25 Pb s-1 extreme-multiplexed fiber-optic communications enabled by orbital angular momentum physics
تُظهر هذه الورقة نظام نقل عبر ليف بصري واحد بسعة 25.24 تيرابت في الثانية عبر مسافة 10 كم من خلال الاستفادة من أنماط الزخم الزاوي المداري في ليف حلقي ذي 19 نواة لإنشاء مصفوفة قنوات قطرية كتلوية، مما يتغلب على تحديات الاقتران بين الأنماط وتحديات المحاذاة لتحقيق سعة قياسية مع موازنة MIMO مؤتمتة بالكامل ومنخفضة التعقيد.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن الإنترنت عبارة عن نهر هائل وغير مرئي من المعلومات، لكن الأنابيب التي تحمله بدأت تصل إلى حدودها القصوى. لعقود من الزمن، حاول المهندسون حشر المزيد من البيانات في خيط واحد من الزجاج عبر تجميع ألوان مختلفة من الضوء معاً، تماماً مثل تكديم محطات إذاعية مختلفة على نفس نطاق التردد. ومع ذلك، هناك سقف فيزيائي لعدد الألوان التي يمكن أن تتسع قبل أن تبدأ في التداخل مع بعضها البعض. ولتجاوز هذا الحاجز، يتجه العلماء إلى شكل الضوء نفسه؛ فبدلاً من مجرد تغيير اللون، يقومون بلف الضوء في شكل حلزوني، مما يخلق حزماً تحمل نوعاً معيناً من الدوران يُعرف باسم "الزخم الزاوي المداري". تخيل لولباً يتحرك في الفضاء؛ فكلما كان الالتواء أكثر إحكاماً والحلزون أكثر تعقيداً، أصبح المسار أكثر تميزاً. يتيح هذا النهج للباحثين التعامل مع الضوء ليس فقط كتدفق، بل كمجموعة من المسارات المنفصلة، مما قد يضاعف سعة كابل ألياف ضوئية واحدة بمئات المرات. غير أن التحدي كان يكمن في منع هذه المسارات من الاندماج في فوضى عارمة أثناء انتقال الضوء، وفي معرفة كيفية محاذاتها بدقة عند بداية ونهاية الرحلة دون قضاء سنوات في عمليات الضبط اليدوي.
لقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة سون يات سين، بالتعاون مع شركاء من الصناعة ومؤسسات أخرى، طريقة لجعل هذا التوسع الهائل ممكناً. فقد بنوا نظاماً قادراً على إرسال 25.24 بيتابت من البيانات في الثانية عبر ليف ضوئي واحد. ولتخيل هذا النطاق، فإن البيتابت هو مليون مليار بت؛ وهذا الكابل الواحد يحمل من البيانات في ثانية واحدة أكثر مما كان يحمله إجمالي حركة الإنترنت العالمية قبل بضع سنوات. حقق الباحثون ذلك باستخدام كابل ألياف متخصص يحتوي على 19 لباً منفصلاً، كل منها قادر على حمل حزم ضوئية ملتوية متعددة في آن واحد. وفي المجمل، تمكن النظام من إدارة 266 قناة مكانية متميزة، كل منها يحمل 1,240 طولاً موجياً مختلفاً من الضوء، مما نتج عنه 329,840 مساراً متوازياً من المعلومات يتدفق عبر كابل واحد.
يكمن الاختراق في كيفية إدارة الفريق لهذه المئات من القنوات لمنع تداخلها مع بعضها البعض. في المحاولات السابقة لتوسيع نطاق مثل هذه الأنظمة، كانت موجات الضوء تختلط في النهاية بسبب العيوب الطفيفة في الزجاج أو طريقة انحناء الكابل، مما أجبر المهندسين على استخدام معالجة حاسوبية معقدة للغاية لفك تشابك الإشارة. كانت هذه المعالجة ثقيلة لدرجة جعلت من غير العملي إضافة المزيد من القنوات. حل الباحثون هذه المشكلة من خلال تصميم ليف يحتوي على لب حلقي الشكل، والذي يجبر الضوء الملتوي طبيعياً على التجمع في مجموعات محددة ومستقرة. وبسبب فيزياء سلوك هذه الحلزونات، لا يمكن للضوء في مجموعة ما أن يقفز بسهولة إلى مجموعة أخرى، حتى عبر مسافة 10 كيلومترات. خلق هذا وضعاً ظل فيه الإرسال منظماً، مما سمح للفريق باستخدام وحدة حاسوبية بسيطة وثابتة الحجم لتنقية الإشارة، بدلاً من معالج ضخم وشره للطاقة يضطر للنمو مع كل قناة جديدة تُضاف.
عند أطراف الكابل، حيث يدخل الضوء ويخرج، واجه الباحثون عقبة أخرى: فمحاذاة مئات الحزم بدقة هي مهمة تتطلب عادةً تعديلات يدوية مضنية من قبل فنيين مهرة. وجد الفريق طريقة لأتمتة هذه العملية من خلال استغلال خاصية فريدة للضوء الملتوي. ولأن هذه الحلزونات تبدو متشابهة بغض النظر عن كيفية دورانها، فإن النظام لا يحتاج إلى تتبع الزاوية الدقيقة للحزمة. علاوة على ذلك، اكتشف الباحثون أنه إذا قاموا بتصحيح التشوه لنوع واحد من الحلزونات، فإن هذا التصحيح نفسه سيعمل بشكل مثالي تقريباً لأنواع الحلزونات الأخرى في نفس الحزمة. وهذا يعني أنهم احتاجوا فقط لمعايرة حزمة واحدة لكل لُب، ومن ثم تطبيق هذا الإصلاح على جميع الحزم الأخرى. لقد بنوا نظاماً مؤتمتاً يستخدم خوارزمية حاسوبية لإيجال أفضل محاذاة فوراً، مما يلغي الحاجة إلى التدخل البشري ويجعل الإعداد بأكمله مستقراً وموثوقاً.
النتيجة هي نظام نقل يعمل بمستوى من الكفاءة لم يسبق له مثيل في ليف ضوئي واحد. قاس الباحثون تدفق البيانات عبر مسافة 10 كيلومترات من ليفهم المخصص المكون من 19 لباً، وأكدوا أن النظام يمكنه التعامل مع هذا الحجم الهائل من البيانات دون تدهور جودة الإشارة. لقد حققوا كثافة بيانات تبلغ قرابة أربعمائة ضعف الكابلات القياسية الحالية، مع الحفاظ في الوقت ذاته على انخفاض تعقيد معالجة الإشارة وثباتها. يثبت هذا العمل أنه من الممكن بناء شبكة ألياف ضوئية تتوسع لتشمل مئات القنوات دون أن تصبح غير قابلة للإدارة. ومن خلال استخدام القوانين الطبيعية للفيزياء للحفاظ على تنظيم الضوء، أظهر الفريق مساراً واضحاً نحو مستقبل الاتصالات العالمية، حيث يمكن لخيط واحد من الزجاج أن يحمل احتياجات البيانات لأمم بأكملة دون عناء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.