תקשורת אופטית

תקשורת אופטית היא הגדרה לכל צורה של תקשורת המשתמשת באור לנשיאת נתונים. 
מערכת התקשורת האופטית מורכבת משלושה חלקים עיקריים: המשדר האופטי, הממיר את הנתונים לאור, התווך המעביר את הנתונים אל היעד והמקלט, המקבל את האות האופטי ביעד וממיר את האור חזרה לנתונים.

מערכת אופטית נפוצה היא מערכת הראייה אצל בני אדם ובעלי חיים. לדוגמה, כאשר אנו רואים אור מתחלף ברמזור (המשדר), האור מתקדם באוויר (תווך חופשי) ונקלט על ידי העין והמוח (מערכת הקליטה). בתקשורת נתונים משתמשים במערכת שידור אופטית המבוססת על סיבים אופטיים.

רק חלק קטן מהספקטרום האלקטרומגנטי הוא בתחום האופטי: קרינת תת-אדום, אור נראה, ורוב טווח העל-סגול.

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: 
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.

רוב התקשורת האופטית כיום מבוססת על קרינה בתחום התת-אדום, שאינה נמצאת בתחום האור הנראה.

רכיבי מערכת תקשורת אופטית

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).

רכיבים נוספים
למערכת האופטית יכולים להתווסף מספר מרכיבים בהתאם לצורך, למשל:
 מגבר אופטי - כאשר מקור השידור הוא בעוצמה נמוכה או לאורך טווח ארוך, יש צורך בהגברת עוצמת האות; שימוש במגבר אופטי מסוגים שונים מהווה פתרון לבעיה זו. שימוש נכון ומושכל במגברים אופטיים במערכת יכול להביא לשיפור יחס האות לרעש במקלט.
 מעבד אופטי - ביצוע פעולות באות המשודר לצורך קידודו או כל פעולה אחרת, יכול להתקיים על ידי מעבד אופטי במערכת השידור. מעבד זה יכול למנוע צורך במעבר בין אות אופטי לחשמלי ולהפך, ומשפר את ביצועי המערכת. כיום מפתחים טכנולוגיה לעיבוד המידע בסיב האופטי עצמו.
 מתג אופטי - כאשר בכניסה למערכת או ביציאה ממנה יש מספר מקורות שידור או קליטה, בהתאמה, יש צורך בהכוונה של האות ליעד הנדרש; במקרה כזה ניתן להשתמש במתג אופטי, המאפשר שליטה על העברה או חסימה של האות וכן הפנייה ליעד מתאים.
 מרבב ומפלג אופטי (מסנן) - משמש לצורך הכנסת מספר אורכי גל לשידור יחדיו, וכן לפענוח השידור ביציאת המערכת.
 מבודד אופטי (איזולטור) - רכיב המסוגל ליצור מחסום חד כיווני לאור העובר במערכת, כך שייתכן מעבר אור בכיוון אחד בלבד (רכיב בלתי הפיך)
 מצמד סיבים אופטיים - רכיב המסוגל לצמד שתי מערכות תקשורת זו לזו, לדוגמה שני סיבים שונים לחבר אותם יחדיו לסיב בודד, או להפך, להפריד אות מסיב בודד לשני מקורות שונים ביחס רצוי.
 מנחת אופטי - רכיב שמטרתו להנחית את האות המשודר. ה"מנחת" מפחית את עוצמת (משרעת) האות האופטי על ידי בליעת אור או פיזורו.

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.

תחומי אורכי הגל
כל אחד מהאפקטים המשפיעים על איבודים ופיזורים במוליך הגל, תלוי באורך הגל האופטי העובר בו; התחום בו קיימות מינימום ההפרעות עבור אורך גל ספציפי נקבע כ"חלון". התקן שנקבע לחלונות השידור הוא:
 החלון הראשון שנקבע מבחינה היסטורית, 800-900 ננומטר. בתחום זה האיבודים גבוהים וההגבר נמוך, ולכן חלון זה מתאים לטווחי עבודה קצרים בלבד.
 החלון השני הוא לאורכי הגל סביב 1300 ננומטר (1.3 מיקרון), בתחום זה איבודים בסיליקה נמוכים מאוד והדיספרסיה בסיב חלשה, כך שההרחבה מינימלית. תחום זה משמש לשידור בטווח ארוך. הבעיה של תחום זה היא ההגברה האופטית, מגברים אופטיים הם לא כל כך מוצלחים יחסית למגברים סביב 1.5 מיקרון.
 החלון השלישי הוא סביב 1500 ננומטר (1.5 מיקרון), שהוא כיום הנפוץ ביותר. האיבודים בסיליקה נמוכים מאוד וגם המגברים מבוססי הארביום יעילים ביותר וזמינים.

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.

יישומים
 רשתות מחשבים (LAN-to-LAN) למרחקים קצרים כמו באוניברסיטאות או במרחבים קרובים.
 כאשר אין אפשרות לחיבור פיזי, למשל כאשר יש מכשול בין המשדר לקולט, כמו תעלה, או בניין קיים.
 להקמת רשת מקומית זמנית, כמו בכנסים או כאשר יש צורך להשבית את הרשת הקיימת.
 מערכת גיבוי לחיבור קיים.
 תקשורת בין תחנות חלל או מעבורות בחלל.

קרן האור בתקשורת אופטית במרחב חופשי יכולה להיות צרה מאוד, כך שקשה מאוד להפריע או "ליירט" אותה; ניתן לקודד את המידע בכל צורה כך שהשידור, למרות היותו במרחב חופשי, מאובטח.

יתרונות וחסרונות השידור האופטי

יתרונות
 קצב שידור גבוה
 רוחב סרט רחב - רוחב הפס (bandwidth, כמות הנתונים שניתן להעביר בקו תקשורת בזמן נתון), נמדד בסיביות לשנייה (bps - bits per second). בשנים הראשונות לשימוש הנרחב באינטרנט הפך רוחב הפס לבעיה העיקרית של האינטרנט, עם המעבר הגובר מדפים טקסטואליים לדפי מולטימדיה, הכוללים כמות גדולה מאוד של סיביות. שינויים טכנולוגיים, ובהם החדרת טכנולוגית ADSL בקווי טלפון רגילים, הפעלה נרחבת של תקשורת נתונים באמצעות סיבים אופטיים ותקשורת לוויינים ביתית, הביאו לפריצת המחסום של רוחב הפס. גידול דרמטי ברוחב הפס משפיע מהותית על כל תחומי הפעילות באינטרנט. בסיבים האופטיים רוחב הפס רחב מאוד ומאפשר העברת כמות רבה של מידע.
 טווח שידור ארוך - בתשתית המסורתית של התקשורת יוצאים הכבלים הקואקסיאליים ממקור משותף המכונה headend, שבו מאופננים כל ערוצי הטלוויזיה על גבי הקואקס, בחלוקת תדר; כל ערוץ טלוויזיה תופס תחום תדר של 6, 7, או 8 MHz. הכבלים הקואקסיאליים מתחילים להתפצל במבנה של "עץ", וכך לבסוף מתפצל העץ למספר רב של "ענפים" כאשר כל "ענף" מגיע לרכיב הקצה. מכיוון שהאות המשודר נחלש בכל פיצול כזה של ה"עץ", וכן לאורך הכבל עצמו יש ירידה בעוצמת האות המשודר - יש צורך במספר רב של מגברים, המפצים על ניחות האות בהתפצלות של העץ ולאורך הכבל, ומאפשרים הגעת האות באיכות סבירה לכל נקודת קצה. בשימוש בסיבים אופטיים ניתן לחסוך את מרבית המגברים משום שהניחות בכל פיצול הוא נמוך מאוד וכן הניחות של הסיבים עצמם הוא נמוך, וכך רק כל כמה עשרות קילומטרים יש צורך במגבר, לעומת עשרות מטרים בכבל חשמלי.
 חסינות לציתות והפרעות - מכיוון שמדובר בהעברת אותות אופטיים ולא חשמליים, לא נפלטת קרינה אלקטרומגנטית מהסיב ולכן ישנו קושי רב יותר להאזין או לגלות מידע שעובר על גביו. לכך קיימת חשיבות רבה לצורך הצפנת מידע ואבטחת המידע. בכבל חשמלי יש אפשרות הן לצותת לקו ללא התחברות פיזית והן על ידי מגע פיסי, וזאת ללא גילוי על ידי הצדדים (המשדר והקולט). שתי קרני אור הפוגעות אחת בשנייה לא יפגעו בתשדורת, ולכן אין הפרעות בין אות משודר באורך גל מסוים לאות אחר על גבי אורך גל אחר.
 משקל ונפח - חברות התקשורת השתמשו עד כה בכבלים קואקסיאליים מאסיביים בעלי קוטר גדול, על-מנת ליצור פס רחב וניחות נמוך. כיום משתמשים בסיבים אופטיים שקוטרם כקוטר שערה ומשקלם נמוך מאוד (משקלו של סיב באורך מספר קילומטרים הוא קילוגרם בודד). בעבר היה צורך במספר ספינות כדי למתוח כבלים בין יבשות מתחת לים בגלל המשקל העצום של הכבלים, אך כיום ניתן לפרוס בקלות מאות קילומטרים של סיבים באמצעות ספינה אחת.
 מזעור - שימוש נוסף בסיבים האופטיים הוא על ידי מזעור מערכות. ניתן כיום על ידי דיקוק רכיבים מוליכים למחצה בתוך זכוכית לייצר רכיבים תוך-סיביים. כלומר, כבר בתוך הסיב ניתן לבצע פעולות על המידע המשודר. ניתן אף ליצור לייזרים בתוך הסיב עצמו ובכך לחסוך מקום במערכת התקשורת. אפשר להשתמש בסיב אף לצורך הגעה פיזית עם תאורה למקומות בעלי קשיי גישה, על ידי שליטה ממרחק על הסיב, וכך ניתן להגיע למקומות שכבל חשמלי לא יכול להגיע אליהם.

חסרונות
 המרת אות חשמלי לאופטי ולהפך - הטכנולוגיה כיום עדיין מבוססת על מידע חשמלי ועיבוד חשמלי, המידע המשודר מגיע בצורת אותות חשמליים וצריך להיקרא בצד המקבל בצורה חשמלית. אמנם ניתן להשתמש בממירים להמיר את האות החשמלי לאות אופטי בכניסה לסיב, או למערכת השידור, ובחזרה לאות חשמלי ביציאה מהסיב, כלומר ביציאת מערכת השידור - אך פעולה זו אינה נדרשת כאשר האות מועבר בצורה חשמלית על בסיס שידור חשמלי (לדוגמה - כבל קואקסיאלי). החיסרון מתבטא בהוספת רכיבים למערכת, כלומר חיסרון כלכלי, וכן בעובדה שכל הוספה של רכיב למערכת מוסיפה רעש ופוגעת ביחס אות לרעש וב-BER. הפתרון לבעיה זו הוא שימוש בטכנולוגיה המתקדמת של מעבד אופטי, בו המידע יכול להישאר בצורה אופטית בכל שלבי העבודה, הן בשלב השידור והן בשלב הקליטה.
 עלות יחסית גבוהה - על אף שמחירו של חוט נחושת גבוה ממחירו של סיב אופטי עירום, הרי שמחיר כבל נחושת המכיל חוטים רבים הוא זול יותר ממחיר כבל אופטי דומה, המכיל מספר סיבים בתוספת שכבות הגנה מיוחדות והנחתו דורשת ציוד עדין ויקר. לכן כמעט אין עדיין פרישת סיבים אופטיים לבתי צרכנים.
 חיבור סיבים - כאשר נקרע חוט נחושת, ניתן לחבר אותו בקלות על ידי הלחמה, פעולה פשוטה וזולה. לעומת זאת, על מנת לחבר סיב אופטי שנקרע או נפגם, נדרש ציוד מיוחד ויקר יותר (פעולת החיבור בסיב נקראת ריתוך באמצעות רתכת סיבים), ובנוסף, החיבור לא יוכל להיות מושלם ולכן תמיד יהיו ניחותים בנקודת החיבור.

ראו גם

 תקשורת מבוססת סיב אופטי
Li-Fi (סוג של תקשורת אופטית אלחוטית)

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
אופטיקה
פוטוניקה
אלקטרואופטיקה
שיטות טלקומוניקציה
יישומי לייזר