ஒளிநார் வடத்தில் மின்தகவல் தொடர்புகள் (Fibre Optics Communications)

This entry is part [part not set] of 40 in the series 20050630_Issue

சி. ஜெயபாரதன் B.E.(Hons) P.Eng (Nuclear), கனடா


எழுபசும் பொற்சுடர் எங்கணும் பரவி,

எழுந்து விளங்கிய தறிவெனும் இரவி!

பரிதியின் பேரொளி வானிடைக் கண்டோம்!

நீ ஒளி, நீ சுடர், நீ கனல், நீ காட்சி!

ஒளிக்கும் வெம்மைக்கும் எவ்வகை உறவு ?

மகாகவி பாரதியார்.

முன்னுரை: பாரதியார் ஒளிக்கும், வெப்பத்துக்கும் எவ்வகை உறவு என்ற வினாவை எழுப்பினார். இந்தக் கட்டுரையில் ஒளிக்கும் அலைக்கும் உள்ள உறவைக் காணப் போகிறோம். மின்தகவலை ஒளியலை மூலம் நீண்ட தூரத்துக்கு அனுப்ப இயலும் பொறி நுணுக்கம் பற்றி அறியப் போகிறோம். பல்லாயிரம் ஆண்டுகளாக பரிதியின் ஒளி நேர் நோக்குத் தொடர்புக்குக் [Line of Sight] கையாளப்பட்டு வந்திருப்பதை நாம் அறிந்திருக்கிறோம். ஒளியை ஊடுறுவும் பண்டத்தில் புகுத்தி வளைத்து அனுப்ப முடியும் என்பதை நிபுணர் ஒருவர் கண்டிருக்கிறார். 1854 ஆம் ஆண்டில் ஐரிஸ் நாட்டைச் சேர்ந்த பிரிட்டிஷ் விஞ்ஞானி ஜான் டின்டால் [John Tyndall (1820-1893)] பரிதியின் ஒளியை வளைவு நீரோட்டத்தில் கடத்த முடியும் [Sun light can be guided by a curved flow of water] என்று முதன் முதலில் கண்டுபிடித்தார்! அடுத்து 1880 ஆம் ஆண்டில் அலெக்ஸாண்டர் கிரஹாம் பெல் வாயுரையை மாற்றும் ஒளிக் கற்றையைப் [Voice Modulated Light Beam] பயன்படுத்தித் தனது ஒளிநார்த் தொலைபேசியைத் [Photophone] தயாரித்தார்.

1960 ஆண்டுகளில் தகவலைத் தாங்கிச் செல்ல ஒளியைப் பயன்படுத்தும் நுணுக்க முறைகள் மீது விஞ்ஞானப் பொறியியல் வல்லுநருக்கு ஆர்வம் வளர்ந்தது! அப்போதுதான் லேஸர் சாதனத்தைத் [Laser] தியோடர் மெய்மான் [Theodore Maiman] படைத்து அதன் புதிய பயன்பாடுகள் தலைதூக்க ஆரம்பித்தன! 1972 இல் அமெரிக்காவின் கார்னிங் கண்ணாடித் தொழிலகம் [Corning Glass Company] ஆடி ஒளிநார்களைத் [Fibre Glass] தயாரித்தது. 1976 ஆம் ஆண்டிலிருந்து வர்த்தக ஒளிநார்த் தொடர்புத்துறை [Commercial Fibre Optical System] இயங்கத் தொடங்கியது. இந்தியாவில் பிறந்து ஆக்ரா கல்லூரியில் படித்து, இங்கிலாந்தில் பெளதிக விஞ்ஞானத்தில் டாக்டர் பட்டம் பெற்று, அமெரிக்காவில் 45 ஆண்டுகள் ஆய்வுகள் செய்து ஒளிநார்த் தொடர்பை ஏற்படுத்திய டாக்டர் நரீந்தர் சிங் கபானி [Dr. Narinder Singh Kapany] என்பவர்தான் ‘ஒளிநார்த் தொடர்பின் பிதா ‘ [Father of Fibre Optics] என்று உலகெங்கும் தற்போது பாராட்டப்படுகிறார்.

ஒளிநார்த் தகவல் போக்கு என்பது என்ன ?

இருபதாம் நூற்றாண்டின் இறுதிக் காலத்தில் (1970 ஆண்டுகளில்) கண்ணாடி நார்கள் [Fibres] மூலமாக ஒளி கடத்திச் செல்லும் தகவல் நுணுக்கமே, ஒளிநார்த் தகவல் [Fibre Optics] என்று குறிப்பிடப் படுகிறது. நேரான கோட்டில் செல்லும் ஒளியானது, கண்ணாடி நார்களின் மூலமாகக் கடத்தப்படும் போது, வளைந்து செல்கிறது! ஒளி நுழையும் கண்ணாடி நார்கள் அல்லது பிளாஸ்டிக் நார்கள் [Transparent Fibre Glass or Plastic] ஆகியவற்றின் முழு நீளத்திலும் ஒளியலை செல்கிறது! வளைந்து செல்லும் நார்களில் ஒளியானது உட்புறம் எதிர்ப்பட்டுத் திரும்பி [By Internal Reflections] தகவல், வாயுரை, இலக்கக் கூறுகள், நிறப்படங்கள் [Message, Voice, Data & Images] போன்றவற்றைக் கடத்தி அனுப்புகிறது! முதன்முதலாக 1930 இல் நுண்ணிய கண்ணாடி நார்கள் திரிக்கப்பட்டு, சேர்ந்து கட்டு வடமாக உருட்டப்பட்டன.

ஆனால் 1970 ஆண்டில்தான் தூய்மையான ஒளிநார்களைத் திரித்துக் தயாரிக்க முடிந்தது. ஒளிநார் தகவல் துறை உதயமாவற்கு உதவிய மற்ற சாதனங்கள், 1980 இல் விருத்தியான பாதிக்-கடத்தி ஒளி சுரப்பிகள், உளவிகள் [Semi-conductor Light Sources & Detectors] போன்றவை. தாமிரக் கம்பி வழியாகத் தகவல் அனுப்பும் நெடுந்தூரத் தொலைபேசி ஏற்பாடுகள், ஏறக்குறைய நீக்க மடைந்து இப்போது ஒளிநார்த் தொடர்புத் துறைகளால் நிரப்பப்பட்டு வருகின்றன! இருபதாம் நூற்றாண்டின் முடிவில் தோன்றி, ஆல விழுதுகளாய் விரிந்து செல்லும் ‘உட்தள வலைக் கோப்பு ‘ [Local Area Network (LAN)] அமைப்புகளில் உள்ள மின்கணனிகளை இணைக்கும் வடமாக ஒளிநார்த் தொடர்புகள் பயன்பட்டு வருகின்றன. முன்பு பயன்பட்ட மின்னோட்ட சமிக்கை முறைக்குப் பதிலாகத் தற்போது உட்தள வலைக் கோப்புகளில் ‘ஒளியிலக்கத் துடிப்புகள் ‘ [Digitized Light Pulses] தகவலைத் தாங்கிச் செல்கின்றன!

ஒளிநார் விஞ்ஞானத்தின் அடிப்படை நியதி, ‘ஸ்னெல்ஸ் விதி ‘ எனப்படுவது. ஸ்னெல்ஸ் விதி என்ன அடிப்படைப் பெளதிகத்தைக் கூறுகிறது ? ‘ஒளி ஊடுறுவிச் செல்லும் கோணத்தின் அளவு, ஊடுறுவும் இரண்டு பண்டங்களின் திரிபுக் குறியிலக்குகளைப் [Refractive Index] பொருத்தது. ‘ [Snell ‘s Law states that the angle at which light is reflected is dependent on the refractive indices of the two materials. In the case of Fibre Optics, the inner glass core and the outer cladding]. நெடுந்தூரத் தொலைத் தொடர்புகள் [Telecommunications] ஒளிநார் மூலமாகச் செல்லும் போது, அகச்சிகப்பு ஒளியலை [Infrared Wave] நீளத்தில் அனுப்பப் படுகின்றன. தொழிற்துறைப் பொறிநுணுக்கப் பணிகளுக்கு ‘ஒளிநார் உளவி ‘ என்னும் உள்ளாய்வுக் கருவியாகப் [Fiberscope] பயன்படுகிறது. மருத்துவப் பணிக்கு உள் அங்கங்களின் பழுதுகளைக் காண ‘உள்ளுடல் உளவி ‘ [Endoscopy] உபயோக மாகிறது.

இப்போது தொலைபேசி நிலையங்களைப் பிணைக்கும் இடைப்பட்ட மின்வடங்கள் ஒளிநார்களே! உட்தள வலைக் கோப்பு, வடப்பிணைப்புத் தொலைக்காட்சி, சுற்றிய வடப்பிணைப்புத் தொலைக்காட்சி நிலையங்களில் [Local Area Network, Cable TV, CCTV] ஒளிநார்த் தொடர்புகள் பயன்படுகின்றன. பல்வித ஒளிநார் உளவிகள் [Optical Fibre Sensors for Chemical & Gas Concentration, Pressure, Temperature, Rate of Rotation Measurement] ஸ்காட்லாந்தில் உள்ள ஸ்டிரத்கிளைடு பலகலைக் கழகத்தில் [University of Strathclyde] படைக்கப் படுகின்றன.

அலெக்ஸாண்டர் கிரஹாம் பெல் அமைத்த ஒளிநார்ப்பேசி

அலெக்ஸாண்டர் கிரஹாம் பெல் டெலிஃப்போனைக் கண்டுபிடித்தற்குப் பிறகு ‘ஒளிநார்ப்பேசி ‘ [Photophone] சாதனத்தை 1880 இல் தயாரிக்க முற்பட்டார். அம்முறையில் பரிதி ஒளிமூலம் வாய்ச் சொற்களை அனுப்பிக் கேட்கும் ஒரு சாதனத்தை விருத்தி செய்தார். ஒளிநார்த் தகவல் நியதிக்குப் [Fibre Optics Principle] பயன்படும் அப்படைப்பை ஒரு மூலகரமான ஆக்கமாகக் கருதினார், பெல். அந்தச் சாதனம் பூரணமாக வேலை செய்யும் என்று எவரும் அப்போது நம்ப வில்லை. பரிதி எப்போதும் ஒளி வீசி வானில் தென்படாததால், ‘ஒளிநார்ப்பேசி ‘ நடமுறைக்கு ஒவ்வாத ஒரு படைப்பு என்று பலர் புறக்கணித்தனர்.

ஒளிநார்ப்பேசி [Photophone] ஒளிக் கற்றை மூலம் வாய்ப் பேச்சை அனுப்பும் முறை. அந்த முறையே இப்போது ஒளிநார்த் தகவல் [Fibre Optics] அனுப்பும் ஏற்பாட்டில் கையாளப் படுகிறது. அந்த முறையை விருத்தி செய்ய அவருடன் கூட்டாகப் பணி ஆற்றியவர், சார்லஸ் சம்னர் டெயின்டர் [Charles Sumner Tainter]. அந்த முறைக்குப் பயன்படும் படிகம், ஒளி நுகர்ச்சி உள்ள ஸெலினியப் படிகம் [Light-Sensitive Cells of Crystalline Selenium]. அப்படிகத்தின் சிறப்பான ஒரு பண்பு: ஒளிச்சக்தியின் தீவிரத்துக்கு ஒப்பாக, அதன் மின்தடைத் தலைகீழாக மாறுகிறது [Electrical Resistance varies inversely with the Illumination Intensity]. அதாவது ஒரு பண்டம் இருட்டில் இருந்தால் அதன் ஒளித்தீவிரம் குன்றி, படிக மின்தடை மிகையாகிறது. அப்பண்டம் வெளிச்சத்தில் இருக்கும் போது அதன் ஒளித்தீவிரம் மிகுந்து, படிக மின்தடை குறைவாகிறது.

ஒளிநார்ப் பேசி எவ்விதம் இயங்குகிறது ? தொலைபேசி அனுப்பி [Voice Transmitter] முன்பாக அதிரும் ஓர் ஆடியை வைத்தோ அல்லது சுற்றும் சுழலியை வைத்தோ குரல் தொனி அழுத்தம் ஒளியை மாறுபடுத்தும் போது, ஸெலினியப் படிகம் உள்ள ஓர் ஒளிவாங்கியில் [Receiver] அது விழும்படிச் செய்ய வேண்டும். அப்போது குரல் தொனிக்கு ஒப்பாக, ஒளிக்கற்றை மூலம் ஒளியின் தீவிரம் மிகுந்தோ அல்லது குறைந்தோ அனுப்பப் பட்டுக் காதில் கேட்கிறது. பெல்லின் ஒளிநார்ப்பேசிக்கு 1881 இல் காப்புரிமை அளிக்கப்பட்டது. 1911 இல் பெல் முதன்முதலாக வட்டச் சுழற்றித் தொலைபேசியைப் [Dial Telephone] படைத்தார்.

1957 இல் சார்லஸ் டெளனஸ், ஆர்தர் சாவ்லோ ஆகியோர் [Charles Townes & Arthur Schawlow] இருவரும் பெல் ஆய்வுக் கூடத்துக்காக லேஸர் ஒளிச் சாதனத்தை [Laser (Light amplification by Simulated Emission of Radiation)] விருத்தி செய்தனர். 1977 இல் பெல் நிறுவகம் லேஸர் ஒளிபெருக்கியுடன், ஒளிநார்த் தகவல் அனுப்பு [Fibre Optics] முறையைப் பயன்படுத்தி, முதன்முதலாக சிகாகோ நகர்த் வீதிகளில் வாய்ப் பேச்சுகள், வீடியோ சமிக்கைகள், மின்கணனி விளக்கக் குறியிலக்குகள் ஒளித்தீவிர அதிர்வில் [Phone Calls, Video Signals, Computer Data on Light Pulses] அனுப்பப் பட்டன.

ஒளிநார்த் தொடர்பின் மேம்பாடுகள்

1. சாதாரணத் தாமிரக் கம்பிகளில் [Copper Wire] தகவல் கடத்தும் போது ஏற்படும் ஆற்றல் இழப்பை [Energy Loss] விட ஒளிநார்த் தொடர்பில் குறைந்த அளவே ஆற்றல் இழப்பு உண்டாகுகிறது.

2. ஒளிநார்கள் மூலம் விரிந்த அலை அகற்சியில் [Higher Bandwidth] சமிக்கைகளை அனுப்ப எளிதாக உள்ளது. நெடுந்தூரத் தொடர்புகளில் பல்போக்குத் தகவல்களைக் [Multi Channel Message] குறைந்த எண்ணிக்கை யுள்ள ஒளிநார் மீட்சிச் சாதனங்களைப் [Fibre Repeaters] பயன்படுத்தி அனுப்பலாம்.

3. ஒரே அலை அகற்சி சமிக்கையைக் கடத்திச் செல்லும் ஒளிநார்க் கம்பிகள், தாமிரக் கம்பிகளை விட மெல்லியதாகவும், எடை சிறுத்தும் இருப்பதால், கீழ்த்தள அகழிப் பாதைகளின் அளவு [Undergrounf Duct Size] சிறியதாக அமைகிறது. அகழிக் குழிகளில் ஒளிநார் வடங்களைப் புதைப்பதும் சிரமமற்றது!

4. மிக மெல்லிய ஒளியிழைகளைத் திரிக்க முடிவதால், அநேக இழைகளைச் சேர்த்து அடர்த்தியான வடக்கட்டை அமைத்து, பேரளவு கடப்பு ஆற்றலைப் [Higher Carrying Capacity] பெற முடிகிறது. அதாவது அதிக தொலைபேசித் தொடர்புக் கம்பிகளை ஒரே வடத்தில் அமைத்துக் கொள்ளலாம்.

5. சாதாரணத் தாமிரக் கம்பிகளில் செல்லும் தகவலை இழுத்துத் திருடுவது போல், ஒளிநார் வடங்களில் தகவலைக் கறந்து கொள்ள முடியாது. திருட முடிந்தாலும் அக்குற்றம் தெரிந்து விடும். எண்ணிக்கை மிக்க நிலையில் நிதியைக் கையாளும் பண வங்கிகள், மற்றும் காவல் துறையகம், வழக்கு நீதி மன்றம் போன்ற பாதுகாப்பு நிறுவகங்கள் ஒளிநார்த் தொடர்பு ஏற்பாடுகளை அமைத்துக் கொள்ளலாம்.

6. ஒளிநார்த் தகவல் சாதனங்களை மின்னல், ரேடியோ சமிக்கை, கார் எஞ்சினைத் தூண்டும் ஏற்பாடு ஆகியவற்றிலிருந்து கிளம்பும் மின்காந்த அலைகளால் [Electromagnetic Interference] எந்தப் பாதிப்பும், இடையூறும் கிடையாது.

7. ஒளிநார் வடங்கள் தீயினால் பாதிக்கப்படா. வெடிகள், இரசாயனப் பண்டங்கள் எவையும் தீயைத் தூண்ட மாட்டா. ஆதலால் பெட்ரோ கெமிகல், வெடிமருந்து தொழிற்சாலைகளில் அச்சமின்றி ஒளிநார் வடச் சாதனங்களை அமைக்கலாம்.

ஒளிநார்த் தொடர்பின் குறைபாடுகள்

1. ஒரு மீடர் ஒளிநார் தயாரிப்புச் செலவு, சாதாரண தாமிரக் கம்பி தயாரிப்பை விடச் செலவு மிக்கது! ஒளிநார்த் தொடர்பு இயக்க நிதிச் செலவு: வலைக் கோப்பில் [Network] 1 CD ROM Data தகவல் அனுப்ப 1998 இல் 70 அமெரிக்க டாலரானது. 2003 இல் 1 CD ROM Data தகவல் அனுப்ப 18 cents செலவானது. ஆயினும் ஓளிநார்த் தகவல் ஏற்பாட்டில் நெடுந் தூரத்திற்குப் பலவகைத் தகவலை குறைந்த எண்ணிக்கையுள்ள ஒளிநார் மீட்சிகளைப் [Fibre Repeaters] பயன்படுத்தி அனுப்ப முடிவதால் பெரும்பான்மைச் செலவைத் தணிக்க வழிகள் உள்ளன.

2. ஒளிநார்களை இணைக்கும் முறை [Splicing], தாமிரக் கம்பிகளை இணைப்பது போல் அத்தனை எளியதன்று! ஒளிநார்களை இணைக்கப் பயிற்சி அளிக்கப்பட்ட ஊழியர் தேவை! விலை மிகுந்த நுணுக்கச் சாதனங்களும், அளக்கும் கருவிகளும் இணைப்புச் செம்மைப்பாட்டுக்குத்

தேவை!

3. நெடுந்தூரம் எதிரொளித்தும் செல்லும் ஒளித்தீவிரம் மூன்று காரணங்களால் தூரம் செல்லச் செல்ல குறைவாகிறது [Attenuation of Light Intensity]!

i) அணுக்கள் ஒளிக்கதிர்களை விழுங்குதல் [Atomic Absorption of Light Photons]

ii) ஒளிநார்களில் உள்ள கறைகள், பழுதுகள் உண்டாக்கும் ஒளிச்சிதைவு [Scattering of Light by Flaws & Impurities in Fibres]

iii) கோப்புகள், பிணைப்புகள் உண்டாக்கும் ஒளியின் எதிர்ச்சிதறல் [Reflection of Light by Splices & Connectors]

ஒளிநார்த் தொடர்பை வளர்த்த முப்பெரும் வல்லுநர்கள்

இருபதாம் நூற்றாண்டில் தலைதூக்கிப் பெருகிய ஒளிநார்த் தொடர்பு நுணுக்கத் துறைக்கு விதையிட்டு, ஆலமர விழுதுகளாய்ப் பரவ முற்பட்ட மூன்று விஞ்ஞான மேதைகள் பாராட்டப்பட வேண்டியவர். முதலில் ஒளிநார்த் தொடர்பின் அடிப்படையைக் கண்டுபிடித்த ஐரிஷ் பிரிட்டாஷ் நிபுணர் ஜான் டின்டால். இரண்டாவது ஒளிநார்த் தொலைபேசியைப் படைத்த ஸ்காட்டிஷ் அமெரிக்க வல்லுநர் அலெக்ஸாண்டர் கிரஹாம் பெல். மூன்றாவது நிபுணர், ‘ஒளிநார்த் தொடர்பின் பிதா ‘ வென்று பாராட்டப்படும் இந்திய அமெரிக்காரான நரீந்தர் சிங் கபானி. ஆக்ரா பல்கலைக் கழகத்தில் படித்து, இங்கிலாந்தின் லண்டன் இம்பீரியல் கல்லூரியில் ஒளிவியல் பெளதிகத்தின் மேம்பட்ட பட்டக் கல்வி பயின்று, 1955 இல் Ph.D. பட்டத்தைப் பெற்றார். 1960 இல் ஒளிவியல் பொறிநுணுக்கத் துறையகத்தை [Optics Technology Inc.] ஏற்படுத்தி, அதன் அதிபதியாகவும், ஆராச்சியாளராகவும் 12 ஆண்டுகள் பணிசெய்தார். அடுத்து 1973 இல் [Kaptron Inc.], 1990 இல் [Chief Tecnologist, Global Communication Business], சமீபத்தில் K2 ஒளியியல் கம்பெனியைத் துவங்கி, அதன் அதிபதியாகப் [Founder & Chairman, K2 Optronics] பணியாற்றி வருகிறார். பாரத நாட்டின் மனித குல மாணிக்கங்களில் ஒருவரான நரீந்தர், ஒளிவியல் துறையில் மேதையான நரீந்தர் தற்போது ஒளிநார்த் தொடர்பில் உலக வல்லுநராகப் புகழடைந்து வருகிறார் என்பது வரலாற்று மகத்துவம் பெற்றது!

****

தகவல்:

1. Fibre Optics -Britannica Concise Encyclopedia [2003]

2. Introduction to Fibre Optics Communication By Dr. Gerald Farrell -School of Electronic & Communications Engineering [2002]

3. How Fibre Optics Work By: Craig C. Freudenrich Ph.D.

4. Fibre Optics -Light Propagation, Data Cottage [2005]

5. Basic Optical Transmission System -Optical Communications By Dr. Gerald Farrell [2002]

6. Fibre Optics Technologies -Mercury Communications Ltd [August 1992]

7. Alexander Graham Bell, The Life & Times of the Man Who Invented the Telephone By: Grosvener & Wesson (1997)

8. Science & Technology The Marshall Cavendish Illustrated Encyclopedia (1979)

9. John Tyndall Experiment, Snell ‘s Law, By: Force Incorporated [2005]

10 John Tyndall ‘s Biography By: J.A. Burchfield [1981]

11 Dr. Narinder Singh Kapany By: Pearson Education Inc. [2005]

12 திண்ணை விஞ்ஞானக் கட்டுரை: அமெரிக்க ஆக்கமேதை அலெக்ஸாண்டர் கிரஹாம் பெல் (http://www.thinnai.com/sc0616051.html) [ஜூன் 16, 2005]

****

jayabarat@tnt21.com [S. Jayabarathan (June 29, 2005)]

Series Navigation

சி. ஜெயபாரதன், கனடா

சி. ஜெயபாரதன், கனடா