પ્રકાશતંતુ સંદેશાવ્યવહાર (optical fibre communication) — પ્રસરણ અને પ્રસારણ (propagation and broadcasting)

પ્રકાશતંતુ સંદેશાવ્યવહાર (optical fibre communication) — પ્રસરણ અને પ્રસારણ (propagation and broadcasting) : વિજ્ઞાનની પ્રગતિ સાથે સંદેશાવ્યવહાર માટે એક પછી એક વધુ વિકાસ પામેલી સક્ષમ પદ્ધતિઓ. દરેક નવી સંદેશાવ્યવહાર પદ્ધતિના વિકાસ પાછળનો મુખ્ય ઉદ્દેશ સંદેશાસંકેતની તદરૂપતા(fidelity)ની જાળવણી, એક જ તંતુ પર એકસાથે જુદા જુદા વધુ ને વધુ સંદેશા મોકલવાની શક્યતામાં વધારો અને લાંબા અંતરના પ્રસારણમાં પુનરાવર્તકો (repeaters) વચ્ચેના અંતરનો વધારો હોય છે.

હેનરીક હર્ત્ઝે 1887માં મોટી તરંગલંબાઈનાં વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણોની શોધ કરી. 1895માં માર્કોનીએ આ વિકિરણોની રેડિયો દ્વારા પ્રસારણ કરવાની શોધ કરી, સંદેશાવ્યવહારમાં તેનો સૌપ્રથમ ઉપયોગ કર્યો. ત્યારપછીનાં વર્ષોમાં વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણોનો સંદેશાવ્યવહારમાં ઉપયોગ ઘણી ઝડપથી વધ્યો. આવી સંદેશાવ્યવહાર-પદ્ધતિમાં માહિતી સંકેતનું જ્યાવક્રીય વાહક-તરંગ (sinusoidal carrier wave) પર અધ્યારોપણ (modulation) કરીને તેનું પ્રસારણ કરવામાં આવે છે અને તેનું એના નિર્દિષ્ટ સ્થાન પર અવરોપણ (demodulate) કરી તેને ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે. વાહક-તરંગ એકસાથે કેટલી વધુ માહિતીનું પ્રસારણ કરી શકશે તે વાહકતરંગની આવૃત્તિ (frequency) ઉપર આધારિત હોય છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે વાહકતરંગ-આવૃત્તિ જેટલી વધારે તેટલી તેની આવૃત્તિમર્યાદા (band-width) વધારી શકાય અને તેટલો જ માહિતી પ્રસારણની શક્તિમાં વધારો થાય છે. આ કારણે વધુ અને વધુ ઊંચી તરંગ-આવૃત્તિનો ઉપયોગ થઈ શકે તે માટેનું સંશોધન હંમેશાં ચાલુ રહ્યું છે અને માઇક્રોવેવ પદ્ધતિમાં 70 GH_z (70 x 10⁹ H_z) જેટલી ઊંચી તરંગ-આવૃત્તિનો ઉપયોગ થાય છે.

પ્રકાશકિરણો જે વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો જ છે તેની આવૃત્તિ 5 x 10¹⁴ H_z અને તેથી પણ વધારે હોય છે એટલે જો સંદેશાવ્યવહારમાં પ્રકાશનો ઉપયોગ થઈ શકે તો માઇક્રોવેવ કરતાં 10⁵ વધારે સંદેશા (એટલે કે એક ચૅનલમાં એક લાખ જેટલી જુદી-જુદી ટેલિવિઝન ચૅનલ જેટલું) એક જ ચૅનલ પર મોકલી શકાય. તેને માટે સંસક્ત (coherent) પ્રકાશપુંજ અને તેને વહન કરવા શક્તિમાન પ્રકાશતંતુની જરૂર હતી. 1960માં લેસરની શોધ થઈ અને ઈ. સ. 1966માં કાઓ નામના વિજ્ઞાનીએ પરિશુદ્ધ કાચના તંતુઓનો માધ્યમ તરીકે ઉપયોગ કરીને પ્રકાશનું વહન કરવાની પદ્ધતિ વિકસાવી. આમ ધાતુના તારને બદલે પ્રકાશતંતુઓ દ્વારા સંદેશા મોકલવાની ટેક્નૉલોજીની શરૂઆત થઈ.

શરૂઆતમાં બનાવેલા કાચના પ્રકાશતંતુઓમાં એક છેડેથી બીજે છેડે પહોંચતા સંકેતોની શક્તિ(signal strength)માં ઘણો ઘટાડો (loss) થતો માલૂમ પડ્યો. (1000 ડેસિબેલ/કિમી.થી વધુ). આ ઘટાડો કાચના તંતુનાં ઘટક દ્રવ્યોની અશુદ્ધતાને લીધે હોવાનું જણાયું. 1970માં કોરનિન્ગ ગ્લાસ કંપનીએ શુદ્ધ સિલિકાના તંતુઓ બનાવ્યા, જેમાં સંકેતશક્તિનો ઘટાડો ઘણો ઓછો માલૂમ પડ્યો. (20 ડેસિબેલ/કિમી.). આ સંકેતશક્તિનો ઘટાડો તાંબાના તાર દ્વારા સંદેશાવ્યવહાર-પ્રસરણમાં થતા ઘટાડા જેટલો જ હોવાથી પ્રકાશતંતુઓનો સંદેશાવ્યવહારમાં વપરાશ કરવો વ્યાપારી ર્દષ્ટિએ સસ્તો પડશે એમ સિદ્ધ થયું. ટેકનૉલોજીના વિકાસ સાથે આજે ઉપયોગમાં લેવામાં આવતા પ્રકાશતંતુઓમાં 1,550 nm (1 nm નેનોમીટર = 10^–9 મીટર) તરંગલંબાઈ(પારરક્ત)ના પ્રકાશ માટે આ સંકેતશક્તિનો ઘટાડો 0.16 ડેસિબેલ/કિમી. જેટલો ઓછો થઈ શક્યો છે.

સંદેશાવ્યવહારમાં વપરાતા આધુનિક અત્યંત બારીક પ્રકાશતંતુની જાડાઈ (વ્યાસ) 4–થી 10 μm (0.004થી 0.01 મિમી.) હોય છે. આવા બારીક તંતુઓને ભેગા કરીને પ્રકાશવાહી દોરડાં (cables) બનાવવામાં આવે છે. આ તંતુઓ પરિશુદ્ધ સિલિકા કાચમાંથી બનાવવામાં આવે છે અને એમાં જરૂરિયાત પ્રમાણેના પ્રકાશવહનના ગુણધર્મ મેળવવા જરમેનિયમ અને ફૉસ્ફરસ પણ ભેળવવામાં આવે છે. આ તંતુઓમાં પ્રકાશનું વહન પૂર્ણ આંતરિક પરાવર્તનના સિદ્ધાંતને આધારિત હોય છે. કેન્દ્રમાંના ગોળ સળિયાના આકારના પ્રકાશતંતુને તેનાથી ઓછા વક્રીભવનાંકના પદાર્થ વડે આવરી લેવામાં આવે છે (cladding) અને તેના પર રબર કે પૉલિએથિલીન જેવા પ્રકાશ-પ્રતિબંધક પદાર્થનું સંરક્ષક આવરણ કરવામાં આવે છે. મધ્યના પ્રકાશતંતુમાં વક્રીભવનાંક કેન્દ્રથી બહારની બાજુ જતાં (radialy) કેવી રીતે બદલાય છે તેને આધારિત જુદા જુદા પ્રકારના પ્રકાશતંતુઓ વપરાશમાં લેવાય છે.

જે પ્રકાશતંતુનો વક્રીભવનાંક બધે જ એકસરખો હોય છે અને પ્રકાશતંતુની બહારની સપાટી જ્યાં ક્લૅડિન્ગની સપાટીને મળે છે ત્યાં એકદમ પગથિયાની માફક તે ઘટે છે. તેને ‘સ્ટેપ ઇન્ડેક્ષ’ તંતુ કહેવામાં આવે છે. બીજા પ્રકારના પ્રકાશતંતુઓમાં વક્રીભવનાંકનો ફેરફાર મધ્યરેખાથી ત્રિજ્યાની ક્લૅડિન્ગ તરફની દિશાના અંતરને આધારિત વિધેય પ્રમાણે (as a function of the radial distance) ઘટતો હોય છે. તેને ‘ગ્રેડેડ-ઇન્ડેક્ષ’ તંતુ કહેવામાં આવે  છે. આ બંને પ્રકારના તંતુઓમાં પ્રકાશકિરણનું પ્રસારણ એક કે એકથી વધારે સ્થાયી તરંગરૂપો(multi-modes)માં થાય છે. તે ગુણધર્મ પ્રમાણે તેનું બે જુદા વર્ગો ‘સિંગલ-મોડ’ અને ‘મલ્ટિ-મોડ’માં વિભાજન કરવામાં આવે છે.

સિંગલ-મોડ સ્ટેપ-ઇન્ડેક્ષ તંતુ ઘણા પાતળા હોય છે અને આ તંતુમાં પ્રકાશનું પ્રસરણ એક જ સ્થાયી તરંગ રૂપે થાય છે. આથી પ્રકાશની તીવ્રતા અંતર સાથે બહુ ઘટતી નથી. આવા તંતુ લાંબા અંતરની સંચાર-વ્યવસ્થા માટે વપરાય છે. આવા તંતુમાં સંકેત મોકલવા વપરાતું પ્રકાશબિંબ ઘણું શક્તિશાળી હોવું જરૂરી હોવાથી લેસરનો ઉપયોગ કરવો પડે છે.

પ્રકાશતંતુ દ્વારા સંદેશાપ્રસારણની તંત્રવ્યવસ્થાને ધાતુના તાર દ્વારા થતા સંદેશા-પ્રસારણ સાથે સરખાવતાં બંને વચ્ચે ઘણું સામ્ય જણાય છે. ધાતુના તારને માધ્યમ તરીકે વાપરતા ટેલિફોન તંત્રમાં પ્રથમ ધ્વનિસંકેતનું વિદ્યુતપ્રવાહમાં રૂપાંતર થાય છે અને એ વિદ્યુતપ્રવાહને એક સ્થાનેથી બીજે સ્થાને મોકલી ત્યાં વિદ્યુતપ્રવાહનું પુન: ધ્વનિસંકેતમાં રૂપાંતર કરવામાં આવે છે. પ્રકાશવાહી  તંતુઓની સંદેશાવ્યવહાર-વ્યવસ્થામાં ધ્વનિસંકેતનું પ્રકાશસંકેતોમાં રૂપાંતર થાય છે અને આ પ્રકાશસંકેતોને તંતુઓ દ્વારા બીજા સ્થાન પર મોકલી ત્યાં પ્રકાશસંકેતોનું પુન:ધ્વનિ-સંકેતમાં રૂપાંતર થાય છે. પ્રકાશવાહી તંતુઓના માધ્યમ દ્વારા સંચારવ્યવસ્થાની રૂપરેખા નીચેના ચિત્રમાં સમજાવી છે.

પ્રકાશતંતુ દ્વારા સંદેશાવ્યવહારતંત્રમાં લેસરનો ઉપયોગ ઘણો મહત્વનો છે. લેસરની મદદથી અત્યંત સુરેખ, સુસંબદ્ધ અને સંકેન્દ્રિત પ્રકાશપુંજ મેળવી શકાય છે. આ તંત્રના વિકાસમાં, પારરક્ત તરંગ-લંબાઈના અર્ધવાહક લેસર, પ્રકાશચાલકીય કળ (switch) અને પ્રકાશ-ડાયોડ જેવાં સાધનોએ અગત્યનો ભાગ ભજવ્યો છે. ઘણા લાંબા અંતરની સંચારવ્યવસ્થામાં થોડે થોડે અંતરે પુનરાવર્તકનો પણ ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

ધાતુના તારનાં પરંપરાગત તંત્ર અને માઇક્રોવેવ તંત્ર કરતાં પ્રકાશતંતુ-આધારિત સંદેશાવ્યવહારતંત્રમાં માહિતીસંચારની ઘણી વધુ ક્ષમતા (very high information carrying capacity) ઉપરાંત બીજા ઘણા અગત્યના લાભ છે. પ્રકાશતંતુ કાચના બનેલા હોય છે અને કાચ વિદ્યુતરોધક (insulator) હોવાથી બે તંતુ વચ્ચે અપ્રાસંગિક સિગ્નલ યુગ્મન (cross talk coupling) જેવી વિદ્યુતચુંબકીય અડચણો બિલકુલ થતી નથી. ધાતુના તંતુના દોરડામાંથી વિદ્યુતચુંબકીય શક્તિ ચૂઈ (leaks) શકે છે, જેને લીધે ગુપ્તતા જાળવી શકાતી નથી. પ્રકાશતંતુના દોરડામાંથી પ્રકાશ ચૂઈ શકતો નથી. એટલે આ તંત્ર જ્યાં ગુપ્તતાની જાળવણી ઘણી અગત્યની હોય છે ત્યાં ઘણું જ ઉપયોગી છે. આ જ કારણે જ્યારે ગાજવીજ સાથે વીજળીક તોફાન (thunder-storm) હોય છે તે વખતે આ તંત્રમાં બિલકુલ ખલેલ (static disturbances) પડતી નથી. પ્રકાશતંતુ-આધારિત સંચારતંત્રનું સહુથી મહત્વનું જમા પાસું તે તેના ઉપયોગ બાદ ઝડપથી ખૂટતા જતા અને વધુ ખર્ચાળ બનતા તાંબાના જથ્થાની અને તેને લગતાં બીજાં દ્રવ્યોની વપરાશમાં બચત કરી શકાય છે તે છે.

આજથી લગભગ પંદરેક વર્ષ પહેલાં પુણે ખાતે બે ટેલિફોન એક્સચેન્જને પ્રકાશતંતુ-આધારિત સંચારતંત્ર દ્વારા પ્રાયોગિક ધોરણે જોડવામાં આવ્યાં હતાં. હવે ભારતમાં ઘણે સ્થળે પ્રકાશીય તંતુની સંચાર-વ્યવસ્થા દ્વારા ટેલિફોન સેવાઓ શરૂ કરવામાં આવી છે.(જુઓ : ‘તંતુ પ્રકાશિકી’, ગુજરાતી વિશ્વકોશ, ખંડ 8).

પ્રફુલ્લ દ. ભાવસાર