Γράφει: Δημήτριος Ηλιάδης

Τεχνολογία: Νόμπελ για τις οπτικές ίνες

Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 2009 απονεμήθηκε κατά εν δεύτερο στον καθηγητή Charles K. Kao για τα «ρηξικέλευθα επιτεύγματα του, σε σχέση με την διάδοση του φωτός σε ίνες για τις οπτικές επικοινωνίες». Με την βράβευση αυτή ο κόσμος αξίζει να στρέψει για λίγο την προσοχή του στις «οπτικές ίνες», μια τεχνολογία εξ’ αιτίας της οποίας έγιναν πράξη η παγκόσμια επικοινωνία και το διαδίκτυο. Ήδη ο όρος «οπτικές ίνες» ακούγεται σε διάφορες συζητήσεις στην Κύπρο, σε θέματα που αφορούν στην καλωδιακή τηλεόραση και την τηλεφωνία. Οι οπτικές ίνες είναι ευλύγιστες γυάλινες ίνες υψηλής ποιότητας και μικρής διαμέτρου, που μεταφέρουν με ψηφιακή κωδικοποίηση σήματα «φωτός» σε μεγάλες αποστάσεις και με ελάχιστη απώλεια.

Οι οπτικές ίνες στηρίζονται στο φαινόμενο της ολικής ανάκλασης, το οποίο ίσως να θυμούνται οι περισσότεροι από τα μαθητικά τους χρόνια. Όταν μια ακτίνα κινηθεί μέσα από ένα υλικό και προσπέσει σε κάποιο άλλο υλικό με μικρότερο «δείκτη διάθλασης», τότε, εάν η γωνία είναι μεγαλύτερη από τη «κρίσιμη γωνία», η ακτίνα θα ανακλαστεί ολόκληρη μέσα στο πρώτο υλικό χωρίς να εισέλθει στο δεύτερο υλικό. Στις οπτικές ίνες, το φως ταξιδεύει μέσα στον πυρήνα της ίνας, ανακλώμενος συνεχώς στο περίβλημα, το οποίο έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης σε σχέση με τον πυρήνα, καθώς η γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας είναι πάντοτε μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνιά. Ως αποτέλεσμα, η οπτική ίνα καθίσταται κυματοδηγός του σήματος εισόδου.

Η επιλογή των οπτικών ινών έναντι των παραδοσιακών χάλκινων καλωδίων εξαρτάται από τις προδιαγραφές της επικοινωνίας. Γενικά, οι οπτικές ίνες προτιμώνται όπου είναι αναγκαίος ο μεγάλος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, καθώς και η με-τάδοσή τους σε αποστάσεις μεγαλύτερες από όσο μπορούν να μεταφέρουν τα χάλκινα καλώδια. Ενδεικτικά να αναφέρουμε πως μια οπτική ίνα με υψηλό ρυθμό μετάδοσης πληροφοριών μπορεί να αντικατασταθεί με χιλιάδες ηλεκτρικά καλώδια. Ένα άλλο πλεονέκτημα των οπτικών ινών είναι ότι δεν επηρεάζονται από τις οποιεσδήποτε ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες και δεν υπάρχει παρενόχληση του σήματος από άλλες γραμμές μετάδοσης, όπως συμβαίνει με τις χάλκινες γραμμές.

Η χρήση διαφανών μέσων για την μετάδοση του φωτός ήταν γνωστή από πολύ παλιά. Ήδη, πριν από 150 χρόνια ήταν γνωστό αυτό το φυσικό φαινόμενο, το οποίο μάλιστα είχε χρησιμοποιηθεί για τον φωτισμό πιδάκων νερού, καθώς το φως ακολουθούσε την κυρτή ροή του νερού. Οι πρώτες εφαρμογές ήταν στη ιατρική, όπου με την χρήση δεσμών από λεπτές γυάλινες ράβδους οι ιατροί εξέταζαν το εσωτερικό του στομαχιού, ή τις χρησιμοποιούσαν για να φωτίσουν το εσωτερικό του στόματος κατά την διάρκεια εγχειρήσεων. Υπήρχαν όμως προβλήματα καθώς το φως πά-θαινε διάχυση. Το πρόβλημα αυτό επιλύθηκε με την επικάλυψη των γυάλινων ράβδων με ουσία η οποία είχε μικρότερο δείκτη διάθλασης.

Μέχρι το 1960, οι οπτικές ίνες είχαν βρει την θέση τους σε ιατρικές εφαρμογές. Ελάχιστοι όμως ερευνητές της εποχής είχαν σκεφτεί πως οι οπτικές ίνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τις τηλεπικοινωνίες, οι οποίες εκείνη την εποχή βρίσκονταν σε ερευνητική έξαρση. Για να αντιληφθούμε την κατάσταση της εποχής αρκεί να αναλογιστούμε πως το πρώτο υπερατλαντικό τηλεφωνικό καλώδιο, το ΤΑΤ-1, που εγκαινιάστηκε το 1956, μπορούσε να υποστηρίξει μονάχα 36 τηλεφωνήματα την ίδια στιγμή. Μέσα στα επόμενα χρόνια οι ανάγκες της τηλεόρασης και της επικοινωνίας άρχισαν να αυξάνονται, έτσι και η τεχνολογία άρχισε να προσανατολίζεται περισσότερο στα ασύρματα και διαστημικά μέσα.

Καθοριστική για την μεταφορά των οπτικών ινών στις τηλεπικοινωνίες ήταν η δημιουργία το 1960 του πρώτου «λέιζερ». Τα λέιζερ εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως το φως, σε μια συγκεντρωμένη στενή δέσμη, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για είσοδο του σήματος μέσα στις οπτικές ίνες. Στην πράξη, τα δεδομένα κωδικοποιούνται σε μια δυαδική μορφή και υλοποιούνται με γρήγορες εκπομπές και παύσεις του λέιζερ. Στις αρχές της δεκαετίας του ’60 οι μηχανικοί συναντούσαν ένα σημαντικό πρόβλημα: Το σήμα εξασθενούσε ραγδαία, μόλις λίγα μέτρα από το σημείο εκπομπής. Σε αυτό το σημείο, ήρθε η έρευνα του Charles Kuen Kao.

Ο Kao γεννήθηκε στη Σαγκάη το 1933, σπούδασε Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και έλαβε το διδακτορικό στην Ηλεκτρολογική Μηχανική από το Πανεπιστήμιο του Λονδίνου το 1965. Το 1966 δημοσίευσε ένα άρθρο στα IEE Proceedings, μαζί με τον συνάδελφο του George Hockham, στο οποίο περιέ-γραφε τα πορίσματά τους από την μελέτη του προβλήματος της μεγάλης απώλειας στις οπτικές ίνες. Το κύριο αποτέλεσμα της έρευνας ήταν πως οι απώλειες οφείλονταν στην απορρόφηση και τη διασκόρπιση του φωτός μέσα στην οπτική ίνα, εξ’αιτίας των ατελειών στο γυαλί και συγκεκριμένα των ιόντων σιδήρου. Ο Kao υπολόγισε θεωρητικά την απώλεια που θα μπορούσαν να έχουν οι οπτικές ίνες, η οποία ήταν ένα εξαιρετικά πιο μικρή από ό,τι παρατηρούσαν μέχρι τότε οι ερευνητές.

Παρά το νεαρό της ηλικίας του, ο Kao προέβη σε μια τολμηρή αλλά και προφητική δήλωση στα συμπεράσματα του άρθρου του: «…Η ίνα από γυάλινο υλικό, κατασκευασμένη με επικάλυψη …συνιστά ένα πιθανό πρακτικό οπτικό κυματοδηγό, με σημαντικές προοπτικές ως μια καινούρια μορφή μέσου επικοινωνίας… Σε σχέση με τα υφιστάμενα ομοαξονικά καλώδια και ασύρματα συστήματα, αυτή η μορφή κυματοδηγού έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα πληροφοριών και πιθανά πλεονεκτήματα στο κόστος των βασικών υλικών». Η επαναστατική αυτή ιδέα του Kao δεν βρήκε από την αρχή υποστήριξη, καθώς δεν υπήρχε ακόμη εύκολος τρόπος για την δημιουργία του υψηλής ποιότητος υλικού που ήταν απαραίτητος.

Ο Kao συνέχισε την έρευνα, και 3 χρόνια αργότερα, πρότεινε την χρήση του οξειδίου του πυριτίου για τις οπτικές ίνες, το οποίο είναι είδος γυαλιού που περιέχει άμορφο πυρίτιο. Με την υπόδειξη του κατάλληλου αυτού υλικού, η έρευνα επεκτάθηκε σε άλλα ερευνητικά κέντρα με σκοπό την υλοποίηση οπτικών ινών, οι οποίες θα επέτρεπαν την μετάδοση πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις. Το πρώτο υπερατλαντικό καλώδιο τηλεφωνίας από οπτικές ίνες ήταν το ΤΑΤ-8 και τέθηκε σε λειτουργία το 1988, με την δυνατότητα 40,000 ταυτόχρονων κλήσεων.

Οι συνεχιζόμενα αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών του διαδικτύου καθοδηγούν σήμερα την πρόοδο της τεχνολογίας των οπτικών ινών στηρίζοντας ό,τι αντιλαμβανόμαστε ως παγκόσμια κοινωνία της πληροφορίας.