نظام الاتصالات البصرية اللاخطية Nonlinear optics

عرض النطاق الترددي الأوسع وتباعد القنوات الأكثر كثافة وكثافة الإشارة الأعلى كلها تجعل التأثيرات غير الخطية أكثر أهمية لأداء أنظمة الاتصالات، كما تستكشف هذه النظرة الشاملة والتعليمية التأثيرات غير الخطية من وجهة نظر مادية وتناقش الآثار المترتبة على قدرة الإشارة، ويتم استخدام تطبيقات التأثيرات غير الخطية لمعالجة الإشارات والتبديل الضوئي فائق السرعة وتحويل الطول الموجي والتضخيم غير الخطي واقتران الطور البصري.

ما هو نظام الاتصالات البصرية اللاخطية Nonlinear optics؟

نظام الاتصالات البصرية اللاخطية “Nonlinear optics”: هي دراسة كيفية تفاعل الضوء الشديد مع المادة بهدف تحقيق الاتصالات، وعادة ما يتم قياس الاستجابة الضوئية للمادة بشكل خطي مع اتساع المجال الكهربائي، ومع ذلك يمكن أن تتغير خصائص المواد بسرعة أكبر في القوى العالية، وهذا يؤدي إلى تأثيرات غير خطية بما في ذلك التركيز الذاتي والسولتون والتوليد عالي التوافقية.

أساسيات نظام الاتصالات البصرية اللاخطية:

الاتصال غير الخطي أي دراسة الأنظمة القادرة على توليد ترددات جديدة واسع الانتشار ومناسب، وعلى عكس الاتصال الخطي، حيث غالباً ما يكون هناك أدوات معروفة جيدة لمعالجة مشكلة معينة وعندما يتم تشغيل اللاخطية، يمكن أن يكون الكل أكثر من مجموع أجزائه ونادراً ما يتم اللجوء إلى التقنيات القياسية حتى في الإطار غير العشوائي، وغالباً ما يكون المجال غير متوقع ظهور أي ظواهر جديدة نوعياً متوقعة ومرحباً به، ممّا يوفر نتائج مذهلة للعلوم الأساسية والتطبيقية.

البصريات اللاخطية هي مجموعة فرعية خاصة وغنية من العلوم اللاخطية، وعلى الرغم من أنّ التأثيرات غير الخطية في البصريات معروفة منذ وقت طويل جداً، فقد ظهرت البصريات اللاخطية الحديثة مع اختراع المازر البصري المعروف اليوم باسم الليزر.

وفي عام 1961م، تم توضيح الجيل التوافقي الثاني من خلال التركيز بإحكام على مازر بصري روبي نابض في الكوارتز البلوري، وكذلك في السنوات التالية تم عرض عدد كبير من التأثيرات غير الخطية في تفاعل المادة الضوئية تجريبياً، حيث غالباً ما وجدت طريقها بسرعة إلى تطبيقات السوق في العديد من المجالات المختلفة، بدءاً من الاتصالات السلكيةواللاسلكية إلى التصوير للرعاية الصحية والتوصيف.

تطور عمل نظام الاتصالات البصرية اللاخطية:

نظراً لقصر أطوال التفاعل بين الضوء والمادة في المرحلة المبكرة غالباً ما ارتبطت التأثيرات البصرية غير الخطية بكفاءات منخفضة جداً، ولهذا السبب تم وضع معلم مهم للغاية في الانتقال من البصريات غير الخطية السائبة إلى البصريات الموجية غير الخطية الموجهة، كما بدأ المجال المزدهر لبصريات الموجة غير الخطية الموجهة بعد فترة وجيزة من أنّ الألياف الضوئية أصبحت وسيلة نقل شائعة في عام 1974م.

وبذلك أعطى هذا دفعة مذهلة لكفاءة التأثيرات الضوئية غير الخطية؛ لأنّه يمكن زيادة أطوال تفاعل المادة الضوئية بعدة أوامر من حيث الحجم أي من بضعة سنتيمترات إلى عشرات الكيلومترات، كما عمل ثراء الفيزياء الجديدة التي ظهرت منذ ذلك الحين بعمق في مجال البحث هذا، وفي المقابل أعاد هذا المجال نجاحاً لا يصدق للباحثين، ولكل هذه الأسباب يمكن أن تنتقل البصريات اللاخطية بسرعة إلى مجال الأحداث المتطرفة.

ومن نتائج البصريات غير الخطية هو مجال “السوليتون” والذي عمل تحقيق أهداف البصريات غير الخطية كما أنّ الألياف الضوئية توفر هدفاً مثالياً، حيث يمكن مراقبة واختبار خصائص الخصائص المحددة للأمواج والتي تم التنبؤ بها لأول مرة في موجات المياه، ثم أصبحت في الستينيات هدفاً مناسباً من الفيزياء الرياضية الحديثة، كما لا يزال هذا مجالاً بحثياً غنياً ومزدهراً مع نتائج مهمة وأحياناً للاتصالات الضوئية والاستشعار البصري بظواهر مناسبة جديدة مثل الموجات الضائعة.

تم التعرف على التأثيرات غير الخطية في الكهرباء والمغناطيسية منذ زمن “ماكسويل”، ومع ذلك فقد تم إحراز تقدم كبير في مجال البصريات اللاخطية منذ اكتشاف الليزر، وممّا جعل المجالات الضوئية عالية الكثافة ممكنة التنفيذ بسهولة، وبدأ المجال في النمو مع أول عمل تجريبي على التوليد التوافقي البصري الثاني “SHG” في عام 1961م والعمل النظري لـ “Bloembergen”، وحول خلط الموجات الضوئية في عام 1962م.

وعلى مدى العقود التالية شهد مجال البصريات غير الخطية نمواً هائلاً ممّا أدى إلى ملاحظة ظواهر فيزيائية جديدة، وأدى إلى ظهور مفاهيم وتطبيقات جديدة بما في ذلك توليد التوافقيات عالية التردد وخلط التردد الذي يمكن أن يكون بمثابة مصادر ضوء جديدة أو مخططات تضخيم، ومعدلات ضوئية للتحكم المرحلة أو السعة لشعاع الضوء والمفاتيح الضوئية والمنطق البصري والمحددات الضوئية.

وكذلك العديد من الطرق لمعالجة المحتوى المعلوماتي لصور البيانات والتي أحدثت تغييراً ثورياً في تكنولوجيا الضوئيات في القرن العشرين، ومصنوعة على بلورات سائبة تقليدية، حيث تحد ظروف مطابقة الطور المرهقة من كفاءة العمليات غير الخطية.

تأثيرات وأجهزة البصريات غير الخطية:

البلورات الضوئية اللاخطية هي مواد بصرية غير خطية تحافظ على معامل انكسار ثابت، ولكنّها تُظهر انعكاساً دورياً مكانياً للعلامة اللاخطية من الدرجة الثانية، حيث يوفر هذا التعديل للخطية آلية تمكن من مزامنة مراحل الانتشار المشترك للموجات الكهرومغناطيسية بحيث يمكنها تبادل الطاقة بكفاءة، وبهذه الطريقة يمكن تحويل الحزمة الضوئية بتردد معين إلى حزمة واحدة أو أكثر بترددات مختلفة.

وفي الوقت نفسه يمكن التحكم في مقدمة الموجة لهذه الحزم المتولدة وتعديلها عن طريق هندسة المعامل غير الخطي من الدرجة الثانية في أنماط دقيقة، وكل هذه الوظائف مطلوبة للغاية في معالجة الإشارات الضوئية والأجهزة الضوئية غير الخطية.

في مركز فيزياء الليزر تم تطوير تقنية استقطاب كهربائي متقدمة لتصنيع الهياكل الفوتونية غير الخطية الدورية وشبه الدورية والعشوائية عالية الجودة في البلورات الحديدية الكهربية، حيث باستخدام هذه البلورات تم تحقيق تحويل للتردد البصري واسع النطاق مع كفاءات تحويل أعلى بترتيب واحد على الأقل من حيث الحجم عمّا تم تسجيله مسبقاً.

بالنسبة للتطبيقات فإنّ أحد المجالات ذات الأهمية الخاصة هو تحويل التردد غير الخطي، والذي يتعامل مع توليد ترددات بصرية جديدة في العمليات غير الخطية، ومنطقة واسعة أخرى معنية بتأثيرات اللاخطية البصرية في مواقف مختلفة، على سبيل المثال لانتشار نبضات شديدة القصر في الألياف الضوئية وفي توليد الفائق الفائق أو لمعالجة الإشارات الضوئية.

تتعامل الألياف البصرية غير الخطية جزئياً مع تحويل التردد غير الخطي فعلى سبيل المثال مع توليد الفائق الفائق والمذبذبات البارامترية للألياف الضوئية، ولكن أيضاً مع الاستخدامات الأخرى للألياف اللاخطية وعلى سبيل المثال مع التضخيم غير الخطي ومعالجة الإشارات، كما تُعتبر التفاعلات غير الخطية أيضاً مهمة جداً للعديد من التجارب في البصريات الكمومية.