هناك شعر هادئ في كيفية سفر الضوء - لمسة لطيفة عبر خيوط الألياف، بالكاد تُلاحظ، ومع ذلك تحمل الأصوات والصور والاتصالات عبر القارات. في عالمنا اليومي، يبدو أن رحلة الضوء سهلة: غمضة عين، ومضة شاشة. ولكن على أصغر مقاييس الزجاج والهندسة، يمكن أن يكون مساره هشًا، عرضة لأدنى عيب يشتت تدفقه ويضعف إشارته. الآن، في تحول دقيق لكل من الفكر والزجاج، وجد العلماء أن إضافة لفة يمكن أن تحدث كل الفرق.
قامت مجموعة من الفيزيائيين بقيادة جامعة باث، بالتعاون مع جامعة كامبريدج وشركاء دوليين، بتطوير نوع جديد من الألياف البصرية الملتوية التي تشجع الضوء على اتباع مسارات محمية حتى عندما تنحني الألياف أو تلتوي أو تحمل عيوبًا صغيرة. من خلال إدخال لفة محكومة بعناية أثناء عملية التصنيع العادية، أنشأوا ما يُسمى بالعازل الطوبولوجي الضوئي - هيكل يتصرف فيه الضوء تقريبًا مثل نهر ينحني بسهولة حول العقبات بدلاً من أن يتشظى عندها. يمكن أن تجعل هذه الطريقة تدفق الضوء أكثر مرونة وموثوقية في الأنظمة التي تهم فيها الدقة والاتساق أكثر.
في الألياف البصرية التقليدية - الخيوط الرفيعة من الزجاج التي تشكل العمود الفقري للاتصالات الحديثة - يسير الضوء في نواة واحدة، حاملاً المعلومات عبر مسافات شاسعة. حتى العيوب الطفيفة في الزجاج يمكن أن تشتت هذا الضوء، مما يتسبب في انحراف بعضه عن مساره أو انعكاسه للخلف، مما يقلل من جودة الإشارة وقوتها. غالبًا ما تصطدم المحاولات لزيادة سعة البيانات عن طريق إضافة المزيد من النوى بحاجز: يميل الضوء إلى "الاقتران" بين القنوات المجاورة، مما يؤدي إلى الضوضاء وتقليل الوضوح.
تتناول التصميم الجديد هذه التحديات من خلال لف الألياف متعددة النوى أثناء سحبها من الشكل الأولي إلى الخيط النهائي. داخل هذا الهيكل الحلزوني، يتبع الضوء حالات خاصة مرتبطة باللفة، مما يحافظ عليه على المسار ويمنع قفزاته بين النوى أو تشتته بسبب عدم الانتظام. عندما يواجه الضوء عيبًا، يتحرك ببساطة حوله، تمامًا مثل الماء الذي يتدفق بسلاسة حول صخرة في مجرى مائي. يؤدي ذلك إلى ما يسميه الباحثون توجيه الضوء المحمي طوبولوجيًا - وهي ميزة يمكن أن تحسن بشكل كبير من سلامة الإشارة في الشبكات البصرية بعيدة المدى وعالية الأداء.
واحدة من الجوانب الجذابة لهذا الابتكار هي توافقه مع طرق التصنيع الحالية. نظرًا لأن اللفة يمكن دمجها في عملية سحب الألياف القياسية المستخدمة بالفعل من قبل المنتجين، فإن التقنية لا تتطلب مواد غريبة أو مصانع جديدة تمامًا. تظل الألياف الناتجة مرنة، ويمكن تصنيعها بأطوال ممتدة، وتظهر فقدانًا ضئيلاً، تمامًا مثل الألياف البصرية العادية، ولكن مع مقاومة محسّنة للعيوب الفيزيائية والهيكلية.
تمتد تداعيات هذا التطور إلى عدة مجالات تكنولوجية رئيسية. بالنسبة للاتصالات، قد تعني مسارات الضوء الأكثر قوة موثوقية محسّنة للاتصالات عالية النطاق بين الأجهزة ومراكز البيانات وعبر الشبكات العالمية للألياف. في المجالات الناشئة مثل الاتصالات الكمومية - حيث يكون التدفق الدقيق للضوء ضروريًا للحفاظ على سلامة الحالات الكمومية - قد تكون القدرة على توجيه الفوتونات مع خسائر واضطرابات أقل ذات قيمة خاصة. قد تستفيد أيضًا تطبيقات الاستشعار الدقيقة، مثل تلك المستخدمة في التصوير الطبي أو مراقبة البيئة، من الروابط البصرية التي تحافظ على وضوح الإشارة حتى في الظروف الصعبة.
في المجالات التي تُعد فيها كل فوتون مهمًا، يحمل هذا الالتواء في تصميم الألياف وعدًا بتحويل الفيزياء الدقيقة إلى أداء عملي. من خلال دمج المواد التقليدية مع تحول هندسي، فتح الباحثون طريقًا نحو ألياف ليست مجرد قنوات للضوء ولكن طرق سريعة مرنة تحمل المعلومات برشاقة واستقرار.
بعبارات أخبارية مباشرة: أظهر الباحثون ألياف بصرية جديدة ملتوية تستخدم هياكل متعددة النوى والتفافات مدمجة لإنشاء مسارات محمية للضوء، مما يقلل من التشتت الناتج عن العيوب وفقدان الإشارة المحتمل. تُظهر الدراسة، التي نُشرت في مجلة Nature Photonics، أن هذا التصميم متوافق مع طرق تصنيع الألياف الحالية ويمكن أن يدعم أنظمة بصرية عالية النطاق وذات دقة أكبر في التطبيقات المستقبلية.
تنبيه صورة الذكاء الاصطناعي الصور تم إنشاؤها باستخدام أدوات الذكاء الاصطناعي وليست صورًا حقيقية.
📰 المصادر Phys.org، بيان صحفي من جامعة باث، وتقرير جامعة كامبريدج حول الألياف البصرية الملتوية التي تخلق مسارات قوية للضوء.
نُشر بواسطة Banx Network. هذا المقال جزء من برنامج الوسائط اللامركزية من Banx، مدعومًا برمز BXE على شبكة XRP Ledger.
