיר להם היטב שעליהם למצוא תווך שידור אחר.

הרעיון הראשון שעליו חשבו היה להשתמש בצינורות אופטיים. הם החלו עם התקן פשוט במיוחד – צינור ברוחב של כמה סנטימטרים, מצופה מבפנים במראת כסף. אולם הביצועים שלו לא היו משביעי רצון. ניסויים הראו שהאור מתפזר ומוחזר פעמים רבות לאורך הצינור, ומאחר שבכל החזרה הוא נבלע קצת, האות אבד לחלוטין כבר אחרי מרחק קצר.

רעיון אחר היה להכניס לצינור סדרה של עדשות שירכזו את האור ויעבירו אותו בלי לפגוע בתכונותיו. הבעיה היא שדי היה בהתחממות קלה של הצינור באור השמש כדי להזיז את העדשות במידה זעירה אך משמעותית מספיק שתסיט את אלומת האור ממסלולה. גם רעיונות דומים אחרים העלו חרס.

הפתרון שנמצא היה להשתמש בסיבים אופטיים. מדובר בחוטי זכוכית דקים שמוליכים את האור בזכות מקדם השבירה שלהם. מקדם השבירה קובע עד כמה מהירות התנועה של האור בתוך החומר מואטת לעומת מהירותו ברִיק. מקדם שבירה גבוה פירושו מהירות נמוכה. כשאור עובר בין חומרים בעלי מקדם שבירה שונה, חלקו נשבר ומשנה את מסלולו וחלקו מוחזר לאחור. וכשהוא נע בחומר בעל מקדם שבירה גבוה, כמו זכוכית, הוא עשוי לחזור במלואו ולא לצאת מהזכוכית לאוויר הפתוח, שמקדם השבירה שלו נמוך. לתופעה הזאת קוראים החזרה פנימית מלאה, והיא דורשת גם שהאור ינוע בזווית מתאימה. כך צינור הזכוכית לוכד את האור בתוכו, כל עוד הוא לא מתעקל בזווית חדה מדי.

מבנה הסיב האופטי: ליבה מוקפת במעטפת בעלת מקדם שבירה נמוך | תרשים: יובל רוזנברג
מבנה הסיב האופטי: ליבה מוקפת במעטפת בעלת מקדם שבירה נמוך | תרשים: יובל רוזנברג

אך מה קורה כששני צינורות נוגעים זה בזה, או בחומר אחר בעל מקדם שבירה גבוה? במקרה כזה חלק מהאור עלול לברוח מהצינור בנקודת המגע. כדי למנוע את זה עוטפים את הצינור בחומר בעל מקדם שבירה נמוך יותר, שמפריד את האור מסביבת הסיב האופטי. האור נע בצינור הליבה, והמעטפת שומרת עליו מהסביבה. שכבות נוספות, מפלסטיק או מחומרים אחרים, מוסיפות לסיב עמידות מכנית ומונעות את שבירתו.

סיבים אופטיים בשכבות מגן צבעוניות | צילום: Cjp24, ויקיפדיה
בידוד שמונע זליגת אור. סיבים אופטיים בשכבות מגן צבעוניות | צילום: Cjp24, ויקיפדיה

הסיב השקוף בעולם

כשריבס חשב לראשונה לשדר מידע באמצעות אור, סיבים אופטיים נחשבו עדיין אופציה גרועה מאוד להולכת השידורים. הסיבים האופטיים שהיו קיימים אז היו מעין צינורות זכוכית מגושמים וקצרים. רופאים השתמשו בהם לתאורה ולאנדוסקופיה בניתוחים, ובצבא נעזרו בהם לשיפור יכולות ראיית הלילה, אך הם לא התאימו כלל להעברת מידע למרחק רב.

אחת הבעיות המרכזיות של הסיבים האופטיים הייתה קצב הנִיחוּת (Attenuation) שלהם, כלומר באופן שבו הם דועכים. ככל שהאור מתקדם לאורך סיב הזכוכית, עוצמתו פוחתת. הסיבים בשנות ה-60 בלעו 90 אחוז מהאור תוך מטרים אחדים. אולם איש לא ידע מדוע הזכוכית בולעת כך את האור, ואם יהיה אפשר לייצר סיבים שקופים מספיק לתקשורת.

צ'רלס קאו (Kao), שעבד עם ריבס, הוכיח שזה אפשרי וקיבל על כך פרס נובל בפיזיקה ב-2009. בעזרת אחרים הוא הראה באופן תיאורטי כי זיהומים בזכוכית אחראים לבליעת האור, ולא מדובר בתכונות של הזכוכית עצמה. אלפי שנות ניסיון בעיבוד זכוכית הראו כי הוספת חומרים מסוימים משפרת את תכונותיה. כעת התברר שהחומרים הללו גם בולעים את האור העובר בה.

התובנה התיאורטית של קאו לא שכנעה רבים, אולי בגלל המבנה המסובך וחסר הסדר של האטומים בזכוכית, שעד היום איננו מבינים אותו לחלוטין. קאו הבין שהוא חייב להראות לעולם שזכוכית באמת יכולה להיות שקופה מספיק, ולשם כך צוותו מדד את הבליעה של זכוכית סינתטית טהורה (fused silica), שאמורה להכיל רק חלקיקי סיליקה (צורן דו-חמצני: SiO2). ניתוח המדידות המדויקות, שנמשך חודשים רבים, הוביל למסקנה מדהימה – הזכוכית הנקייה שלהם בלעה פי 1098 פחות אור מאשר זכוכית שקופה רגילה.

קאו הראה אם כן שזכוכית יכולה להיות מאוד שקופה, אך עדיין היו צריכים למצוא איך לייצר ממנה סיבים. כדי לייצר סיב מזכוכית צריך להכין גֶלֶם (preform) – מעין צינורית עבה בעלת המבנה וההרכב הכימי הרצוי, ואז להתיך אותה ולמשוך ממנה סיב דקיק בתהליך מדויק ומורכב. אך לזכוכית טהורה יש טמפרטורת היתוך עצומה של כ-1,700 מעלות צלזיוס, וכבשני הזכוכית של רוב יצרני הסיבים לא עמדו בטמפרטורות הדרושות להתכתה. אם לא די בכך, מקדם השבירה של זכוכית טהורה נמוך מזה של זכוכית עם מזהמים, ולכן חשבו שבכל זאת ליבת הסיב, שבה האור עובר, צריכה להכיל זיהומים.

כל השיקולים האלה הניאו את תעשיית הזכוכית מלהשתמש בזכוכית טהורה. במקום זאת ניסו להוציא מהזכוכית הרגילה חלק מהחומרים ה"מזהמים", בתקווה לקבל זכוכית שקופה וקלה לעיבוד. אך חברת קוֹרְנִינְג (Corning Glass Works) ניגשה למשימה בגישה הפוכה.

קורנינג עיבדה זכוכית טהורה במיוחד כבר כמה עשורים. כימאי החברה המציאו בשנות ה-30 תהליך חדשני לייצור הזכוכית שמבוסס על שימוש במבערי מימן. התהליך יצר מעין פיח לבן עשוי זכוכית טהורה והשאיר את המזהמים מאחור, כפי שהרתחת מי מלח מפרידה את אדי המים מהמלח שנשאר מאחור. הם גילו שזכוכית טהורה עם מעט חלקיקי טיטניום אינה מתרחבת כמעט כשמחממים אותה, ובשנות ה-50 הפיקו ממנה מראות לטלסקופים וללווייני ריגול.

חלקיקי הטיטניום גם הגדילו מעט את מקדם השבירה ואפשרו ליצור מהזכוכית הזאת את ליבת הסיבים. הם השתמשו בגֶלֶם של מוט זכוכית עם טיטניום, שהוכנס לצינור של זכוכית טהורה, וניסו למשוך ממנו סיבים. אך הם שוב ושוב באותה בעיה – כל שריטה או חוסר התאמה בין המוט לצינור יצרו סדקים ובעיות נוספות בחיבור בין הליבה למעטפת.

הפתרון הגיע מאימוץ של שיטה חדשה. במקום להשתמש במוט זכוכית, החדירו את פיח הזכוכית ישירות לצינור ושיקעו אותו שם בצורה אחידה. התוצאה הייתה צינור מלא "קצף" של זכוכית טהורה עם מעט טיטניום. יצירת הגֶלֶם הושלמה עם חימום הצינור בעזרת להבה. ב-1970 ייצרו קורנינג לראשונה סיב של זכוכית טהורה, שהבליעה שלו הייתה נמוכה אפילו מזאת שהראה קאו. תעשיית סיבי התקשורת נולדה, עם הבטחה גדולה ופטנציאל רב לשיפור.

הוכיח שאפשר לייצר זכוכית שקופה מספיק לתקשורת, צ'רלס קאו | צילום: דיוויד דובקין, ויקיפדיה
הוכיח שאפשר לייצר זכוכית שקופה מספיק לתקשורת, צ'רלס קאו | צילום: דיוויד דובקין, ויקיפדיה

ויהי אור

סיבים אופטיים לא היו המכשול היחיד בדרך למערכת תקשורת אופטית. אף שכבר היו גלאים סבירים שהמירו אותות אופטיים לאותות חשמליים, לא היו עדיין מקורות אור מתאימים ליצירת האותות הללו. כדי לאפשר תקשורת יעילה, מקור האור צריך להשתנות בקצב מהיר ולהפיק פעימות (פולסים) קצרות המכילות את המידע הדיגיטלי. בנוסף צריכה להיות דרך לרכז את האור לתוך סיבים דקיקים, ובעוצמה מספקת שתאפשר לקלוט אותו גם אחרי מרחק רב. הפתרון נמצא בדמות אחת מההמצאות החשובות של המאה ה-20: הלייזר.

בניגוד לאור המפוזר שמפיקה נורה רגילה, או השמש, מכשיר הלייזר פולט אלומה של אור קוהרנטי. זהו אור מסודר במיוחד, עם תחום תדירויות צר מאוד וכיוון התקדמות אחיד. כך אפשר לרכז את האור ביעילות ולהעביר מידע בתדר מדויק ולמרחק רב. כשהלייזר הומצא ב-1960 היה ברור שמדובר בצעד ענק אל חלום התקשורת האופטית, אך נותרה עוד דרך ארוכה לעבור עד שיפותח מקור שימושי של אור לייזר.

מכשירי לייזר בנויים מחומר מגביר, שמצוי בתוך מָהוֹד – התקן מגביר תהודה – העשוי מזוג מראות מקבילות. אם מספיק חלקיקים מהחומר טעונים באנרגיה (מעוררים), החומר יגביר את האור העובר בו, בתהליך שנקרא "פליטה מאולצת". המראות מחזירות את האור ומאפשרות כך הגברה חוזרת ונשנית שלו. אחת המראות מאפשרת למעט מהאור לצאת החוצה, וכך הלייזר פועל כל עוד ההגברה חזקה מספיק.

דיאגרמת המבנה של לייזר מוליך למחצה, מגבישים של אלומיניום גליום וארסן | איור: Shigeru23, Wikipedia
התחלה בתנאים קשים. דיאגרמת המבנה של לייזר מוליך למחצה, מגבישים של אלומיניום גליום וארסן | איור: Shigeru23, Wikipedia

בדומה לטרנזיסטור, הלייזר מורכב מחומרים מוליכים למחצה. זרם חשמלי מעורר בקלות את החומר המגביר שממנו הם עשויים, וגודלם הקטנטן מתאים בדיוק לסיבים אופטיים. אך הלייזרים ממוליכים למחצה של שנות ה-60 היו חלום בלהות. הם עבדו רק בטמפרטורות קיצוניות של עד 196 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, אלומת האור שלהם התבדרה לכל עבר והם נשרפו בתוך זמן קצר. ככל שהטמפרטורה שלהם הייתה גבוהה יותר, כך הם דרשו זרם חשמלי חזק יותר ונשרפו מהר יותר.

פריצת הדרך באה משכלול מתוחכם של מבנה הלייזרים, שאִפשר לתחום את הזרם החשמלי ואת האור רק לאזור קטן בגביש שבו נעשית ההגברה. כך הצטמצם הזרם הדרוש להפעלת הלייזר והשתפרו יעילותו ואלומת האור שהפיק. ממציאיו קיבלו פרס נובל בפיזיקה על ההישג.

בסופו של דבר היו לנו לייזרים ממוליכים למחצה הפועלים בטמפרטורת החדר. עם זאת, גם הם נשרפו תוך שניות ספורות. כדי ליצור מכשירי לייזר אמינים שלא נשרפים היו חייבים לסלק כל פגם קטן מהמבנה הגבישי שלהם, ולשם כך נדרש שיפור ארוך וקשה בטכניקת הייצור.

לייזר מוליך למחצה באריזתו, ליד מטבע של סנט | צילום: נאס"א, נחלת הכלל
תהליך ארוך של שיפור. לייזר מוליך למחצה באריזתו, ליד מטבע של סנט | צילום: נאס"א, נחלת הכלל

מהירות משתנה

אות דיגיטלי הוא אות שמחולק למקטעים, שכל אחד מהם הוא יחידת מידע אחת – ביט, או כמה ביטים במערכות מתקדמות. ערך הביט, 0 או 1, נקבע לפי תכונות האות במקטע. כדי שהמידע הדיגיטלי יועבר בלי טעויות בקריאה שלו, אסור שהמקטעים יתערבבו זה בזה.

בשיטה הפשוטה ביותר, שהייתה נפוצה במיוחד לפני תחילת האלף הנוכחי, עוצמת האות בכל מקטע קובעת את ערך הביט: אם האות כבוי, הערך הוא 0, ואם עובר אות כלשהו ערכו הוא 1. כך שהאות מורכב מסדרה של פעימות קצרות, שהגעתן או אי הגעתן בחלון זמן מסוים מלמדת על ערך הביט במקטע. אם פעימה זולגת לחלון זמן של מקטע שכן, הגלאי עשוי לפענח מקטע כבוי כמקטע דולק, ובמקום 0 יתקבל 1. אם שתי פעימות מתערבבות הגלאי עלול להחשיב אותן כפעימה אחת.

שתי דרכים לקודד אות דיגיטלי באמצעות גלים | תרשים: יובל רוזנברג
שתי דרכים לקודד אות דיגיטלי באמצעות גלים | תרשים: יובל רוזנברג

כשאלומת אור עוברת בצינור רחב, האור מתפזר בין המון מסלולים שונים, באורכים שונים וזוויות החזרה אחרות. בשל כך חלקים שונים של האלומה יזדקקו לפרק זמן שונה להגיע לקצה הצינור. במצב כזה, הפעימות הקצרות יתרחבו ויתחלקו בין כמה חלונות זמן.

אך סיבים אופטיים אינם צינורות פשוטים, אלא מוליכי גלים. אם נקטין את הצינור עד כדי כך שעוביו יתקרב לאורך הגל שאנחנו מעבירים, התכונות הגליות של האור יגבילו מאוד את אפשרויות התנועה שלו. האור עובר לפיכך בסיב רק באופני תנודה מסוימים, שלכל אחד צורה (תבנית מרחבית) קבועה ומהירות קבועה. אור שמתקדם באופֶן תנודה יחיד ישמור על מהירות קבועה, אך אור שמורכב מאופני תנודה שונים ינוע במהירויות שונות. גם כאן הפעימה עלולה להתרחב אל מעבר לחלון הזמן שלה.

מוליך גלים שמאפשר להוליך בו אופני תנודה שונים מסבך מאוד את העניינים, כי קשה למנוע מהאות להתפשט על פני כמה אופנים וליצור טעויות. גלי המילימטר לא היו מעשיים, כי נדרשו מוליכי גלים ישרים לגמרי כדי שהאות לא יחדור לאופנים שכנים. ככל שהסיב צר יותר הוא מוליך פחות אופני תנודה, עד שבעובי דק במיוחד נותר בו רק אופֶן תנודה יחיד. סיבים כאלה נקראים סיבי חד-אופֶן (single-mode fibers), והם עוזרים למנוע מהפעימות להתרחב וליצור טעויות.

פעימות עלולות להתרחב גם עקב הפרש המהירויות בין אור בתדירויות שונות. מקדמי השבירה של רוב החומרים בעולם נוטים להיות שונים בתדירויות אור שונות. השוני במקדם השבירה, שנקרא נְפִיצָה (דִיסְפֶּרְסְיָה), הוא גם מה שיוצר את הקשת בענן: המים שוברים רכיבים שונים של אור השמש בזוויות שונות, ומפרידים את צבעי הקשת זה מזה.

התופעה הזאת גורמת לפעימות המשודרות בסיב להתרחב עם התקדמותן, משום שיש בהן תחום של תדירויות, ולא רק תדר יחיד. התרחבות האותות גדלה ככל שקצב העברת הנתונים גובר, או כשנעשה שימוש במכשירי לייזר לא איכותיים, כיוון שאז האותות מכילים תחום תדירויות רחב יותר. כדי לצמצם את ההתרחבות בזמן אפשר לכוון את הלייזר לתחום תדרים עם נפיצה קטנה, שבו מקדם השבירה של התדרים השונים בסיב משתנה רק מעט.

האורך המרבי של הסיבים שעדיין מאפשר להעביר בהם מידע, נקבע על פי קצב התרחבות האותות, מידת בליעתם וכמות הרעש שיש בהם. כדי להעביר אותות למרחקים ארוכים יותר מחלקים את הדרך למקטעים, שביניהם יש "משחזרים" (Repeaters), מכשירים שנקראים שקוראים את האות ומפיקים אותו מחדש.

משימת החדרת האור לסיבי חד-אופֶן דקיקים הייתה קשה, במיוחד מחוץ למעבדה. לכן השתמשו בתחילת הדרך בסיבים עבים יחסית, בעובי של שערה. הסיבים כללו כמה אופני תנודה שמהירותם דומה הודות למבנה המיוחד של ליבת הסיב. הם העבירו עד 45 מגה-ביט לשנייה, עם משחזרים שהותקנו כל עשרה קילומטרים. אותות חשמליים דרשו שחזור כל קילומטר בודד, כך שהתשתית האופטית הייתה זולה יותר.

פיתוח לייזרים וגלאים בתחום תדרים שיש בו פחות בליעה והתרחבות, אִפשר להכפיל את קצב השידור. בשלב הזה הטכנולוגיה כבר הייתה טובה מספיק לתשתיות הקצרות הפרוסות על הקרקע, אך עדיין לא מספקת לתקשורת על פני אלפי הקילומטרים שכבלים תת-ימיים נדרשים לגשר עליהם. העלות העצומה של תיקון תקלה בלב ים, והצורך לספק הרבה מאוד חשמל להפעלת המערכת מהחוף, חייבו למצוא דרכים להגדיל את המרחק בין המשחזרים.

המרחק הורחב לבסוף על ידי שימוש בסיבי חד-אופֶן ובאורכי גל ארוכים, שבהם בליעת האור מזערית. שיפורים האיכות של הלייזרים ושיפורים במבנה הסיב צמצמו את מידת ההתרחבות של האותות באורכי הגל החדשים הללו. בשנת 1990 כבר הצליחו לשדר באופן קבוע נפח מידע של 10 גיגה-ביט בשנייה בסיב בודד, עם מרחק של 100 ק"מ בין משחזר למשחזר. וברגע שנפרשו מספיק סיבים ברחבי העולם, הטכנולוגיה חגגה את המהפכה השנייה בתולדותיה.

הפעימות מתרחבות עם התקדמותן לאורך הסיב, ונוצרות טעויות בקריאת הנתונים | תרשים: יובל רוזנברג
הפעימות מתרחבות עם התקדמותן לאורך הסיב, ונוצרות טעויות בקריאת הנתונים | תרשים: יובל רוזנברג

מגבירים ערוצים

בשנות ה-80 של המאה העשרים התפתחה אופנה חדשה: חישה מרחוק באמצעות סיבים. השתמשו בה כדי למדוד את הלחץ והטמפרטורה בקרבת הסיבים, להאזין לצוללות גרעיניות ועוד. בעשור הבא הצמיח המחקר על חישה מרחוק עם סיבים את המהפכה הטכנולוגית הבאה בתחום.

החוקרים שילבו בסיבים יסודות נדירים כמו אֵרְבִּיוּם (Er, יסוד מספר 68), שמשמשים בין השאר כחומרים מגבירים בלייזרים. כשהתברר כי היסודות שיפרו את יכולות החישה של הסיבים, החלו לחקור אילו עוד תכונות מעניינות הם יוצרים. כך התגלה שכשאור מתרכז בסיב דק וארוך, הארביום מגביר אותו באופן חסר תקדים.

המגבר האופטי שבנו בתוך הסיב על סמך התגלית הזאת פעל במקביל על כמה אורכי גל שונים שבהם משתמשים בתקשורת האופטית, ושינה את כללי המשחק. עד אז, המשחזרים במערכות התקשורת המירו את האור לחשמל, הגבירו את האות החשמלי ושידרו הלאה אור מחדש באמצעות לייזרים. זה היה תהליך יקר ומסורבל. עתה יכלו להגביר את האור באופן ישיר. מעבר לכדאיות הכלכלית, המגברים האופטיים הזניקו גם את קצב העברת הנתונים.

כדי להעביר יותר מידע בכל סיב מעבירים בו כמה ערוצים במקביל – כל אחד באורך גל שונה. אם נשתמש למשל בעשרה ערוצים, עם עשרה תחומי תדירויות מעט שונים, נכפיל פי עשרה את קצב העברת הנתונים. המגברים האופטיים הגבירו את כל הערוצים יחד, בלי צורך להפריד אותם עד לנקודת היעד. כל זה היה בלתי אפשרי עם מגברים חשמליים.

אך עם הגברת עוצמת האור וכמות הערוצים, גברו גם ההתנגשויות ההרסניות בין רכיבי האור השונים. כדי להפחית את ההתנגשות בין הפעימות בערוצים שונים החלו לחבר סיבים משני סוגים. בסוג אחד, אור בתדירות גבוהה נע מהר יותר מאור בתדירות נמוכה, ואילו בסיב מהסוג השני יחס המהירויות הוא הפוך. וכך, במקום שכל הפעימות ינועו כל הזמן באותה מהירות, כעת הן חולפות לסירוגין זו על פני זו – פעם התדרים הגבוהים מהירים יותר, ופעם התדרים הנמוכים. התאמה טובה של אורכי הסיבים מהסוגים השונים מאפשרת לכל התדירויות לעבור את המרחק  הכולל באותו משך זמן, וכך גם למזער את התרחבות הפעימות. כך, בתוך עשור בלבד, כבר פותחו סיבים אופטיים שמוליכים למעלה ממאתיים ערוצים במקביל. בכל שנייה עברו בסיב כזה יותר מאלף גיגה-ביט, כלומר טרה-ביט שלם.

לגידול המהיר ביכולת העברת הנתונים נלוו חסרונות בלתי צפויים. האינטרנט המסחרי, שזה עתה נולד, גדל באמצע שנות ה-90 בקצב מסחרר. הביקוש לסיבים אופטיים הרקיע שחקים וחברות תקשורת פרשו אינספור סיבים, על סמך תחזיות שימוש מנופחות. מחירי המניות של חברות התקשורת האופטית זינקו.

השיפורים הטכנולוגיים המהירים הכפילו שוב ושוב את קצב העברת הנתונים בסיבים הקיימים, הרבה מעבר לדרוש. העלויות העצומות של הנחת קווי תקשורת חדשים אילצו את החברות ללוות סכומים אדירים ולהניח בכל קו סיבים עודפים לשימוש בעתיד. כשהתחזיות האופטימיות התבדו, ובועת הטלקום התפוצצה, ערך המניות של החברות צנח בבת אחת התוצאה: גל פיטורים ופשיטות רגל. על הבזבוז העצום מעידה העובדה שפחות מעשירית מהסיבים האופטיים בארצות הברית היו בשימוש בתקופה הזאת. השאר נותרו חשוכים.

רשת תקשורת המפצלת את האותות לפי תדרים | צילום: Flegere, Shutterstock
שידור כמה ערוצים על אורכי גל שונים הגדיל במידה ניכרת את קצב הנתונים. רשת תקשורת המפצלת את האותות לפי תדרים | צילום: Flegere, Shutterstock

העתיד כבר כאן

בצל המשבר החמור, הביקוש לתקשורת אופטית המשיך לצמוח, ועימו צצו טכנולוגיות חדשות. טלפונים חכמים, שידורי סרטים בסטרימינג ומגוון שירותים אחרים דורשים כמויות מידע חסרות תקדים, שרק גדלות והולכות. לייזרים משופרים וטכניקות גילוי חדישות מאפשרים לקודד יותר מידע על כל אות. אך ההתנגשות בין האותות המוגברים מגבילה את קצב העברת הנתונים המרבי בסיב חד-אופֶן בודד לכ-200 טרה-ביט לשנייה. יש מערכות שכבר קרובות לגבול הזה.

שידור אותות כה רבים דורש אנרגיה רבה. צריכת האנרגיה של האינטרנט עלולה לגדול עד העשור הבא לכדי חמישית מצריכת האנרגיה העולמית – כיום היא עומדת על אחוזים אחדים בלבד. מעבר לעלות הגבוהה, זלילת האנרגיה הזאת פולטת גזי חממה שמאיצים את שינויי האקלים העולמי. לכן מוקדשים כיום מאמצים רבים לשיפור ניצול האנרגיה של השידורים ולמעבר לסיבים עם קצב העברת נתונים גבוה יותר.

סיבים בעלי ליבות רבות, לדוגמה, פועלים כמו צבר של כמה סיבים נפרדים, אך המרחק הזעיר ביניהם מאפשר למגבר יחיד להגביר את כל האותות במקביל, וכך לחסוך הרבה אנרגיה. רעיונות דומים מנצלים סיבים בעלי כמה אופני תנודה שונים, שגם הם מגדילים מאוד את כמות הערוצים. בנוסף, ייתכן שסיבים מסוג חדש, שמוליכים את האור בליבה חלולה במקום זכוכית, יאפשרו בקרוב להעביר מידע רב יותר, מהר יותר, ועם פחות בליעה בכל ערוץ.

השיפור המדעי והטכנולוגי המתמיד אִפשר תקשורת אופטית מסחרית כבר בשנות ה-80. מאז, תוך ארבעים שנה בלבד, קצב העברת הנתונים הוכפל פי מיליון. כיום, העולם מרושת בסיבים אופטיים רבים מספור, והפיתוחים הטכנולוגיים ממשיכים בקצב שיא.

עם זאת, יש מקומות בעולם שהסיבים עדיין לא מגיעים אליהם. רק מחצית מאוכלוסיית העולם מחוברת לאינטרנט, בעיקר עקב פערים כלכליים. אתגר נוסף הוא חיבור "הקילומטר האחרון" שמפריד בין מרכזי התקשורת אלינו, הצרכנים הפרטיים. רוב הבתים עדיין מחוברים לאינטרנט בכבלים חשמליים, ולא בסיבים. הירידה המתמדת בעלות הייצור והאחזקה של המכשור האופטי מאפשרת לחבר בהדרגה גם בתים פרטיים – תהליך שנמצא בעיצומו גם בארץ.

פתרון נוסף לבעיית חיבורי הקצה טמון באינטרנט האלחוטי. אנטנות הסלולר משתמשות בגלי המיקרו, שבשנות ה-50 שימשו את קווי התקשורת הראשיים. טכנולוגיית ה-G5 צפויה להחליף אותן, ולנצל את גלי המילימטר לשידור למרחקים קצרים. אלו אותם הגלים שהפסידו במירוץ מול הסיבים האופטיים בשנות ה-70. נראה שעדיין צפויות הפתעות בדרך לשיאי מהירות חדשים.

 
https://davidson.weizmann.ac.il/programs/light_course
 

12 תגובות

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    כמובן, בשמחה :)

    כמובן, בשמחה :)
    פעימות מהערוצים השונים עשויות להגיב אחת עם השניה במה שנקרא ״אינטראקציה לא לינארית״. ככל שהעצמה שלהן רבה יותר, וששתי הפעימות מגיבות זו עם זו למשך זמן רב יותר, כך האינטראקציה ביניהם פוגעת יותר באותות המועברים.
    לכן, הגישה של להשתמש בסיב בו אור בכל התדירויות המשודרות נע כמעט באותה המהירות היא בעייתית לאינטראקציות האלו, למרות שהיא טובה לצמצום התרחבות הפעימות (כלומר שימוש בסיב עם דיספרסיה מאוד נמוכה טוב נגד התרחבות האותות, אבל מגביר את האינטראקציה ההרסנית ביניהם. זה בעייתי בעיקר אם עצמת האותות היא חזקה, כפי שקורה כשמוסיפים הרבה ערוצים ומגבירים אותם מאוד כדי שיגיעו רחוק ועדיין ניתן יהיה לגלות אותם).
    צריך לטפל בשתי הבעיות האלו גם יחד - מצד אחד שהפעימות יגיבו פחות אחת עם השניה, ומצד שני שהאותות לא יתרחבו בגלל דיספרסיה.
    נקודת המוצא היא להשתמש בסיבים בהם הדיספרסיה יחסית גדולה, כך שצבעים שונים נעים במהירות שונה, ולכן הערוצים השונים חולפים זה על גבי זה, והפעימות שלהם לא מגיבות אחת עם השניה למשך זמן רב.
    אחרי שהאותות נעים בסיב כזה, הם מתרחבים וצריך לתקן את ההתרחבות הזו (בגלל שרכיבי האור בעלי צבע/תדירות שונה בכל פעימה נעים בעצמם במהירויות שונות). דרך אחת היא על ידי העברת האותות בסיב נוסף, בו יחס המהירויות (הדיספרסיה) הוא הפוך - התדירויות שנעו מהר יותר בסיב הראשון, ינועו לאט יותר בסיב השני, כך שבסופו של דבר כל רכיבי האור המרכיבים את הפעימה יגיעו יחד אל הגלאי בקצה הסיבים, ולא תהיה התרחבות. גם בסיב הזה הפעימות חולפות אחת על גבי השניה, ולכן האינטראקציה ביניהן חלשה.
    בפועל, לעיתים לא מספיק להשתמש רק בסיב אחד מכל סוג, ומשתמשים בהרבה ״זוגות סיבים״ כאלו, עם הרבה תחכום.

  • מישהו

    כתבה מעולה, שפכת אור על הנושא ;)

    אפשר בבקשה הסבר נוסף לשורות הללו?
    "כדי להפחית את ההתנגשות בין הפעימות בערוצים שונים החלו לחבר סיבים משני סוגים. בסוג אחד, אור בתדירות גבוהה נע מהר יותר מאור בתדירות נמוכה, ואילו בסיב מהסוג השני יחס המהירויות הוא הפוך. וכך, במקום שכל הפעימות ינועו כל הזמן באותה מהירות, כעת הן חולפות לסירוגין זו על פני זו – פעם התדרים הגבוהים מהירים יותר, ופעם התדרים הנמוכים. התאמה טובה של אורכי הסיבים מהסוגים השונים מאפשרת לכל התדירויות לעבור את המרחק הכולל באותו משך זמן, וכך גם למזער את התרחבות הפעימות."
    תודה!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    כמובן, בשמחה :)

    כמובן, בשמחה :)
    פעימות מהערוצים השונים עשויות להגיב אחת עם השניה במה שנקרא ״אינטראקציה לא לינארית״. ככל שהעצמה שלהן רבה יותר, וששתי הפעימות מגיבות זו עם זו למשך זמן רב יותר, כך האינטראקציה ביניהם פוגעת יותר באותות המועברים.
    לכן, הגישה של להשתמש בסיב בו אור בכל התדירויות המשודרות נע כמעט באותה המהירות היא בעייתית לאינטראקציות האלו, למרות שהיא טובה לצמצום התרחבות הפעימות (כלומר שימוש בסיב עם דיספרסיה מאוד נמוכה טוב נגד התרחבות האותות, אבל מגביר את האינטראקציה ההרסנית ביניהם. זה בעייתי בעיקר אם עצמת האותות היא חזקה, כפי שקורה כשמוסיפים הרבה ערוצים ומגבירים אותם מאוד כדי שיגיעו רחוק ועדיין ניתן יהיה לגלות אותם).
    צריך לטפל בשתי הבעיות האלו גם יחד - מצד אחד שהפעימות יגיבו פחות אחת עם השניה, ומצד שני שהאותות לא יתרחבו בגלל דיספרסיה.
    נקודת המוצא היא להשתמש בסיבים בהם הדיספרסיה יחסית גדולה, כך שצבעים שונים נעים במהירות שונה, ולכן הערוצים השונים חולפים זה על גבי זה, והפעימות שלהם לא מגיבות אחת עם השניה למשך זמן רב.
    אחרי שהאותות נעים בסיב כזה, הם מתרחבים וצריך לתקן את ההתרחבות הזו (בגלל שרכיבי האור בעלי צבע/תדירות שונה בכל פעימה נעים בעצמם במהירויות שונות). דרך אחת היא על ידי העברת האותות בסיב נוסף, בו יחס המהירויות (הדיספרסיה) הוא הפוך - התדירויות שנעו מהר יותר בסיב הראשון, ינועו לאט יותר בסיב השני, כך שבסופו של דבר כל רכיבי האור המרכיבים את הפעימה יגיעו יחד אל הגלאי בקצה הסיבים, ולא תהיה התרחבות. גם בסיב הזה הפעימות חולפות אחת על גבי השניה, ולכן האינטראקציה ביניהן חלשה.
    בפועל, לעיתים לא מספיק להשתמש רק בסיב אחד מכל סוג, ומשתמשים בהרבה ״זוגות סיבים״ כאלו, עם הרבה תחכום.

  • יובב

    תקשורת התלויה בשינוי פנימיותנו

    זוית מעט שונה (טוב אולי יותר ממעט על התפתחות, תיקשורת ואור).
    התקשורת התפתחה כתיקשורת בעל פה, המשיכה על ידי המצאת הכתב, הדפוס, אמצעי תקשורת וכיום בצורה רישתית.
    איזו מגמה נוכל לראות בהתפתחות זו? מתקשורת אישית לתקשורת כללית, מתקשורת כללית לתקשורת בה המידע עובר להמונים בזמן אמת. הפכנו לכפר גלובלי, לחיוב ולשלילה.
    מה עשויה להיות צורת התקשורת הבאה?
    לשם כך נצטרך ללכת אחורה בזמן, למה שמכונה המפץ הגדול והדרך או התהליך ההיסטורי שהתרחש עד למאה ה 21.
    מתוך המידע הרב שקיבלנו מהמדע, יש נתון אחד ששווה להתעכב עליו: לפני כמעט 14 מליארד שנה היקום היה שונה, לא היו גלקסיות, לא כוכבים ולא כוכבי לכת. רק גז מיימן ומעט הליום.
    לעומת זאת, אם תסתכלו על עצמכם אתם עשויים מפחמן, חמצן, חנקן וזרחן.
    איך הכול השתנה?
    הכוכבים, אותם כדורי ענק של גז ומיימן ייצרו בליבתם חום של מיליוני מעלות שיוצרים היתוך גרעיני, כל כוכב בסופו גווע וכל האטומים והיסודות שהוא יצר מתפזרים לחלל.
    אנחנו בעצם אבק של כוכבים. זה מדע ולא מחשבה פילוסופית.
    אותם יסודות ניטעו בתוכנו, מה שמביא להשלכה כי לא רק שאנחנו נמצאים ביקום אלא שהיקום נמצא בתוכנו.
    אז איך כל זה קשור לצורת התקשורת הבאה?
    כל מה שאנו רואים בחוץ, צמחים בעלי חיים, צורות שונות של בני אדם אלו דפוסים שונים של מולקולות או אטומים.
    אותם אטומים שמהם אנו בנויים, יצרו לא רק את העצמות העור והאברים שלנו אלא דבר אחד נוסף: רצון. מהות הרצון שלנו. אותה מהות היא זו הקובעת את המחשבות שלנו, המעשים והפעולות שלנו. מדוע לכל אחד מאתנו דפוס של רצון ייחודי משלו? זו שאלה בפני עצמה הקשורה למצב שהיה קיים טרם המפץ הגדול.
    אבל למה זה חשוב? למה ניסתר בכל האינפורמציה הרבה הזו רמז למה שהאנושות עתידה לגלות?
    זה קשור לשינוי פרודות הרצון שלנו.
    כמו הזכוכית שרק היה צריך לזכך אותה על מנת שלא תעכב את העברת האור. כך גם אנחנו. אנחנו הם אלו שצריכים לעבור תהליך על הפנימיות שלנו. על אותם פרודות של רצון הקיימות בתוכנו.
    תהליך שבסופו אותה מעבדה שעד כה היתה המניפולציה הניסויית על משתנה חיצוני תהפוך להיות לאותו הצופה, הנסיין, החוקר. כלומר אנחנו בעצמנו נהיה אותו התהליך, הרצון שלנו.
    האם מה שנשמע כרגע הזוי עשוי להתקבל אחרת בעוד 20 או 30 שנה?
    אנחנו נמצאים בתקופה מיוחדת שבה נראה כי הצלחנו למצוא פיתרון לנגיף הקורונה. עוד נגלה כי הטבע איננו אקראי אלא שלכל המהפכות והפרדיגמות התלווה נדבח נוסף שעדיין לא גילינו, חלק שעדיין איננו מסוגלים לתפוס בכלים הנוכחיים שלנו. אותו חלק שפיספסנו נקרא: מחשבה. מחשבת הבריאה. מפץ? כן. אבולוציה וברירה טבעית? גם כן. אך נגלה כי קיימת תכליתיות בטבע.
    לטבע יש חוקים, חלקם גלויים וחלקם עדיין נסתרים לנו.
    ומדוע למרות שהדבר מורגש העולם עדיין לא תפס זאת כהלכה?
    מכיוון שכך פועלים מהלכי ההתפתחות בטבע, שהמצבים הקיימים מקדימים את הבנת העיניינים. ורק אותם המצבים שהאנושות חווה, ידחפו אותה קדימה.
    לאן? לתיקשורת חדשנית שתהיה תלויה בנו, בפנימיותנו.

  • אהרון בוגנים

    מצטרף לעיל

    כתבה מעניינת ומחכימה!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    תודה :)

  • אנונימי

    .

    וואוו, מחכים ממש!!
    אחד הנושאים המעניינים ביותר.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    תודה, כיף לשמוע!

  • אנונימי

    וואוו

    כתבה מדהימה כח הכבוד !

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    תודה רבה!

  • אלון

    מעניין מאוד

    יובל כתבת יפה מאוד ! תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    תודה!