উন্নত অপটিক্যাল ফাইবার আধুনিক যোগাযোগ নেটওয়ার্ককে রূপান্তরিত করে

ফাইবার অপটিক প্রযুক্তি দ্রুত বিকশিত হচ্ছে, যা তথ্য যুগে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। সংকেত প্রেরণের জন্য ব্যবহৃত ঐতিহ্যবাহী অপটিক্যাল ফাইবারগুলির বাইরে, "বিশেষ অপটিক্যাল ফাইবার" নামে একটি নতুন শ্রেণি গেম-চেঞ্জার হিসেবে আবির্ভূত হচ্ছে। এই ফাইবারগুলি অপটিক্যাল যোগাযোগের বিশেষ বাহিনী হিসেবে কাজ করে, সংকেত প্রক্রিয়াকরণ, ডিভাইস ইন্টারকানেকশন এবং অন্যান্য বিশেষায়িত অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে অনন্য এবং গুরুত্বপূর্ণ কাজ করে। এই বিশেষ ফাইবারগুলিকে কী এত উল্লেখযোগ্য করে তোলে এবং কীভাবে তারা অপটিক্যাল যোগাযোগের ভবিষ্যৎকে নতুন রূপ দিতে পারে? এই নিবন্ধটি বেশ কয়েকটি প্রতিনিধিত্বমূলক বিশেষ ফাইবার পরীক্ষা করে, তাদের প্রযুক্তিগত নীতি, অ্যাপ্লিকেশন এবং চ্যালেঞ্জগুলি অন্বেষণ করে।

অপটিক্যাল ট্রান্সমিশন সিস্টেমে, যেখানে স্ট্যান্ডার্ড সিঙ্গেল-মোড ফাইবার (SMF) প্রধান, সেখানে ক্রোম্যাটিক ডিসপারশন একটি উল্লেখযোগ্য চ্যালেঞ্জ তৈরি করে। ডিসপারশন অপটিক্যাল পালস ব্রডেনিং ঘটায়, যা সংকেতের গুণমান হ্রাস করে এবং ট্রান্সমিশন দূরত্ব ও গতি সীমিত করে। ডিসপারশন ক্ষতিপূরণ ফাইবার (DCF) এই সমস্যার একটি কার্যকর সমাধান প্রদান করে। DCF-এর মূল বৈশিষ্ট্য হল ১৫৫০ nm তরঙ্গদৈর্ঘ্যের উইন্ডোতে এর বৃহৎ ঋণাত্মক ডিসপারশন মান, যা স্ট্যান্ডার্ড SMF-এ উৎপন্ন ধনাত্মক ডিসপারশনের ক্ষতিপূরণ করে।

বিশেষ করে, DCF-এর সাধারণত প্রায় D ≈ -95 ps/(nm·km) ডিসপারশন সহগ থাকে। এর মানে হল প্রায় ১৪ কিমি DCF, ৮০ কিমি স্ট্যান্ডার্ড SMF-এর ডিসপারশনের ক্ষতিপূরণ করতে পারে। ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে, DCF সাধারণত ডিসপারশন ক্ষতিপূরণ মডিউল (DCM) হিসাবে প্যাকেজ করা হয়, যা সিস্টেম ইন্টিগ্রেশনকে সহজ করে।

অন্যান্য ডিসপারশন ক্ষতিপূরণ কৌশলগুলির সাথে তুলনা করলে, যেমন ফাইবার ব্র্যাগ গ্রেটিং (FBG), DCF একটি বিস্তৃত তরঙ্গদৈর্ঘ্যের উইন্ডো, উচ্চ নির্ভরযোগ্যতা এবং অত্যন্ত কম ডিসপারশন রিপল-এর মতো সুবিধা প্রদান করে—যা তরঙ্গদৈর্ঘ্য বিভাজন মাল্টিপ্লেক্সিং (WDM) সিস্টেমের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এছাড়াও, DCF ডিসপারশন ঢাল ক্ষতিপূরণ করার জন্য ডিজাইন করা যেতে পারে, যা এটিকে বিস্তৃত-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের WDM অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য আদর্শ করে তোলে।

তবে, DCF-এর সীমাবদ্ধতা রয়েছে। প্রতি একক দৈর্ঘ্যের সীমিত ডিসপারশন মানের কারণে, DCF-এর জন্য যখন বৃহৎ মোট ডিসপারশন ক্ষতিপূরণের প্রয়োজন হয়, তখন তুলনামূলকভাবে উচ্চ অ্যাটেনিউয়েশন দেখা যায়। আরও, ১৫৫০ nm তরঙ্গদৈর্ঘ্যের উইন্ডোতে ঋণাত্মক ডিসপারশন অর্জনের জন্য, DCF-এর কার্যকরী কোর এলাকা সাধারণত ছোট হয় (Aeff ≈ ১৫ µm²), যা স্ট্যান্ডার্ড SMF-এর প্রায় এক-পঞ্চমাংশ। এর ফলে DCF-এ উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত ননলাইনার প্রভাব দেখা যায়, যা DCF অন্তর্ভুক্ত করে এমন পরিমাপ ডিভাইস ডিজাইন করার সময় বিবেচনা করতে হবে।

আদর্শ সিঙ্গেল-মোড ফাইবারের বৃত্তাকার ক্রস-সেকশন থাকে, যেখানে দুটি ডিজেনারেট মোড পারস্পরিক অর্থোগোনাল পোলারাইজেশন অবস্থা এবং অভিন্ন প্রচার ধ্রুবক বৈশিষ্ট্যযুক্ত। যাইহোক, বাহ্যিক চাপ ফাইবারে বাইরিফ্রিনজেন্স তৈরি করতে পারে, যার ফলে এই ডিজেনারেট মোডগুলি ভিন্ন প্রচার ধ্রুবক তৈরি করে। এই দুটি পোলারাইজেশন মোডের মধ্যে অপটিক্যাল সংকেতের বিতরণ শুধুমাত্র আলোকের উৎস এবং ফাইবারের মধ্যে সংযোগের অবস্থার উপর নির্ভর করে না, বরং প্রচারের সময় মোডগুলির মধ্যে শক্তি সংযোগের উপরও নির্ভর করে—যা সাধারণত একটি এলোমেলো প্রক্রিয়া। ফলস্বরূপ, ফাইবারটির মধ্য দিয়ে কয়েক মিটার যাওয়ার পরেই আউটপুট সংকেতের পোলারাইজেশন অবস্থা সাধারণত এলোমেলো হয়ে যায়। মোড কাপলিং এবং আউটপুট পোলারাইজেশন অবস্থা তাপমাত্রা পরিবর্তন, যান্ত্রিক চাপের পরিবর্তন এবং মাইক্রো- ও ম্যাক্রো-বেন্ডিং-এর মতো বাহ্যিক ব্যাঘাতের প্রতি অত্যন্ত সংবেদনশীল।

দুটি অর্থোগোনাল পোলারাইজেশন মোডের মধ্যে শক্তি সংযোগ কমানোর জন্য, তাদের প্রচার ধ্রুবকের পার্থক্য যথেষ্ট বড় হতে হবে। এটি কোরে অপ্রতিসম চাপ প্রয়োগ করার জন্য ফাইবার ক্ল্যাডিংয়ে অতিরিক্ত উপাদান যুক্ত করে অর্জন করা হয়। বিভিন্ন উপাদানের তাপীয় প্রসারণ সহগের কারণে, ফাইবার ড্রয়িং প্রক্রিয়ার সময় কোরে একমুখী চাপ তৈরি করা যেতে পারে। স্ট্রেস-অ্যাপ্লাইং পার্টস (SAPs)-এর আকারের উপর ভিত্তি করে, PM ফাইবারগুলিকে হয় "পান্ডা" বা "বো-টাই" প্রকারে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়।

এটা মনে রাখা গুরুত্বপূর্ণ যে PM ফাইবারগুলি মূলত অত্যন্ত বাইরিফ্রিনজেন্ট ফাইবার, যা অর্থোগোনাল পোলারাইজেশন মোডগুলির মধ্যে সংযোগ কমানোর জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। যাইহোক, একটি PM ফাইবারকে একটি সংকেতের পোলারাইজেশন অবস্থা বজায় রাখার জন্য, ইনপুট সংকেতের পোলারাইজেশন অবশ্যই ফাইবারের স্লো বা ফাস্ট অক্ষের সাথে সারিবদ্ধ হতে হবে। অন্যথায়, উভয় ডিজেনারেট মোড উত্তেজিত হবে এবং তাদের মধ্যে ন্যূনতম শক্তি সংযোগ থাকা সত্ত্বেও, তাদের আপেক্ষিক অপটিক্যাল দশার উপর ফাইবারের ব্যাঘাতের প্রভাব পড়বে, যা আউটপুট পোলারাইজেশন অবস্থাকে বজায় রাখতে বাধা দেবে।

অতএব, অপটিক্যাল সিস্টেমে PM ফাইবার ব্যবহার করার সময়, ইনপুট সংকেতের পোলারাইজেশন অবস্থার সতর্ক সারিবদ্ধকরণ অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। অন্যথায়, আউটপুট পোলারাইজেশন স্থিতিশীলতার ক্ষেত্রে, PM ফাইবারগুলি স্ট্যান্ডার্ড সিঙ্গেল-মোড ফাইবারগুলির চেয়ে খারাপ পারফর্ম করতে পারে। PM ফাইবারগুলির সাথে আরেকটি চ্যালেঞ্জ হল সেগুলি সংযোগ এবং স্প্লাইস করা কঠিন। দুটি PM ফাইবার যুক্ত করার সময়, তাদের বাইরিফ্রিনজেন্স অক্ষগুলি পুরোপুরি সারিবদ্ধ করতে হবে। ভুল সারিবদ্ধকরণ ইনপুট পোলারাইজেশন মিসলাইনমেন্টের মতো একই সমস্যা সৃষ্টি করে। PM ফাইবার স্প্লাইসার, যা সুনির্দিষ্ট অক্ষ ঘূর্ণন এবং সারিবদ্ধকরণ প্রদান করে, তাদের জটিলতার কারণে প্রচলিত ফাইবার স্প্লাইসারের চেয়ে পাঁচগুণ বেশি খরচ হতে পারে।

ফোটোনিক ক্রিস্টাল ফাইবার (PCF), যা ফোটোনিক ব্যান্ডগ্যাপ ফাইবার নামেও পরিচিত, প্রচলিত ফাইবার থেকে সম্পূর্ণ ভিন্ন একটি নতুন ধরনের ফাইবার উপস্থাপন করে, যার ওয়েভগাইডিং প্রক্রিয়া মৌলিকভাবে আলাদা। PCF-এর ক্রস-সেকশনে সাধারণত অসংখ্য পর্যায়ক্রমিকভাবে বিতরণ করা বায়ু ছিদ্র থাকে, যা এটিকে "হোলে" ফাইবার উপাধি এনে দিয়েছে। PCF-এর আলো-নির্দেশক প্রক্রিয়া ফাইবারের ট্রান্সভার্স দিকে ব্র্যাগ রেজোন্যান্স প্রভাবের উপর নির্ভর করে, যার অর্থ এর কম-ক্ষতি ট্রান্সমিশন উইন্ডোগুলি মূলত ব্যান্ডগ্যাপ কাঠামোর নকশার উপর নির্ভর করে।

বৃহৎ-কোর-এলাকা PCF একটি ব্যতিক্রমীভাবে বিস্তৃত তরঙ্গদৈর্ঘ্যের উইন্ডোতে (যেমন, ৭৫০-১৭০০ nm) একক-মোড অপারেশন করতে দেয়, যেখানে একটি বৃহৎ কোর এলাকা বজায় থাকে। হলো-কোর PCF-এর সাথে তুলনা করলে, বৃহৎ-কোর-এলাকা PCF আরও বিস্তৃত কম-ক্ষতি উইন্ডো প্রদান করে। যদিও এর ননলাইনার প্যারামিটার স্ট্যান্ডার্ড SMF-এর চেয়ে কম, তবে এটি সাধারণত হলো-কোর PCF-এর চেয়ে অনেক বেশি।

উচ্চ ননলাইনার PCF, এর অত্যন্ত ছোট কঠিন কোর ক্রস-সেকশন সহ, কোরে খুব উচ্চ শক্তি ঘনত্ব সক্ষম করে। উদাহরণস্বরূপ, একটি উচ্চ ননলাইনার PCF যার শূন্য-ডিসপারশন তরঙ্গদৈর্ঘ্য λ0 = 710 nm, তার কোর ব্যাস ১.৮ µm-এর মতো ছোট হতে পারে এবং ননলাইনার প্যারামিটার γ > 100 W⁻¹ km⁻¹ হতে পারে—যা স্ট্যান্ডার্ড SMF-এর চেয়ে ৪০ গুণ বেশি। এই ধরনের PCF সাধারণত প্যারামেট্রিক অ্যামপ্লিফিকেশন এবং সুপারকন্টিনিউয়াম জেনারেশন-এর মতো ননলাইনার অপটিক্যাল সিগন্যাল প্রক্রিয়াকরণ অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ব্যবহৃত হয়।

হলো-কোর PCF একটি বায়ু কোরের মাধ্যমে আলোর সংকেত পরিচালনা করে। প্রচলিত ওয়েভগাইডের বিপরীতে যার উচ্চ-প্রতিসরাঙ্কযুক্ত কঠিন ডাইইলেকট্রিক উপাদানের প্রয়োজন, PCF-এর ক্ল্যাডিং-এর ফোটোনিক ব্যান্ডগ্যাপ কাঠামো একটি ভার্চুয়াল মিরর হিসেবে কাজ করে, যা বায়ু কোরে আলোকরশ্মি তরঙ্গকে সীমাবদ্ধ করে। বেশিরভাগ হলো-কোর PCF-এ, ৯৫%-এর বেশি অপটিক্যাল শক্তি বায়ু পথে ভ্রমণ করে, যা সংকেত শক্তি এবং কাঁচের উপাদানের মধ্যে মিথস্ক্রিয়া কমিয়ে দেয়। যেহেতু বায়ুর ননলাইনারিটি সিলিকার চেয়ে প্রায় তিনগুণ কম, তাই হলো-কোর PCF অত্যন্ত কম ননলাইনারিটি প্রদর্শন করতে পারে, যা এটিকে উচ্চ-শক্তির অপটিক্যাল সংকেত প্রেরণের জন্য উপযুক্ত করে তোলে।

তবে, PCF দুটি প্রধান চ্যালেঞ্জের সম্মুখীন হয়: তুলনামূলকভাবে সংকীর্ণ ট্রান্সমিশন উইন্ডো (বিশেষ করে হলো-কোর PCF-এর জন্য, সাধারণত প্রায় ২০০ nm) যা বায়ু কোরে সংকেত শক্তি সীমাবদ্ধ করে এমন পর্যায়ক্রমিক কাঠামোর শক্তিশালী রেজোন্যান্স প্রভাবের কারণে; এবং তুলনামূলকভাবে উচ্চ অ্যাটেনিউয়েশন, যা প্রধানত উত্পাদনগত অসম্পূর্ণতার কারণে ঘটে যা বায়ু ছিদ্রের দেয়ালের রুক্ষতার দিকে পরিচালিত করে। PCF-এর বিশাল বায়ু/কাঁচের ইন্টারফেস এলাকা থাকার কারণে সামান্য পৃষ্ঠের রুক্ষতাও উল্লেখযোগ্য বিক্ষেপণ ক্ষতি ঘটাতে পারে। ফলস্বরূপ, PCF একটি ব্যয়বহুল, উচ্চ-শ্রেণীর ফাইবার হিসেবে রয়ে গেছে, যা বেশিরভাগ ক্ষেত্রে কিলোমিটারের পরিবর্তে মিটারে বিক্রি হয়। তাদের ভঙ্গুরতা এবং হ্যান্ডলিং সমস্যা—যা বায়ু ছিদ্র থেকে উদ্ভূত হয় যা পৃষ্ঠের চিকিত্সা, সমাপ্তি, সংযোগ এবং স্প্লাইসিংকে জটিল করে তোলে—আরও ব্যাপক গ্রহণকে সীমিত করে।

সম্প্রতি, হলো-কোর নেস্টেড অ্যান্টিরেসোনেন্ট নোডলেস ফাইবার (HC-NANF) নামক এক বিশেষ ধরনের হলো-কোর PCF উচ্চ-গতির অপটিক্যাল ট্রান্সমিশনের জন্য সম্ভাবনা দেখিয়েছে। HC-NANF-এর কোর কাঠামোতে একটি কেন্দ্রীয় বায়ু কোরের চারপাশে সাজানো ছয় জোড়া নেস্টেড সিলিকা কৈশিক নালী রয়েছে। এই নেস্টেড ডিজাইন মোড ক্ষেত্রকে বায়ু কোরের কেন্দ্রীয় অঞ্চলের দিকে ঠেলে দিতে সাহায্য করে, যা সিলিকা উপাদানের সাথে মিথস্ক্রিয়া কমিয়ে দেয় এবং সম্ভাব্যভাবে অ্যাটেনিউয়েশন উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে। কৈশিক নালীর বেধ, ব্যাস এবং অবস্থানের সঠিক নকশার মাধ্যমে, HC-NANF-এর কম-ক্ষতি ব্যান্ডউইথ সম্পূর্ণ ১১০০-১৬০০ nm তরঙ্গদৈর্ঘ্যের উইন্ডো কভার করতে পারে। উন্নত উত্পাদন কৌশল ইতিমধ্যেই HC-NANF-এর অ্যাটেনিউয়েশন ০.২৮ dB/km-এ কমিয়েছে। সবশেষে, যেহেতু আলো ক্ষেত্রটি ন্যূনতম সিলিকা মিথস্ক্রিয়ার সাথে বায়ু কোরে প্রসারিত হয়, তাই উত্পাদন কৌশল উন্নত হলে অভ্যন্তরীণ ক্ষতি স্ট্যান্ডার্ড কঠিন-কোর ফাইবারগুলির চেয়ে অনেক কম হতে পারে।

হলো-কোর ফাইবার অতিরিক্ত সুবিধা প্রদান করে: নগণ্য ননলাইনারিটি ননলাইনার অবনতির উদ্বেগ ছাড়াই উচ্চতর সংকেত শক্তির অনুমতি দেয় এবং আলোর সংকেতগুলি স্ট্যান্ডার্ড কঠিন-কোর ফাইবারগুলির তুলনায় প্রায় ৩০% দ্রুত প্রসারিত হয়, n≈১.৪৭ থেকে n≈১ পর্যন্ত প্রতিসরাঙ্ক হ্রাসের কারণে, যা ট্রান্সমিশন লেটেন্সি কমাতে সাহায্য করে। উচ্চ-গতির WDM ট্রান্সমিশন পরীক্ষাগুলি থেকে জানা যায় যে HC-NANF WDM অপটিক্যাল সিস্টেম এবং নেটওয়ার্কগুলির জন্য বর্তমান SMF-এর একটি প্রতিশ্রুতিশীল বিকল্প হতে পারে।

প্লাস্টিক অপটিক্যাল ফাইবার (POF) একটি কম খরচের বিকল্প সরবরাহ করে যা পরিচালনা করাও সহজ। POF কোরগুলি সাধারণত PMMA (পলিমিথাইল মেথাক্রাইলেট) থেকে তৈরি করা হয়, যা একটি সাধারণ রেজিন, যেখানে ক্ল্যাডিং সাধারণত ফ্লোরিনেটেড পলিমার দিয়ে গঠিত, যার প্রতিসরাঙ্ক কোরের চেয়ে কম। POF ক্রস-সেকশন ডিজাইনগুলি সিলিকা ফাইবারগুলির চেয়ে বেশি নমনীয়, যা বিভিন্ন কোর আকার এবং কোর/ক্ল্যাডিং অনুপাতের অনুমতি দেয়। উদাহরণস্বরূপ, বৃহৎ POF-এ, ৯৫% ক্রস-সেকশন আলো প্রেরণের জন্য কোর হতে পারে।

POF উত্পাদন সিলিকা-ভিত্তিক ফাইবারগুলির জন্য প্রয়োজনীয় ব্যয়বহুল MOCVD প্রক্রিয়ার প্রয়োজন হয় না, যা কম খরচে অবদান রাখে। যদিও সিলিকা ফাইবারগুলি টেলিযোগাযোগে আধিপত্য বিস্তার করে, POF তার সাশ্রয়ীতা এবং নমনীয়তার কারণে খরচ-সংবেদনশীল ক্ষেত্রগুলিতে ক্রমবর্ধমান অ্যাপ্লিকেশন খুঁজে পায়। POF সংযোগ এবং ইনস্টলেশন খরচ বিশেষভাবে কম, যা এটিকে ফাইবার-টু-দ্য-হোম অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য আকর্ষণীয় করে তোলে।

তবে, POF-এর প্রায় ০.২৫ dB/m ট্রান্সমিশন ক্ষতি সিলিকা ফাইবারের চেয়ে প্রায় তিনগুণ বেশি, যা দীর্ঘ-দূরত্বের অপটিক্যাল ট্রান্সমিশনকে বাধা দেয়। বেশিরভাগ POF মাল্টিমোড, যা সেগুলিকে হোম নেটওয়ার্ক, অপটিক্যাল ইন্টারকানেক্ট, অটোমোটিভ নেটওয়ার্ক এবং নমনীয় আলো/যন্ত্রপাতি সমাধানের মতো কম-গতির, স্বল্প-দূরত্বের অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে সীমাবদ্ধ করে।