خامساً: الاتصالات البصرية

ظلت الإشارة الهاتفية تنتقل عبر الأسلاك النحاسية كتيار كهربي ضعيف في صورة فيض من الإلكترونات، إلى أن حدثت النقلة النوعية باختراع الألياف البصرية، التي يسري بداخلها شعاع الليزر حاملا الرسائل  المراد نقلها. وبذلك حل تيار الفوتون (جسيمات الضوء) الواهن الخافت النقي، بدلاً عن تيار الإلكترون المعرض للتشويش والضوضاء. وتحولت شبكات الاتصالات إلى شبكات نظيفة، ذات سعة هائلة، تصل إلى ١٠ آلاف ضعف تلك الشبكات التقليدية. وهكذا، انتقل العبء في صناعة الكوابل من مناجم النحاس، التي أوشكت على النضوب، إلى كثبان الرمال الممتدة، التي تصنع منها ألياف الزجاج البصرية، وهو ما يؤكد الحكمة القائلة إنه لا حل لمحدودية الموارد الطبيعية، إلا عدم محدودية قدرة الإنسان على ابتكار الحلول لما يواجهه من مشاكل.

في بعض تطبيقات الألياف البصرية تربط شبكة خلوية المستخدمين (أنظر شكل اتصال بين هاتف وسيارة) من طريق أدوات وصل راديوية، بمواقع الخلايا في الأبراج، التي تكون، عادة، على بعد بضعة كيلومترات قليلة عن بعضها بعضاً. وتَستخدم مواقع الخلايا المتجاورة ترددات مختلفة لتجنب التداخل. وتوصل مواقع الخلايا عن طريق كوابل الألياف البصرية بمقسم للهواتف المتنقلة، الذي يتصل بدوره بمقسم عام للخدمات الهاتفية، ويتم عن طريقه تحويل المكالمات إلى أي مكان في العالم عبر وصلات قمر صناعي، أو وصلات كبلية، أو موجات ميكرووية.

واجهت تقنية الألياف البصرية، في البداية، عدة عقبات اقتصادية وفنية، حالت دون سرعة انتشارها في شبكات الاتصال الهاتفي؛ إلا أنه مع انتشار أساليب التقنية الرقمية برزت ميزة هذا التقنية؛ فأشعة الليزر ستسري في جوف الأرض، وتحت مياه المحيطات، وعبر الفضاء، لتنقل الصوت والصورة والنصوص والأرقام. فقد أضاء شعاع الليزر الطريق أمام ثورة حقيقية في عالم الاتصالات، حيث وفر سرعة هائلة لتبادل المعلومات، تكفي لنقل مضمون نحو خمسمائة كتاب في الثانية الواحدة. ودائرة واحدة من الألياف الزجاجية يمكن أن تنقل ٥٠ ألف مكالمة هاتفية.

تمتاز خطوط الألياف البصرية عن الخطوط المزدوجة النحاسية أو الكوابل المحورية بعدة نواح، أهمها أن الألياف البصرية تستطيع حمل بيانات بسرعة أكبر بكثير. وترسَل الإشارات بواسطة إضاءة حزمة ليزر عبر الليف البصري. وبسبب الخواص البصرية لليف، يستطيع الضوء أن يتبع الانحناءات والالتواءات في الليف، وأن يخرج من الطرف الآخر. ويُشغّل الليزر ويطفأ بمعدل بلايين المرات في الثانية، مولداً مجموعة من النبضات الضوئية التي ترسل خلال الليف، ثم تحوّل مجدداً عند طرف الاستقبال إلى إشارة كهربائية. وكما هي الحال في أيّ بنية تحتية، فإن تركيب شبكة تربط عدداً كبيراً من الأماكن أمر مكلف جداً. وإحدى الطرق المتّبعة لتقليل التكلفة هي استخدام ليف ضوئي واحد يخدم تجمّعا من الأماكن، بدلا من استخدام ليف لكل مكان على حدة.

ومنذ عام 1975، أخذت تقنية الاتصالات التي تستخدم الأمواج الضوئية، تتقدم بكل المقاييس، وبخطى سريعة للغاية. وتطورت هذه التقنية نتيجة الجهد الدؤوب لعلماء ابتكروا منظومات تنقل معلومات أكثر، بسرعات أعلى، عبر مسافات أطول. ولا بد أن تُثْبِت المنظومات المبتكرة أيضا أنها عملية وذات تكلفة مجدية. ووضع الباحثون خمسة أجيال من منظومات الاتصالات بالأمواج الضوئية في الخدمة، يمثل كل منها تقدماً رئيسياً لهذه التقنية.

عندما ظهرت منظومات الجيل الأول من الاتصالات بالأمواج الضوئية، كان في استطاعتها نقل معلومات أكثر بكثير مما كانت تستطيعه المنظومات، التي تنقل إشارات كهربائية عبر الأسلاك النحاسية. وتتألف منظومات الجيل الأول، والمنظومات التي تلتها، من مكونات أساسية واحدة، هي: أدوات تكويد encoding وكسر التكويد، مُرْسِل، ألياف من السيليكا، معيدات تضخيم، ومُسْتَقْبِل. وتتولى أدوات التكويد، أولاً، تحويل المعلومات إلى إشارة كهربائية، وبعدها يحول المرسل هذه الإشارة إلى ضوء.

في جميع أجيال منظومات الأمواج الضوئية، يُنقَل الضوء الصادر عن المُرسِل عبر ليف مصنوع من زجاج السيليكا. ويتألف هذا الليف من لُبّ core ينقل الضوء، ومن كساء cladding يوجّه الضوء عبر اللب. وعندما تنتقل الإشارة الضوئية عبر الليف، فإنها تتواهن ويزداد عرضها. وتتشتت الإشارة، جزئيا، لأن الإشعاعات ذات الترددات المختلفة تنتشر بسرعات مختلفة عبر اللب. وتضعف الإشارة إلى حد كبير لأن العيوب أو الشوائب في الزجاج تمتص الضوء أو تُبَعْثِره.

يمكن للمنظومة أن تعوِّض الوَهَن بواسطة معيدات التضخيم، حيث توضع هذه الأدوات بين أطوال من الليف لكشف الإشارة، وتضخيمها، وإعادة إصدارها. وتصل الإشارة إلى المُستقبِل، الذي يعيد تحويل الضوء إلى إشارة كهربائية. وأخيرا تحوِّل أداة كسر التكويد الإشارات الكهربائية إلى شكل يستطيع الهاتف أو الحاسب تفسيره.

ويعتمد نجاح أي جيل من أجيال منظومات الاتصالات بالأمواج الضوئية اعتمادا كلياً، على كمية المعلومات التي يمكن إرسالها عبر المنظومة خلال ثانية واحدة، وعلى المسافة التي يمكن أن تقطعها الإشارة عبر الليف، قبل أن يصير تجديدها ضروريا. وبحلول عام 1978، صار بالإمكان نقل بليون بِايت كل ثانية عبر نظام اتصالات لمسافة 10 كم. وخلال الأعوام الثلاثة التي تلت، ومع ظهور الجيل الثاني، حسَّن العلماء التقنية عبر تصغير قياس لب الليف ما يجبر الإشارات الضوئية على الانتقال بسرعة منتظمة، تقريبا. وأدى هذا التقدم إلى خفض التشتت، إلى حد كبير، ثم طوّروا مرسِلات ومستقبِلات يمكنها التعامل مع ضوء طول موجته 1.3 ميكرون. وأدى هذا التغيير إلى خفض الوهن لأن زجاج السيليكا هو أكثر شفافية عند طول موجة 1.3 ميكرون منه عند 0.87 ميكرون.

وفي عام 1982، بدأ الجيل الثالث بالظهور عندما طور الباحثون تقنيات تصنيع أدت إلى زيادة نقاء زجاج السيليكا. وهكذا، عزز العلماء، بشكل كبير، شفافية الألياف ضمن مجال للأطوال الموجية من 1.2 إلى 1.6 ميكرون. ومع حلول عام 1984، اعتقد العديد من الباحثين أن التصميم الأساسي لمنظومات الاتصالات بالأمواج الضوئية قد اكتمل؛ ولكنهم فوجئوا بظهور الجيليْن الرابع والخامس من المنظومات، نتيجة جهد مشترك لمجموعة من العلماء كانت تعمل في مشروعات مستقبلية لابتكار أدوات غير مألوفة.