תקשורת אופטית

תקשורת אופטית היא הגדרה לכל צורה של תקשורת המשתמשת באור נראה או בקרינה אלקטרומגנטית בתדרים שאינם בתחום הנראה כנושא המידע בשידור.
מערכת התקשורת האופטית מורכבת משלושה חלקים עיקריים: המשדר האופטי, ההופך את המידע לאור, התווך המעביר את המידע ליעדו והמקלט, המקבל את המידע האופטי ביעד.
המערכת האופטית הנפוצה ביותר והפשוטה ביותר היא מערכת הראייה. לדוגמה, כאשר אנו רואים אור מתחלף ברמזור (המשדר), האור מתקדם באוויר (תווך חופשי) ונקלט על ידי העין והמוח (מערכת הקליטה). כאשר רוצים לעבוד בקצב גבוה, משתמשים במערכת השידור האופטית הנפוצה המבוססת על סיבים אופטיים.

התפתחות היסטורית

עוד משחר ההיסטוריה החלה ההתקשרות האנושית בתקשורת באמצעות הראיה, בתחילה במקביל לתקשורת באמצעות שמיעה, בצורה של הבעות פנים, מחוות גופניות ושפת גוף. כאשר גבר הצורך ליצור העברת אותות ומידע לטווח רחוק יותר, החל השימוש במדורות ואבוקות אור להעברת מידע. לדוגמה, לפי המסורת היהודית, כאשר ראש חודש נקבע על סמך ראיית מולד הלבנה, היו נוהגים להודיע לכל העם על קידוש החודש בעזרת משואות של אש ובאבוקות שהיו מעלים על כל הרי הארץ: 
...ועלה לראש ההר ומצית בהן את האור, ...עד שהוא רואה את חברו שהוא עושה כן בראש ההר השני, וכן בהר השלישי... וכל אחד ואחד משראה את אור המשואות נוטל אבוקה בידו ועולה לראש גגו ומעלה אור
כאשר לא היה קשר עין בין הנקודות השונות, או במהלך היום כאשר קשה להבחין במדורות האש, הומצאה השיטה של סימני עשן; זוהי הצורה המוקדמת ביותר של איתות - בסין העתיקה הצליחו להעביר מידע על תקיפה לאורך החומה הגדולה של סין (480 קילומטר) במספר שעות בלבד.
בסביבות 150 לפנה"ס המציא פוליביוס שיטה להפוך מספר אותות עשן לאותיות ובצורה זו להעביר מסר. מאוחר יותר, במלחמת העולם הראשונה, התבסס צבא הקיסרות הגרמנית על שיטה זו.
במהלך השנים שוכללה השיטה ובסוף המאה ה-18 הומצאה שיטת הסמפור בידי האחים שאפה (Chappe) בצרפת.
השיטה מתבססת על זוויות שונות של מוט בראש גג גבוה ונראה למרחק. קו הסמפור הראשון נחנך בשנת 1792 באורך של 193 קילומטר והוא שימש להעברת מסרים במהלך המלחמה בין צרפת לאוסטריה. הקו כלל 15 תחנות ממסר, והזמן שנדרש לתו הראשון של הודעה להגיע ליעדו היה תשע דקות בלבד; בממוצע הועברה הודעה בת 36 סימנים תוך כ-32 דקות.
מאוחר יותר השתמשו בשיטת האיתות בדגלים במקומות בהם לא הייתה אפשרות לאש או שהיה צורך בניידות (כמו ספינות או בזמן הזזת כוחות). השיטה יושמה לראשונה על ידי משרד המסחר הבריטי (BOT) ב-1857, ומאוחר יותר התקבלה ברמה הבינלאומית. גם כיום עדיין משתמשים באיתות הדגלים, המאפשר תקשורת ללא קשיי שפה במצבים הנוגעים לבטיחות השיט או לסכנת חיים. בדגלי איתות משתמשים גם במסגרות צבאיות, כשרוצים להימנע משימוש במערכת הקשר לתקשורת והנעת כוחות.
אמצעי תקשורת אופטי נוסף הוא ההליוגרף, המשתמש בקוד מורס בעזרת קרני השמש. המכשיר מוזכר עוד בימי היוונים ב-405 לפנה"ס, ואצל הרומאים כאשר הקיסר טיבריוס השתמש במכשיר לחזק את שליטתו באימפריה. המכשיר מכיל מראה הניתנת להזזה ולהסתרה לכיוון קרני השמש לעבר המטרה. הליוגרף היה ציוד תקני בצבא בריטניה עד 1960, ובצבא פקיסטן עד 1975. שיא המרחק לתקשורת הליוגרף הושג בארצות הברית והגיע לכ-300 קילומטר.
על בסיס ההליוגרף בנה אוטור אלדיס (Authur C W Aldis) את מנורת האיתות - מנורה עם תריס המאפשרת לאותת בקוד מורס. שיטה זו נהוגה גם כיום בשדות התעופה במצבי חירום.
בשנת 1880 המציא אלכסנדר גרהם בל את הפוטופון - צינור סלניום המשמש כמקלט כאשר התנגדותו משתנה על ידי ההארה, כלומר כאשר המקלט מואר התנגדותו יורדת ולהפך. תופעה זו הייתה ידועה בתקופתו, אך הייחוד במכשיר הפוטופון הוא איפנון האור המגיע למקלט; איפנון זה נעשה על ידי מראה רוטטת: תנודות הקול של הדובר משנה את המראה מקעורה לקמורה, ובכך משנה את האור מאור ממוקד למפוזר, ומשנה את עוצמת ההארה המגיעה למקלט הנמצא במוקד המראה. המכשיר מתפקד כטלפון לכל דבר, כאשר במקום אות חשמלי המידע אופטי.
בל האמין שמכשיר זה הוא המצאתו החשובה ביותר, וב-3 ביוני 1880 העביר בל את השידור האלחוטי הראשון בפוטופון למרחק של 213 מטר על ידי שימוש באור השמש כמקור ההארה. לאחר המצאת הלייזר יושם הפוטופון בצורה דומה כמיקרופון לייזר, המסוגל לזהות תנודות קלות במראה באמצעות התאבכות באינטרפרומטר.
גם הרדיו הוא מכשיר תקשורת אופטי, אך הוא אינו מתבסס על אור נראה אלא על קרינה אלקטרומגנטית באורכי גל ארוכים בהרבה (גלי רדיו). רוב התקשורת האופטית כיום מבוססת על קרינה בתחום התת-אדום, שאינה נמצאת בתחום האור הנראה.

המשדר האופטי

משדר אופטי הוא החלק ההופך את המידע אותו מעוניינים לשדר לאות אופטי.
אם המידע לשידור הוא אופטי מלכתחילה יש צורך רק לצמד אותו למערכת השידור. אם מידע שמעוניינים לשדר הוא אות חשמלי או כל צורה אחרת (לדוגמה קול), יש צורך להפוך אותו לאות אופטי בעזרת משדר. האמצעי הנפוץ ביותר הוא על ידי אפנון לייזר או דיודת לייזר, בשיטה זו ניתן ליצור אותות של אור וחושך (באות אנלוגי גם שלבי ביניים), ובעזרתם ניתן לשדר את המידע הרצוי.

תווך השידור האופטי

תווך השידור האופטי הוא התווך המשמש כ"צינור" לצורך העברת האות האופטי במערכת. תווך זה חייב להיות מסוגל להעביר את האות האופטי למרחק הרצוי ללא הפרעות ורעשים. בתקשורת האופטית משתמשים בעיקר בסיב אופטי מזכוכית (סיליקה) מצופה, סיב זה מתאים לאורך הגל של השידור האופטי הנפוץ בתת-אדום (1300-1550 ננומטר); אך יש מוליכי גל שונים עבור סוגים שונים של תקשורת, לדוגמה האוויר משמש תווך שידור לאותות רדיו לצורך תקשורת בתווך חופשי.

המקלט האופטי

מקלט אופטי הוא החלק שמטרתו להפוך את האות האופטי המתקבל, חזרה למידע בצורה שבה מעוניינים לקבל אותו. לדוגמה, פוטודיודה הופכת אות אופטי לאות חשמלי (זרם או מתח).

תקשורת אופטית מבוססת סיב אופטי

תקשורת אופטית מבוססת סיב אופטי היא שיטה המבוססת על מעבר של אות אופטי דרך מנחה גל סגור. השיטה יעילה ביותר לשידור לטווח ארוך. השידור הנפוץ הוא שידור על מערכת תקשורת מבוססת סיב אופטי ויעיל ביותר לשידור מידע מבוסס אור. כיום המערכות משמשות בעיקר את תחום הטלפוניה והאינטרנט, רשתות מחשבים, שידורי טלוויזיה בכבלים, ובגלל העלות האטרקטיבית - אף לשידורים לטווח קצר. רוב המערכות כיום מבוססות על סיב אופטי עם ליבת זכוכית (סיליקה), אולם לטווחים קצרים משתמשים גם בסיבי פלסטיק.

התפתחות היסטורית

שידורי מידע לטווח רחוק לא נראו חשובים כל כך בעבר הרחוק, אולם ככל שהתפתחה הטכנולוגיה, הלך וגבר הצורך ונפח המידע המועבר. ככל שרמת החיים והטכנולוגיה השתפרו, גבר גם הצורך במערכת יעילה ואמינה להעברת מידע לטווחים גדולים. הטלגרף ולאחריו הכבל קואקסיאלי שנעשה נפוץ החל מ-1940, הציג את הבעייתיות של מערכות אלו; הצורך במגברים לאורך הקו וכן רעשים והפרעות בשיטה זו, הובילו לחיפוש פתרון חלופי מבוסס אופטיקה.
בשנת 1966 הציגו בחברת STL את הרעיון לשימוש בזכוכית כעדיפה על כבל קואקסיאלי. פיתוח הלייזר בשנות השישים של המאה ה-20 פתר את הבעייתיות של מקור הארה מתאים. בשנת 1970 כאשר חברת "קורנינג" (Corning Glass Works) הציגה את הסיב האופטי עם האיבודים הנמוכים משמעותית, המתאים לאורכי הגל של הלייזר מבוסס מוליכים למחצה שגם הוא פותח באותה השנה - נסללה הדרך למערכות תקשורת מבוססות אופטיקה לטווח רחוק.
המערכת המסחרית הראשונה שיצאה לשוק הותאמה לאורך גל של 0.8 מיקרון. השידור הראשון שנעשה במערכת תקשורת אופטית היה ב-22 באפריל 1977, כאשר חברת "General Telephone and Electronics" שידרה לראשונה שידור טלפון מקליפורניה. הדור הבא של מערכת תקשורת אופטית היה בתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20, והוא היה מותאם ל-1.3 מיקרון. בשנת 1988 נפרש הכבל הטרנס-אטלנטי (TAT-8) שהשתמש בטכנולוגיה אופטית ויכול היה להעביר עד 40,000 שיחות טלפון בו-זמנית. הדור השלישי של מערכות מבוססות סיב היה מותאם לאורכי גל סביב ה-1.5 מיקרון והשתמשו בו במפצי דיספרסיה, כך שלא הייתה כמעט הרחבת אות השידור באורך גל הזה. השימוש בסיב חד אופן נתן מענה לדיספרסיית האופנים. הדור הבא (הרביעי) נועד להרחבת רוחב הסרט של השידור, ומגיע היום עד ל-14 טרה-ביט בשנייה.
בשנת 2000, בעקבות המשבר הפיננסי, נפגע תחום התקשורת האופטית, חברות פיתוח וייצור נסגרו ומשקיעים נזהרו מהשקעות בתחום. רבים סברו שלא יהיה צורך בהרחבת רוחב הפס ולא יגדל עוד השימוש באינטרנט ובמידע. עם זאת, הגידול היה עצום, וכיום רבים רואים שוב את הצורך בפיתוח מערכות תקשורת אופטיות מתקדמות, ורכיבים אופטיים תואמים.

תקשורת אופטית במרחב חופשי

תקשורת אופטית במרחב חופשי היא שיטה המבוססת על מעבר של מידע בצורה של אות אופטי בתווך חופשי (אוויר או ריק) בין שתי נקודות במרחב. היתרון העיקרי של טכנולוגיה זו הוא כאשר אין אפשרות לחיבור סיב אופטי או שלא משתלם כלכלית ליצור את החיבור, לדוגמה, בתקשורת בין מעבורת בחלל או לוויין. בצורת תקשורת זו, לרוב, המשדר יהיה לייזר באורך גל של תת-אדום, אך ייתכן גם שימוש ב-LED לטווחים קצרים בקצבי שידור נמוכים. הטווח המקסימלי לשידור יבשתי בצורה זו עומד כיום על 2-3 קילומטר
אך מכיוון שקיימת תלות בשינויי התווך, כמו שינויי חום, לחץ אטמוספירי, גשם, ערפל ואבק - יציבות השידור ואיכותו יכולים להשתנות בהתאם. שידור בחלל יציב יותר ויכול להגיע גם למספר אלפי קילומטרים. צורה יום יומית של שידור אופטי בתווך חופשי ופשוט יותר הוא תקשורת נתונים בתת-אדום (IrDA).

התפתחות היסטורית

התקשורת האופטית במרחב החופשי התפתחה לאורך ההיסטוריה בצורות שונות: הצבא היווני בתקופת יוון הקלאסית השתמש בהברקת המגנים לצורך איתות והעברת מסרים במהלך הקרב; ההליוגרף ומנורת האיתות שהתפתחו מאוחר יותר השתמשו בקוד מורס; בשנת 1960 עם המצאת הלייזר התעוררה תעשיית האופטיקה בעידוד התעשיות הצבאיות, אך עניין זה דעך לאחר המצאת הסיב האופטי, וכיום משתמשים בטכנולוגיה זו רק כאשר אין אפשרות לחיבור פיזי, או שאין הצדקה פרקטית או כלכלית.