การใช้เสียงร่วมกับแสงสร้างการถ่ายโอนข้อมูลแบบฉับไว

          การติดต่อสื่อสารข้อมูลตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันได้มีวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่อง อาทิเช่น จากระบบอนาล็อกสู่ระบบดิจิทัล จากการทำงานบนระบบคอมพิวเตอร์ในลักษณะแบบโดดเดี่ยว (Standalone) สู่ระบบเครือข่ายที่ใช้ระบบสายอย่างระบบข่ายงานบริเวณระยะไกล (Local Area Network, LAN) หรือระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์แบบภายในองค์กร (Intranet) หรือสายโทรศัพท์ มาเป็นการใช้ระบบอินเทอร์เน็ตเพื่อเชื่อมโยงการทำงานในที่ที่ห่างไกลเข้าด้วยกัน จากนั้นจึงมีการพัฒนาจากระบบเครือข่ายที่ใช้ระบบสายมาเป็นระบบสื่อสารแบบไร้สาย อย่างไรก็ตาม การพัฒนาที่เกิดขึ้นไม่อาจเป็นสาเหตุให้เราละทิ้งการใช้เทคโนโลยีเก่าได้ ด้วยเหตุเพราะการพัฒนานี้มีจุดประสงค์หลักเพื่อ 1. ทำให้รับข้อมูลจากแหล่งกำเนิดข้อมูลได้ชัดเจนยิ่งขึ้น 2. ทำให้รับข้อมูลได้รวดเร็วยิ่งขึ้น 3. ทำให้ส่งข้อมูลได้ไกลยิ่งขึ้น 4. ทำให้การส่งข้อมูลประหยัดมากยิ่งขึ้น จึงทำให้บางสถานการณ์หรือบางคุณสมบัติของระบบเครือข่ายที่ใช้ระบบสายตอบโจทย์ได้ดีกว่าระบบสื่อสารแบบไร้สาย เช่น การส่งข้อมูลสื่อสารภายในจังหวัดด้วยการใช้ใยแก้วนำแสงนั้นรวดเร็ว สะดวก และประหยัดกว่าใช้การสื่อสารผ่านดาวเทียม เป็นต้น ด้วยเหตุนี้ การใช้งานระบบใดระบบหนึ่งนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาให้เหมาะสมหรือใช้ร่วมกันเพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุด


          หากเรามาพิจารณาในรายละเอียดของระบบสายที่นิยมใช้กันในปัจจุบันก็คงไม่พ้นระบบที่ใช้เส้นใยแก้วนำแสง (fiber optic) ซึ่งเป็นตัวกลางของสัญญาณแสงชนิดหนึ่งซึ่งผลิตจากแก้วที่มีความบริสุทธิ์สูงมากทำงานด้วยหลักการสะท้อนกลับหมด โดยมีคุณสมบัติเด่น คือ มีการสูญเสียสัญญาณแสงน้อยมากเมื่อเทียบการการใช้สายสัญญาณแบบเก่าที่ทำจากทองแดงหรืออะลูมิเนียม ทว่าลำพังมีเพียงเส้นใยนำแสงก็ไม่สามารถนำไปใช้อะไรได้จำเป็นต้องใช้คู่กับแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ในการผลิตสัญญาณข้อมูลและส่งสัญญาณไปในเส้นใยแก้วนำแสง ซึ่งแหล่งกำเนิดแสงดังกล่าว คือ เลเซอร์ (Laser)


          เลเซอร์เป็นคำย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ที่ค้นพบโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี พ.ศ. 2460 ทำงานโดยอาศัยหลักการเบื้องต้น คือ กระตุ้นอะตอม (หรือไอออน) ให้ขึ้นไปอยู่ในสถานะที่มีระดับพลังงานสูงกว่าระดับปกติหรือเรียกว่า สถานะกระตุ้น (Excited state) อะตอมเหล่านี้สามารถกลับลงสู่ระดับพลังงานปกติพร้อมๆ กันได้ ถ้าถูกกระตุ้นด้วยอนุภาคโฟตอนที่มีพลังงานเหมาะสม เมื่ออะตอมทั้งหลายกลับลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าก็จะปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกไปในรูปของแสง ดังภาพที่ 1. 
            โดยแสงเลเซอร์ที่ออกมานั้นมีคุณสมบัติเฉพาะที่นำไปใช้ประโยชน์อยู่ 4 ประการ คือ 1. มีทิศทางเดียวที่แน่นอน (Directionality) 2. เป็นแสงเอกรงค์หรือมีความยาวคลื่นเดียว (Monochromaticity) 3. มีความเจิดจ้า (Brightness) 4. มีความเป็นอาพันธ์หรือมีเฟสเดียวกัน (coherence) ซึ่งอะตอมของตัวกลางที่ผลิตแสงเลเซอร์นั้นเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว แก๊ส และสารกึ่งตัวนำ โดยแสงเลเซอร์ที่ออกมาจะอยู่ในช่วงความยาวคลื่นใดขึ้นอยู่กับความสามารถของตัวกลางที่ผลิตแสงเลเซอร์เอง ดังนั้น การทำงานแต่ละประเภทจึงต้องเลือกใช้เลเซอร์ที่มีตัวกลางผลิตแสงเลเซอร์ที่แตกต่างกันออกไป ในส่วนของการสื่อสารข้อมูลในระบบเครือข่ายแบบต่างๆ นั้น นิยมใช้ตัวกลางผลิตแสงเลเซอร์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำด้วยเพราะสามารถให้แสงเลเซอร์ที่อยู่ในย่านความถี่ระดับเทระเฮิรตซ์ซึ่งมีความถี่สูงกว่าคลื่นวิทยุจึงทำให้สามารถบรรจุข้อมูลได้มากกว่าและยังปลอดภัยกับสิ่งมีชีวิตเพราะไม่ทำให้ไอออนเกิดการแตกตัวอีกด้วย สารกึ่งตัวนำที่ผลิตแสงเลเซอร์ประเภทนั้น เรียกว่า Quantum cascade lasers หรือ QCLs ซึ่งเป็นผลงานวิจัยร่วมกันของ Jerome Faist, Federico Capasso, Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson และ Alfred Cho ณ ห้องปฏิบัติการณ์ของเบลล์ (Bell Laboratories) ซึ่งเผยแพร่ในปี พ.ศ. 2537


          สำหรับสารกึ่งตัวนำทั่วไปนั้นจะทำจากสารเชิงเดี่ยวหรือกล่าวในอีกนัยยะหนึ่งคือทำจากสารชนิดเดียวซึ่งทำให้เกิดแถบพลังงาน 2 แถบ คือ แถบนำไฟฟ้า (Conduction band) และแถบวาเลนซ์ (Valence band) ในรูปแบบเดียวตลอดทั้งโครงสร้าง ดังภาพที่ 2 (ก) เมื่อถูกกระตุ้นก็จะเกิดปรากฏการณ์การปลอดปล่อยแสงเลเซอร์ดังภาพที่ 1. ตามที่กล่าวมาแล้ว เรียกว่า Interband transition ในขณะที่สารกึ่งตัวนำประเภท QCLs มีส่วนผสมของสารกึ่งตัวนำมากกว่า 1 ชนิด จึงทำให้เกิดการเชื่อมต่อกันของบ่อศักย์ที่กั้นโดยกำแพงศักย์เรียงกันไปเรื่อยๆ ซึ่งเรียก Intersubband transition ดังภาพที่ 2 (ข) กล่าวคือ เมื่อสารกึ่งตัวนำชนิดนี้ถูกกระตุ้นจะทำให้อิเล็กตรอนไปอยู่ในสถานะกระตุ้นจึงเกิดกลายเป็นช่องว่างที่บริเวณสถานะพื้น เรียกว่า โฮล (hole) เมื่ออิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นจะกลับลงมาสู่สถานะพื้นจะปลดปล่อยแสงออกมา แสงดังกล่าวก็สามารถไปกระตุ้นอิเล็กตรอนที่อยู่ในช่องถัดไปได้ด้วย กระบวนการเหล่านี้จะเกิดขึ้นต่อเนื่องไปเรื่อยๆ จนพลังงานงานไม่เพียงพอต่อการกระตุ้นต่อไป นี่จึงเป็นข้อดีของสารกึ่งตัวนำประเภท QCLs ที่ใช้โฟตอนเพียงแค่ตัวเดียวไปกระตุ้นแต่สามารถทำให้เกิดแสงเลเซอร์ที่มีโฟตอนได้หลายตัวส่งผลมีประสิทธิภาพในการสร้างหรือบรรจุมากกว่าสารกึ่งตัวนำเชิงเดี่ยว

           

          ผลงานวิจัยล่าสุดจากมหาวิทยาลัยลีดส์และมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม ประเทศอังกฤษ นำโดยศาสตราจารย์ John Cunningham และศาสตราจารย์ Anthony Kent ได้ประสบความสำเร็จในการใช้คลื่นเสียงแบบอะคูสติกกระตุ้นรบกวนโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำประเภท QCLs ดังภาพที่ 3 ส่งผลให้โฟตอนเพียงแค่หนึ่งตัวแต่สามารถทำให้เกิดแสงเลเซอร์ที่มีโฟตอนได้หลายตัวมากกว่าปกติถึง 100 เท่า            ในการนี้ศาสตราจารย์ John Cunningham กล่าวว่า “เราเชื่อว่าด้วยการปรับแต่งเพิ่มเติมระบบนี้จะสามารถพัฒนากลไกใหม่สำหรับการควบคุมการปล่อยโฟตอนอย่างสมบูรณ์จากเลเซอร์และอาจรวมโครงสร้างที่สร้างเสียงด้วยเลเซอร์เทระเฮิรตซ์ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดเสียงภายนอก” ในขณะที่ ศาสตราจารย์ Anthony Kent  กล่าวว่า “ผลลัพธ์นี้เป็นการเปิดพื้นที่ใหม่สำหรับฟิสิกส์และวิศวกรรมเพื่อมารวมกันในการสำรวจปฏิสัมพันธ์ของคลื่นเสียงและแสงเฮิร์ตซ์ซึ่งอาจมีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีจริงในอนาคต” 

 

อ้างอิง

•    https://www.nature.com/articles/s41467-020-14662-w [สืบค้นวันที่ 2 กุมภาพันธ์ 2563] 
•    https://www.sciencedaily.com/releases/2020/02/200211092548.htm [สืบค้นวันที่ 2 กุมภาพันธ์ 2563]