ऑप्टिकल फाइबर संचार विकास का इतिहास

संचार के लिए प्रकाश का उपयोग करना कोई पूरी तरह से नई अवधारणा नहीं है। प्राचीन चीन में, चेतावनियों के लिए बीकन टावरों का उपयोग दृश्य प्रकाश संचार का सबसे अच्छा उदाहरण है। सूचना प्रसारित करने के लिए सेमाफोर का उपयोग करने वाले यूरोपीय लोगों को ऑप्टिकल संचार का आदिम रूप भी माना जा सकता है।

आधुनिक ऑप्टिकल संचार के प्रोटोटाइप का पता 1880 में बेल के फोटोफोन के आविष्कार से लगाया जा सकता है। उन्होंने प्रकाश स्रोत के रूप में सूरज की रोशनी का उपयोग किया, ट्रांसमीटर के सामने एक कंपन दर्पण पर लेंस के माध्यम से प्रकाश किरण को केंद्रित किया, जिससे आवाज परिवर्तन के साथ प्रकाश की तीव्रता अलग-अलग हो गई, जिससे प्रकाश की तीव्रता का ध्वनि मॉड्यूलेशन प्राप्त हुआ। प्राप्त अंत में, एक परवलयिक परावर्तक वायुमंडल के माध्यम से प्रेषित प्रकाश किरण को एक बैटरी पर प्रतिबिंबित करता है, जिसमें सेलेनियम क्रिस्टल ऑप्टिकल प्राप्त पहचान उपकरण के रूप में कार्य करते हैं, जो ऑप्टिकल सिग्नल को विद्युत प्रवाह में परिवर्तित करते हैं। इस प्रकार, ध्वनि संकेतों को वायुमंडलीय अंतरिक्ष के माध्यम से सफलतापूर्वक प्रसारित किया गया। उस समय आदर्श प्रकाश स्रोतों और ट्रांसमिशन मीडिया की कमी के कारण, इस फोटोफोन की ट्रांसमिशन दूरी बहुत कम थी और कोई व्यावहारिक अनुप्रयोग मूल्य नहीं था, जिसके परिणामस्वरूप धीमी गति से विकास हुआ। हालाँकि, फोटोफोन अभी भी एक महान आविष्कार था, क्योंकि इसने सूचना प्रसारित करने के लिए वाहक के रूप में प्रकाश तरंगों का उपयोग करने की व्यवहार्यता साबित की। इसलिए, बेल के फोटोफोन को आधुनिक ऑप्टिकल संचार का प्रोटोटाइप माना जा सकता है।

 

लैंप के आविष्कार ने लोगों के लिए सरल ऑप्टिकल संचार प्रणालियों का निर्माण करना संभव बना दिया, उन्हें प्रकाश स्रोतों के रूप में उपयोग किया, जैसे जहाजों के बीच संचार और जहाजों और जमीन के बीच संचार, ऑटोमोबाइल टर्न सिग्नल, ट्रैफिक सिग्नल लाइट इत्यादि। वास्तव में, किसी भी प्रकार का संकेतक प्रकाश एक बुनियादी ऑप्टिकल संचार प्रणाली है। कई मामलों में, व्यापक स्पेक्ट्रम फ्लोरोसेंट प्रकाश उत्सर्जक डायोड का उपयोग प्रकाश स्रोतों के रूप में किया जा सकता है। 1960 में, अमेरिकी मैमन ने पहले रूबी लेजर का आविष्कार किया, जिसने एक तरह से प्रकाश स्रोत की समस्या को हल किया और ऑप्टिकल संचार में नई आशा लाई। सामान्य प्रकाश की तुलना में, लेजर में संकीर्ण वर्णक्रमीय चौड़ाई, बेहद अच्छी दिशात्मकता, बेहद उच्च चमक और अपेक्षाकृत सुसंगत आवृत्ति और चरण जैसी उत्कृष्ट विशेषताएं होती हैं। लेजर अत्यधिक सुसंगत प्रकाश होते हैं, जिनमें रेडियो तरंगों के समान विशेषताएं होती हैं, जो उन्हें आदर्श ऑप्टिकल वाहक बनाती हैं। रूबी लेज़र के बाद, हीलियम {9} नियॉन (He - Ne) लेज़र और कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) लेज़र क्रमिक रूप से प्रकट हुए और उन्हें व्यावहारिक उपयोग में लाया गया। लेज़रों के आविष्कार और अनुप्रयोग ने ऑप्टिकल संचार को, जो 80 वर्षों से निष्क्रिय था, एक बिल्कुल नए चरण में ला दिया।

सॉलिड स्टेट लेजर के आविष्कार ने संचारित ऑप्टिकल शक्ति में काफी वृद्धि की और ट्रांसमिशन दूरी को बढ़ाया, जिससे वायुमंडलीय लेजर संचार का उपयोग नदी के किनारों, द्वीपों के बीच और कुछ विशिष्ट स्थितियों में किया जा सका। हालाँकि, वायुमंडलीय लेजर संचार की स्थिरता और विश्वसनीयता अभी भी अनसुलझी है। वायुमंडलीय प्रसार के माध्यम से बिंदु से बिंदु तक संचार प्राप्त करने के लिए जानकारी ले जाने वाली प्रकाश तरंगों का उपयोग करना संभव है, लेकिन संचार क्षमता और गुणवत्ता जलवायु से गंभीर रूप से प्रभावित होती है। बारिश, कोहरे, बर्फ और वायुमंडलीय धूल द्वारा अवशोषण और बिखरने के कारण, प्रकाश तरंग ऊर्जा क्षीणन महत्वपूर्ण है; इसके अतिरिक्त, वायुमंडलीय घनत्व और तापमान में गैर-एकरूपता अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन का कारण बनती है, जिसके परिणामस्वरूप बीम की स्थिति में बदलाव होता है। इसलिए, वायुमंडलीय लेज़र संचार की दूरी और स्थिरता बहुत सीमित है, जो "सभी-मौसम" संचार प्राप्त करने में असमर्थ है।

1966 में, ब्रिटिश चीनी विद्वान सीके काओ और सीए हॉखम ने ट्रांसमिशन मीडिया के लिए नई अवधारणाओं पर एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें सूचना प्रसारण के लिए ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करने की संभावना और तकनीकी दृष्टिकोण की ओर इशारा किया गया, जिससे आधुनिक ऑप्टिकल संचार की नींव रखी गई। उस समय, क्वार्ट्ज फाइबर का नुकसान 1000 डीबी/किमी से अधिक था। काओ और अन्य ने बताया कि इतने बड़े नुकसान क्वार्ट्ज फाइबर की अंतर्निहित विशेषताओं के कारण नहीं थे, बल्कि सामग्री में अशुद्धियों के कारण थे, और इसलिए कच्चे माल के शुद्धिकरण के माध्यम से लंबी दूरी के संचार के लिए उपयुक्त कम नुकसान वाले ऑप्टिकल फाइबर का निर्माण संभव था। ऑप्टिकल फाइबर संचार के इतिहास में, डॉ. काओ को "ऑप्टिकल फाइबर संचार के जनक" के रूप में सम्मानित किया जाता है।

 

1970 ऑप्टिकल फाइबर संचार के इतिहास में एक शानदार वर्ष था। संयुक्त राज्य अमेरिका में कॉर्निंग कंपनी ने 20 डीबी/किमी के नुकसान के साथ क्वार्ट्ज ऑप्टिकल फाइबर को सफलतापूर्वक विकसित किया, जिससे ऑप्टिकल फाइबर संचार को समाक्षीय केबल संचार के साथ प्रतिस्पर्धा करने में सक्षम बनाया गया, इस प्रकार ऑप्टिकल फाइबर संचार की उज्ज्वल संभावनाओं का पता चला और दुनिया भर के देशों को क्रमिक रूप से पर्याप्त जनशक्ति और भौतिक संसाधनों का निवेश करने के लिए प्रेरित किया गया, जिससे ऑप्टिकल फाइबर संचार के अनुसंधान और विकास को एक नए चरण में पहुंचाया गया। 1972 में, कॉर्निंग कंपनी ने उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर का विकास किया, जिससे नुकसान 4dB/किमी तक कम हो गया। 1973 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में बेल लेबोरेटरीज ने और भी बेहतर परिणाम प्राप्त किए, ऑप्टिकल फाइबर हानि को 2.5dB/किमी तक कम कर दिया, और 1974 में इसे 1.1dB/किमी तक कम कर दिया। 1976 में, निप्पॉन टेलीग्राफ और टेलीफोन (एनटीटी) सहित जापानी कंपनियों ने ऑप्टिकल फाइबर हानि को 0.47dB/किमी (1.2μm की तरंग दैर्ध्य पर) तक कम कर दिया।

1970 में, ऑप्टिकल फाइबर संचार के लिए प्रकाश स्रोतों में भी पर्याप्त प्रगति हुई। उस वर्ष, संयुक्त राज्य अमेरिका में बेल लेबोरेटरीज, जापान में निप्पॉन इलेक्ट्रिक कंपनी (एनईसी), और पूर्व सोवियत संघ ने कम तापमान (-200 डिग्री) या स्पंदित उत्तेजना स्थितियों के तहत काम करने वाले सेमीकंडक्टर लेजर की सीमाओं को सफलतापूर्वक तोड़ दिया, सफलतापूर्वक गैलियम एल्यूमीनियम आर्सेनाइड (GaAlAs) डबल हेटरोस्ट्रक्चर सेमीकंडक्टर लेजर (शॉर्ट वेव) विकसित किया जो कमरे के तापमान पर लगातार दोलन कर सकता था, जिससे सेमीकंडक्टर के विकास की नींव रखी गई। लेजर. 1973 में, सेमीकंडक्टर लेजर का जीवनकाल 7×10³h तक पहुंच गया। 1977 में, बेल लेबोरेटरीज द्वारा विकसित सेमीकंडक्टर लेजर ने 100,000 घंटे (लगभग 11.4 वर्ष) का जीवनकाल हासिल किया, जिसमें 1 मिलियन घंटे का अतिरिक्त जीवनकाल था, जो पूरी तरह से व्यावहारिक आवश्यकताओं को पूरा करता था। 1976 में, निप्पॉन टेलीग्राफ और टेलीफोन कंपनी ने 1.3μm की तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित करने वाले इंडियम गैलियम आर्सेनाइड फॉस्फाइड (InGaAsP) लेजर को सफलतापूर्वक विकसित किया। 1979 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में एटी एंड टी कंपनी और जापान में निप्पॉन टेलीग्राफ एंड टेलीफोन कंपनी ने 1.55μm की तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित होने वाले लगातार दोलन वाले अर्धचालक लेजर को सफलतापूर्वक विकसित किया।

1976 में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने अटलांटा में दुनिया की पहली व्यावहारिक ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणाली का क्षेत्रीय परीक्षण किया। सिस्टम ने प्रकाश स्रोतों के रूप में GaAlAs लेजर और ट्रांसमिशन माध्यम के रूप में मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग किया, जिसकी दर 44.7Mbit/s और ट्रांसमिशन दूरी लगभग 10 किमी थी। 1980 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में मानकीकृत एफटी-3 ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणाली को व्यावसायिक उपयोग में लाया गया था। सिस्टम में 44.7Mbit/s की दर के साथ ग्रेडेड - इंडेक्स मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग किया गया। इसके बाद, संयुक्त राज्य अमेरिका ने तेजी से 22 राज्यों को पार करते हुए 5×10⁴ किमी की कुल ऑप्टिकल केबल लंबाई के साथ पूर्व - पश्चिम ट्रंक लाइनें और उत्तर - दक्षिण ट्रंक लाइनें बिछाईं। 1976 और 1978 में, जापान ने क्रमिक रूप से 34Mbit/s की दर और 64 किमी की ट्रांसमिशन दूरी के साथ चरण - इंडेक्स मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों का परीक्षण किया, साथ ही 100Mbit/s की दर के साथ वर्गीकृत - इंडेक्स मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों का परीक्षण किया। 1983 में, जापान ने देश के माध्यम से उत्तर से दक्षिण तक चलने वाली एक लंबी दूरी की ऑप्टिकल केबल ट्रंक लाइन बिछाई, जिसकी कुल लंबाई 3400 किमी थी, प्रारंभिक संचरण दर 400Mbit/s थी, जिसे बाद में 1.6Gbit/s तक बढ़ा दिया गया। इसके बाद, संयुक्त राज्य अमेरिका, जापान, यूनाइटेड किंगडम और फ्रांस द्वारा शुरू की गई अटलांटिक महासागर में TAT-8 पनडुब्बी ऑप्टिकल केबल संचार प्रणाली, 1988 में पूरी हुई, जिसकी कुल लंबाई 6.4×10³ किमी थी; प्रशांत महासागर में पहली TPC-3/HAW-4 पनडुब्बी ऑप्टिकल केबल संचार प्रणाली 1989 में पूरी हुई, जिसकी कुल लंबाई 1.32×10⁵km थी। तब से, वैश्विक संचार नेटवर्क के विकास को बढ़ावा देते हुए, पनडुब्बी ऑप्टिकल केबल संचार प्रणालियों का निर्माण पूरी तरह से विकसित किया गया है।

चूंकि काओ ने 1966 में एक ट्रांसमिशन माध्यम के रूप में ऑप्टिकल फाइबर की अवधारणा को प्रस्तावित किया था, ऑप्टिकल फाइबर संचार अनुसंधान से लेकर अनुप्रयोग तक बहुत तेजी से विकसित हुआ है, निरंतर तकनीकी अद्यतन और पीढ़ियों के साथ, संचार क्षमताओं (ट्रांसमिशन दर और पुनरावर्तक दूरी) में लगातार सुधार हो रहा है, और लगातार आवेदन का दायरा बढ़ रहा है। ऑप्टिकल संचार के विकास को मोटे तौर पर निम्नलिखित पाँच चरणों में विभाजित किया जा सकता है:

पहला चरण: यह बुनियादी अनुसंधान से लेकर व्यावसायिक अनुप्रयोग विकास तक की अवधि थी। 1976 में शुरू करके, कई क्षेत्रीय परीक्षणों के बाद, अनुसंधान और विकास के चरणों का बारीकी से पालन करते हुए, 1978 में, 0.8μm तरंग दैर्ध्य पर काम करने वाली पहली पीढ़ी की ऑप्टिकल तरंग प्रणाली को आधिकारिक तौर पर व्यावसायिक उपयोग में लाया गया, जिससे लघु तरंग दैर्ध्य (0.85μm), कम दर (45Mbit/s या 34Mbit/s) मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणाली का एहसास हुआ। 2dB/किमी की हानि के साथ ऑप्टिकल फाइबर उभरा, जिसमें लगभग 10 किमी की गैर-पुनरावर्तक संचरण दूरी और लगभग 500Mbit/(s·km) की अधिकतम संचार क्षमता थी। समाक्षीय केबल प्रणालियों की तुलना में, ऑप्टिकल फाइबर संचार ने पुनरावर्तक दूरी बढ़ा दी है, निवेश और रखरखाव की लागत कम कर दी है, इंजीनियरिंग और वाणिज्यिक संचालन के लक्ष्यों को पूरा किया है, और ऑप्टिकल फाइबर संचार एक वास्तविकता बन गया है।

दूसरा चरण: यह ट्रांसमिशन दरों में सुधार और ट्रांसमिशन दूरी बढ़ाने और अनुप्रयोगों को सख्ती से बढ़ावा देने के अनुसंधान लक्ष्यों के साथ एक व्यावहारिक अवधि थी। इस अवधि के दौरान, ऑप्टिकल फाइबर मल्टीमोड से सिंगल मोड में विकसित हुआ, कार्यशील तरंग दैर्ध्य लघु तरंग दैर्ध्य (0.85μm) से लंबी तरंग दैर्ध्य (1.31μm और 1.55μm) तक विकसित हुआ, जिससे 1.31μm की कार्यशील तरंगदैर्ध्य और 140565Mbit/s की ट्रांसमिशन दर के साथ एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर संचार प्राप्त हुआ। ऑप्टिकल फाइबर हानि को 0.5dB/किमी (1.31μm) और 0.2dB/किमी (1.55μm) के स्तर तक कम कर दिया गया, जिसमें 50100 किमी की गैर-पुनरावर्तक संचरण दूरी थी।

तीसरा चरण: यह एक ऐसी अवधि थी जिसमें अत्यधिक क्षमता और अत्यधिक लंबी दूरी के लक्ष्यों के साथ नई प्रौद्योगिकियों पर व्यापक और पूरी तरह से अनुसंधान किया गया। इस अवधि के दौरान, 1.55μm फैलाव {{4}स्थानांतरित एकल {{5}मोड ऑप्टिकल फाइबर संचार का एहसास हुआ। इस ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणाली में बाहरी मॉड्यूलेशन तकनीक का उपयोग किया गया है, जिसमें ट्रांसमिशन दर 2.510Gbit/s तक पहुंच गई है और गैर-पुनरावर्तक ट्रांसमिशन दूरी 100150 किमी तक पहुंच गई है। प्रयोगशालाएँ और भी ऊँचे स्तर हासिल कर सकती हैं।

चौथा चरण: ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों को पुनरावर्तक दूरी बढ़ाने के लिए ऑप्टिकल एम्पलीफायरों के उपयोग और बिट दर और पुनरावर्तक दूरी बढ़ाने के लिए तरंग दैर्ध्य डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग तकनीक के उपयोग की विशेषता थी। चूँकि ये प्रणालियाँ कभी-कभी होमोडाइन या हेटेरोडाइन योजनाओं का उपयोग करती थीं, इसलिए उन्हें सुसंगत ऑप्टिकल तरंग संचार प्रणाली भी कहा जाता था। इस स्तर पर ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों में, ऑप्टिकल फाइबर हानि की भरपाई ऑप्टिकल फाइबर एम्पलीफायरों (ईडीएफए) द्वारा की गई थी, और मुआवजे के बाद, हजारों किलोमीटर तक संचरण संभव था। एक प्रयोग में, एक स्टार कपलर का उपयोग नगण्य अंतर-चैनल क्रॉसस्टॉक के साथ, 50 किमी की ट्रांसमिशन दूरी पर 100{6}}चैनल 622Gbit/s डेटा मल्टीप्लेक्सिंग प्राप्त करने के लिए किया गया था; एक अन्य प्रयोग में, 2.5Gbit/s की एकल चैनल दर के साथ, पुनर्योजी का उपयोग किए बिना, EDFA द्वारा ऑप्टिकल फाइबर हानि की भरपाई की गई, जिसमें 80 किमी की एम्पलीफायर दूरी और 2223 किमी की ट्रांसमिशन दूरी थी। ईडीएफए का उपयोग करने के लिए ऑप्टिकल तरंग प्रणालियों में सुसंगत पहचान तकनीक का उपयोग एक शर्त नहीं थी। कुछ प्रयोगशालाओं ने 2.4Gbit/s, 2.1×10⁴km और 5Gbit/s, 1.4×10⁴km डेटा ट्रांसमिशन प्राप्त करने के लिए सर्कुलेटिंग लूप्स का उपयोग किया था। ऑप्टिकल फाइबर एम्पलीफायरों के आगमन से ऑप्टिकल फाइबर संचार के क्षेत्र में बड़े बदलाव हुए।

पाँचवाँ चरण: ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियाँ ऑप्टिकल फाइबर फैलाव को चौड़ा करने, पल्स सिग्नल के अनुरूप संचरण को प्राप्त करने, तथाकथित ऑप्टिकल सॉलिटॉन संचार को ऑफसेट करने के लिए नॉनलाइनियर संपीड़न पर आधारित थीं। यह चरण 20 वर्षों से अधिक समय तक चला और इसने महत्वपूर्ण प्रगति हासिल की। हालाँकि यह मूल विचार 1973 में प्रस्तावित किया गया था, लेकिन 1988 तक ऐसा नहीं हुआ था कि बेल लेबोरेटरीज ने ऑप्टिकल फाइबर हानि के लिए उत्तेजित रमन बिखरने वाले नुकसान मुआवजे का उपयोग किया, 4×10³ किमी से अधिक डेटा संचारित किया, और अगले वर्ष ट्रांसमिशन दूरी को 6×10³ किमी तक बढ़ा दिया। EDFA का उपयोग 1989 में ऑप्टिकल सॉलिटॉन प्रवर्धन के लिए किया जाने लगा। इंजीनियरिंग अभ्यास में इसके अधिक लाभ थे, और तब से, कुछ प्रसिद्ध अंतरराष्ट्रीय प्रयोगशालाओं ने ऑप्टिकल सॉलिटॉन संचार की विशाल क्षमता को उच्च {{12}स्पीड लंबी दूरी के संचार के रूप में सत्यापित करना शुरू कर दिया। 1990 से 1992 तक, संयुक्त राज्य अमेरिका और यूनाइटेड किंगडम में प्रयोगशालाओं ने 1×10⁴km से अधिक पर 2.5Gbit/s और 5Gbit/s डेटा संचारित करने के लिए सर्कुलेटिंग लूप का उपयोग किया; जापानी प्रयोगशालाओं ने 1×10⁶km पर 10Gbit/s डेटा प्रसारित किया। 1995 में, फ्रांसीसी प्रयोगशालाओं ने 1×10⁶km पर 20Gbit/s डेटा प्रसारित किया, जिसकी पुनरावर्तक दूरी 140km थी। 1995 में, ब्रिटिश प्रयोगशालाओं ने 8100 किमी पर 20Gbit/s डेटा और 5000 किमी पर 40Gbit/s डेटा प्रसारित किया। टोक्यो, जापान के आसपास महानगरीय क्षेत्र नेटवर्क में रैखिक ऑप्टिकल सॉलिटॉन सिस्टम के फील्ड परीक्षण भी आयोजित किए गए, जो क्रमशः 2.5×10³km और 1×10³km पर 10Gbit/s और 20Gbit/s डेटा संचारित करते हैं। 1994 और 1995 में, 80Gbit/s और 160Gbit/s का उच्च गति डेटा भी क्रमशः 500 किमी और 200 किमी तक प्रसारित किया गया था।

ऑप्टिकल फ़ाइबर क्रॉस-सेक्शन (कोर/क्लैडिंग/शीथ) का योजनाबद्ध आरेख

फ़ाइबर अपवर्तक सूचकांक वितरण (चरण-सूचकांक और श्रेणीबद्ध-सूचकांक फ़ाइबर के बीच तुलना)