फाइबर ऑप्टिक्स समझाया गया: तरंग दैर्ध्य कैसे प्रकाश संचरण को सक्षम करते हैं

कल्पना कीजिए कि फाइबर ऑप्टिक केबल एक इंद्रधनुष की तरह विभिन्न रंगों के माध्यम से जानकारी ले जा सकते हैं, जिसमें प्रत्येक रंग एक अलग डेटा चैनल का प्रतिनिधित्व करता है। फाइबर ऑप्टिक संचार में, तरंग दैर्ध्य इन "रंगों" के रूप में कार्य करते हैं, जो प्रकाश संकेतों की विशेषताओं और संचरण दक्षता को निर्धारित करते हैं। जबकि "तरंग दैर्ध्य" कई लोगों के लिए एक गूढ़ शब्द की तरह लग सकता है, यह वास्तव में फाइबर ऑप्टिक तकनीक को समझने की कुंजी है। यह लेख फाइबर ऑप्टिक तरंग दैर्ध्य, उनके अंतर्निहित सिद्धांतों और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनकी महत्वपूर्ण भूमिका को स्पष्ट करता है।

प्रकाश हमारी आँखों द्वारा दिखाई देने वाले प्रकाश से कहीं आगे तक फैला हुआ है। यह एक व्यापक विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का हिस्सा बनता है जिसमें विभिन्न प्रकार के विकिरण शामिल हैं—उच्च-ऊर्जा एक्स-रे और पराबैंगनी तरंगों से लेकर परिचित रेडियो तरंगों और माइक्रोवेव तक, और अंत में फाइबर ऑप्टिक संचार में उपयोग किए जाने वाले अवरक्त प्रकाश तक। ये सभी मूल रूप से विद्युत चुम्बकीय विकिरण हैं, जो मुख्य रूप से उनकी तरंग दैर्ध्य से अलग होते हैं। विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम को एक विस्तृत रंग पैलेट के रूप में देखा जा सकता है, जिसमें विभिन्न तरंग दैर्ध्य विभिन्न "रंगों" के अनुरूप होते हैं। फाइबर ऑप्टिक संचार सूचना संचरण के लिए इस पैलेट से विशिष्ट "रंगों" का रणनीतिक रूप से चयन करता है।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण को आमतौर पर तरंग दैर्ध्य या आवृत्ति का उपयोग करके वर्णित किया जाता है। तरंग दैर्ध्य लगातार चोटियों या तरंगों के गर्तों के बीच की दूरी को संदर्भित करता है क्योंकि यह अंतरिक्ष में फैलता है, जिसे आमतौर पर नैनोमीटर (एनएम, एक मीटर का एक-अरबवां हिस्सा) या माइक्रोमीटर (µm, एक मीटर का एक-मिलियनवां हिस्सा) में मापा जाता है। आवृत्ति यह दर्शाती है कि तरंग प्रति सेकंड कितनी बार दोलन करती है, जिसे हर्ट्ज़ (Hz) में मापा जाता है। तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति एक व्युत्क्रमानुपाती संबंध साझा करते हैं: छोटी तरंग दैर्ध्य उच्च आवृत्तियों के अनुरूप होती हैं, जबकि लंबी तरंग दैर्ध्य कम आवृत्तियों को इंगित करती हैं। छोटी तरंग दैर्ध्य जैसे प्रकाश, पराबैंगनी और एक्स-रे के लिए, तरंग दैर्ध्य पसंदीदा वर्णक है। लंबी तरंग दैर्ध्य जैसे रेडियो तरंगें, टेलीविजन सिग्नल और माइक्रोवेव के लिए, आवृत्ति का अधिक उपयोग किया जाता है।

प्रकाश का सबसे परिचित रूप, निश्चित रूप से, दृश्यमान प्रकाश है। मानव आँख लगभग 400 एनएम (नीला/बैंगनी प्रकाश) से 700 एनएम (लाल प्रकाश) तक तरंग दैर्ध्य का पता लगा सकती है। यह सीमा सूर्य से सबसे मजबूत विकिरण बैंड के साथ संरेखित होती है, जो यह दर्शाता है कि हमारी दृश्य प्रणाली सूर्य के प्रकाश की सबसे तीव्र तरंग दैर्ध्य को देखने के लिए विकसित हुई है—जैविक अनुकूलन का एक सुरुचिपूर्ण उदाहरण।

फाइबर ऑप्टिक संचार दृश्यमान प्रकाश पर निर्भर नहीं करता है, बल्कि अवरक्त प्रकाश पर निर्भर करता है, जिसकी तरंग दैर्ध्य लंबी होती है—आमतौर पर लगभग 850 एनएम, 1300 एनएम और 1550 एनएम। अवरक्त प्रकाश का चुनाव ऑप्टिकल फाइबर में इसके कम क्षीणन से उपजा है। फाइबर में क्षीणन दो प्राथमिक कारकों से उत्पन्न होता है: अवशोषण और प्रकीर्णन।

• अवशोषण: फाइबर ऑप्टिक केबलों में ट्रेस मात्रा में पानी विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित करती है, जिससे "पानी अवशोषण शिखर" बनते हैं। सिग्नल अखंडता बनाए रखने के लिए फाइबर ऑप्टिक सिस्टम को इन चोटियों से बचना चाहिए।
• प्रकीर्णन: जैसे ही प्रकाश फाइबर से होकर गुजरता है, यह कांच में परमाणुओं या अणुओं से टकराता है, जिससे प्रकीर्णन होता है। प्रकीर्णन तीव्रता तरंग दैर्ध्य की चौथी शक्ति के व्युत्क्रमानुपाती होती है, जिसका अर्थ है कि लंबी तरंग दैर्ध्य कम प्रकीर्णन करती हैं। यह सिद्धांत यह भी बताता है कि आकाश नीला क्यों दिखाई देता है: छोटी नीली तरंग दैर्ध्य वातावरण में अधिक आसानी से प्रकीर्णन करती हैं।

सिग्नल हानि को कम करने के लिए, फाइबर ऑप्टिक सिस्टम अवरक्त स्पेक्ट्रम में काम करते हैं, पानी के अवशोषण चोटियों से दूर रहते हैं और तीन मानक तरंग दैर्ध्य पर बसते हैं: 850 एनएम, 1300 एनएम और 1550 एनएम। सौभाग्य से, लेजर डायोड (या एलईडी) और फोटोडेटेक्टर को इन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर कुशलता से कार्य करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है।

यदि लंबी तरंग दैर्ध्य कम क्षीणन का अनुभव करती हैं, तो उनका उपयोग क्यों नहीं किया जाता है? इसका उत्तर अवरक्त तरंग दैर्ध्य की तापीय विकिरण के निकटता में निहित है। जैसे ही हम इलेक्ट्रिक स्टोव की सुस्त लाल चमक देख सकते हैं और उसकी गर्मी महसूस कर सकते हैं, लंबी तरंग दैर्ध्य परिवेशीय तापीय शोर के प्रति संवेदनशील हो जाती हैं, जो सिग्नल संचरण में हस्तक्षेप कर सकती हैं। इसके अतिरिक्त, अवरक्त रेंज में अन्य पानी अवशोषण शिखर मौजूद हैं।

कांच के फाइबर के विपरीत, प्लास्टिक ऑप्टिकल फाइबर (पीओएफ) छोटी तरंग दैर्ध्य पर कम अवशोषण प्रदर्शित करते हैं। नतीजतन, पीओएफ आमतौर पर 650 एनएम लाल प्रकाश का उपयोग करता है, हालांकि 850 एनएम ग्लास फाइबर ट्रांसमीटरों के साथ अल्प-श्रेणी अनुप्रयोगों के लिए व्यवहार्य रहता है।

फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क में, तरंग दैर्ध्य न केवल संचरण के लिए महत्वपूर्ण हैं, बल्कि परीक्षण के लिए भी महत्वपूर्ण हैं। केबल क्षीणन को उसी तरंग दैर्ध्य पर मापा जाना चाहिए जिसका उपयोग सिग्नल संचरण के लिए किया जाता है। इसी तरह, ऑप्टिकल पावर मीटर को नेटवर्क प्रदर्शन का सटीक आकलन करने के लिए इन विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर कैलिब्रेट करने की आवश्यकता होती है।

नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (एनआईएसटी) तीन प्राथमिक फाइबर ऑप्टिक तरंग दैर्ध्य: 850 एनएम, 1300 एनएम और 1550 एनएम पर ऑप्टिकल पावर मीटर के लिए अंशांकन सेवाएं प्रदान करता है। मल्टीमोड फाइबर को आमतौर पर 850 एनएम और 1300 एनएम के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि सिंगल-मोड फाइबर को 1310 एनएम और 1550 एनएम के लिए अनुकूलित किया गया है। 1300 एनएम और 1310 एनएम के बीच मामूली विसंगति एटी एंड टी द्वारा स्थापित ऐतिहासिक शब्दावली सम्मेलनों से उपजी है, जहां सिंगल-मोड फाइबर ने 1310 एनएम लेजर का उपयोग किया और मल्टीमोड फाइबर ने 1300 एनएम एलईडी का उपयोग किया।

आधुनिक दूरसंचार प्रणाली व्यापक रूप से तरंग दैर्ध्य विभाजन मल्टीप्लेक्सिंग (डब्ल्यूडीएम) तकनीकों का उपयोग करती हैं, जिसमें डेंस डब्ल्यूडीएम (डीडब्ल्यूडीएम) और कोर्स डब्ल्यूडीएम (सीडब्ल्यूडीएम) शामिल हैं। डब्ल्यूडीएम एक ही फाइबर को एक साथ प्रकाश के कई "रंगों" को ले जाने में सक्षम बनाता है, जिसमें प्रत्येक रंग एक स्वतंत्र डेटा चैनल का प्रतिनिधित्व करता है। डब्ल्यूडीएम सिस्टम में, लेजर को विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए सटीक रूप से ट्यून किया जाता है, जो क्षमता को अधिकतम करने के लिए पर्याप्त रूप से करीब होते हैं लेकिन हस्तक्षेप को रोकने के लिए पर्याप्त रूप से अलग होते हैं। यह एफएम रेडियो प्रसारण के समानांतर है, जहां स्टेशन अलग-अलग आवृत्तियों पर काम करते हैं। डब्ल्यूडीएम 1260 एनएम से 1670 एनएम तक पूरी तरंग दैर्ध्य रेंज का उपयोग करता है, जिसे विशिष्ट बैंड में विभाजित किया गया है।

फाइबर ऑप्टिक्स का एक महत्वपूर्ण लेकिन अक्सर अनदेखा पहलू सुरक्षा है। चूंकि अधिकांश फाइबर ऑप्टिक सिस्टम दृश्यमान स्पेक्ट्रम के बाहर काम करते हैं, इसलिए प्रेषित प्रकाश आमतौर पर नग्न आंखों के लिए अदृश्य होता है। संकेतों की जांच करने के लिए कभी भी सीधे फाइबर के अंत में न देखें—कुछ उच्च-शक्ति सिस्टम जैसे कैटवी और डीडब्ल्यूडीएम खतरनाक विकिरण उत्सर्जित कर सकते हैं। फाइबर कनेक्शन को संभालने से पहले हमेशा एक कैलिब्रेटेड मीटर से ऑप्टिकल पावर स्तरों को सत्यापित करें।

फाइबर ऑप्टिक तरंग दैर्ध्य को समझना ऑप्टिकल संचार तकनीक में महारत हासिल करने के लिए मौलिक है। फाइबर ऑप्टिक्स के "कलर कोड" को उजागर करके, पेशेवर नेटवर्क डिज़ाइन को अनुकूलित कर सकते हैं, प्रभावी ढंग से समस्या निवारण कर सकते हैं, और डेटा ट्रांसमिशन क्षमताओं की सीमाओं को आगे बढ़ा सकते हैं।