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Nonlinear pluggable optics: Digital signal processing-free Intensity Modulated Direct Detection links using analog photonic Next Generation Reservoir Computing

यह शोध पत्र एक नॉनलीन प्लगेबल ऑप्टिक (NLPO) ट्रांससीवर का प्रस्ताव करता है जो चैनल की बाधाओं को क्षतिपूर्ति करने के लिए एक फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट पर एनालॉग फोटोनिक नेक्स्ट-जेनरेशन रिज़र्वोइर कंप्यूटिंग का उपयोग करता है, जो सिमुलेशन के माध्यम से यह प्रदर्शित करता है कि यह 50 GBd PAM-4 IM/DD लिंक्स के लिए पारंपरिक DSP-आधारित समाधानों की तुलना में रेंज, लेटेंसी और पावर एफिशिएंसी में बेहतर प्रदर्शन करता है।

मूल लेखक: Nicholas Cox, Joseph Murray, Ross T. Schermer, Shuo S. Pang, Christopher Long, Gajadhar Joshi, Nicholas Nobile, Raktim Sarma, Brandon Redding

प्रकाशित 2026-06-15

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Nicholas Cox, Joseph Murray, Ross T. Schermer, Shuo S. Pang, Christopher Long, Gajadhar Joshi, Nicholas Nobile, Raktim Sarma, Brandon Redding

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक जटिल संदेश (जैसे कि एक हाई-स्पीड वीडियो) को एक लंबे, घुमावदार टनल (एक ऑप्टिकल फाइबर) के माध्यम से भेजने की कोशिश कर रहे हैं। डेटा सेंटरों की दुनिया में, वर्तमान मानक यह है कि रिसीविंग एंड पर एक "डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर" (DSP) का उपयोग किया जाता है। इसे ऐसे समझें कि DSP एक बहुत ही बुद्धिमान, लेकिन धीमा और अधिक बिजली खर्च करने वाला अनुवादक है जिसे टनल के अंत में बैठना पड़ता है, उलझे हुए संदेश को सुनना पड़ता है, और मूल शब्दों को समझने के लिए बहुत अधिक मानसिक शक्ति का उपयोग करना पड़ता है।

समस्या यह है कि जैसे-जैसे डेटा की गति बढ़ती है, यह अनुवादक अभिभूत (overwhelmed) हो जाता है। संदेश स्वयं टनल के कारण (डिस्पर्सन और नॉन-लिनियरिटी जैसे भौतिकी के कारण) विकृत हो जाता है, और अनुवादक को इसे ठीक करने के लिए बहुत अधिक शक्ति और समय की आवश्यकता होती है। यह उस बॉटलनेक (रुकावट) को बनाता है जिसकी आवश्यकता AI और मशीन लर्निंग क्लस्टर्स को तत्काल डेटा के लिए होती है।

नया समाधान: "नॉनलीनर प्लगेबल ऑप्टिक" (NLPO)

इस शोध पत्र के लेखक एक नया उपकरण प्रस्तावित करते हैं जिसे नॉनलीनर प्लगेबल ऑप्टिक (NLPO) कहा जाता है। एक धीमे, बिजली की खपत करने वाले डिजिटल अनुवादक का उपयोग करने के बजाय, वे एक "फोटोनिक रिज़र्वोयर कंप्यूटर" का उपयोग करते हैं।

यह कैसे काम करता है, इसके लिए कुछ रोजमर्रा के उदाहरणों का उपयोग किया गया है:

1. "जादुई दर्पण" बनाम "स्मार्ट अनुवादक"

पुराना तरीका (DSP): कल्पना कीजिए कि संदेश टनल के अंत में एक धुंधली, बिखरी हुई फोटो के रूप में पहुँचता है। डिजिटल अनुवादक को उस फोटो को देखना होता है, जटिल गणितीय एल्गोरिदम चलाना होता है, और मूल छवि को फिर से बनाने की कोशिश करनी होती है। यह सटीक है लेकिन इसमें समय और बिजली लगती है।
नया तरीका (फोटोनिक NGRC): लेखकों ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो एक जादुई दर्पण की तरह काम करता है। जब विकृत प्रकाश इस दर्पण से टकराता है, तो दर्पण केवल उसे परावर्तित नहीं करता; यह स्वाभाविक रूप से पैटर्न को तुरंत "अनस्कैम्बल" (उलझन सुलझाना) कर देता है क्योंकि प्रकाश इससे टकराकर वापस जाता है। इसे कुछ भी गणना करने की आवश्यकता नहीं है; दर्पण का भौतिक विज्ञान स्वयं काम करता है। यह प्रकाश की गति से होता है, जिसमें लगभग शून्य बिजली की खपत होती है।

2. अदृश्य को देखना (फेज ट्रिक)

डेटा भेजने में सबसे बड़ी बाधाओं में से एक यह है कि मानक रिसीवर केवल प्रकाश की "चमक" (इंटेंसिटी) देखते हैं, उसकी "फेज" (तरंग का समय और आकार) को नहीं। यह एक गाने को केवल वॉल्यूम नॉब देखकर समझने की कोशिश करने जैसा है, उसके मेलोडी और रिदम को अनदेखा करने जैसा।

पेपर का दावा: नया उपकरण बिना किसी भारी, महंगे रेफरेंस लेजर (जिसे लोकल ऑसिलेटर कहा जाता है) के इस छिपे हुए फेज की जानकारी को "देख" सकता है।
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप भीड़ में किसी व्यक्ति को पहचानने की कोशिश कर रहे हैं। पुराना तरीका वैसा है जैसे आप केवल उनकी छाया (इंटेंसिटी) देख पा रहे हों। नया तरीका आपको उस व्यक्ति का चेहरा (फेज) सीधे देखने की अनुमति देता है, भले ही आप केवल उनकी छाया को देख रहे हों। यह अतिरिक्त जानकारी संदेश को ठीक करना बहुत आसान बना देती है।

3. "सुपर-स्पीड कैमरा" (ओवरसैंपलिंग)

एक विकृत संदेश को ठीक करने के लिए, आमतौर पर आपको उसके कई सैंपल लेने की आवश्यकता होती है।

समस्या: डिजिटल सिस्टम में, डेटा भेजे जाने की दर से तेज़ सैंपल लेना एक ऐसे कैमरे से हमिंगबर्ड के पंखों की फोटो लेने जैसा है जो प्रति सेकंड केवल एक फोटो लेता है। आप सब कुछ मिस कर देते हैं। इसे डिजिटल रूप से करने के लिए, आपको अविश्वसनीय रूप से तेज़, महंगे इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता होती है।
पेपर का दावा: फोटोनिक डिवाइस स्वाभाविक रूप से डेटा को "ओवरसैंपल" कर सकता है।
उपमा: प्रति सेकंड एक फोटो लेने वाले कैमरे के बजाय, नया डिवाइस एक स्ट्रोब लाइट की तरह है जो एक पल के झपकी में हजारों बार चमकती है। यह महंगे हाई-स्पीड इलेक्ट्रॉनिक कैमरों की आवश्यकता के बिना डेटा वेव के पूरे मोशन को हाई डेफिनेशन में कैप्चर करता है।

उन्होंने वास्तव में क्या सिद्ध किया?

लेखकों ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। उन्होंने अभी तक भौतिक उपकरण नहीं बनाया है, लेकिन उन्होंने इसका सटीक मॉडल तैयार किया है। उनके सिमुलेशन ने क्या दिखाया:

दूरी: उन्होंने 50 GBd (एक बहुत तेज़ गति) की गति से डेटा भेजने वाले सिस्टम का परीक्षण किया।
- पुराना LPO (लीनियर प्लगेबल ऑप्टिक): यह डेटा केवल 1 किमी तक भेज सका, जिसके बाद सिग्नल इतना विकृत हो गया कि उसे ठीक करना असंभव था।
- पुराना DSP (डिजिटल): यह लगभग 3 किमी तक पहुँच सका।
- नया फोटोनिक NGRC: इसने वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त कम एरर रेट बनाए रखते हुए 50 किमी से अधिक सफलतापूर्वक डेटा भेजा।
प्रदर्शन: नया सिस्टम केवल डिजिटल के बराबर ही नहीं था; इसने वास्तव में उपलब्ध सर्वश्रेष्ठ डिजिटल तरीकों को पछाड़ दिया, भले ही डिजिटल सिस्टम को त्रुटियों को ठीक करने के लिए अधिक "मस्तिष्क शक्ति" (मेमोरी) दी गई थी।
यथार्थवाद: उन्होंने वास्तविक दुनिया की स्थितियों की नकल करने के लिए सिमुलेशन में "नॉइज़" (जैसे रेडियो पर स्टेटिक शोर) और "लॉस" (सिग्नल का फीका पड़ना) जोड़ा। इन चुनौतियों के बावजूद, सिस्टम काम करता रहा जब तक कि उन्होंने सिग्नल को बढ़ाने के लिए एक मानक एम्पलीफायर (EDFA) जोड़ा।

सारांश

यह पेपर एक ऐसे तरीके का प्रस्ताव करता है जिससे भारी, बिजली की खपत करने वाले डिजिटल कंप्यूटरों का उपयोग किए बिना बहुत तेज़ और बहुत दूर तक हाई-स्पीड डेटा भेजा जा सके। सीधे प्रकाश को नियंत्रित करने वाले एक विशेष चिप (एनालॉग फोटोनिक रिज़र्वोयर कंप्यूटिंग) का उपयोग करके, वे विकृत संदेशों को तुरंत "अनस्कैम्बल" कर सकते हैं, उन छिपे हुए विवरणों को देख सकते हैं जिन्हें डिजिटल सिस्टम मिस कर देते हैं, और यह सब बहुत कम ऊर्जा के साथ कर सकते हैं।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि यह दृष्टिकोण डेटा सेंटरों को कम लेटेंसी और कम पावर के साथ दर्जनों किलोमीटर तक जोड़ने में सक्षम बना सकता है, जो वर्तमान में मानक लीनियर ऑप्टिक्स के साथ असंभव है या डिजिटल प्रोसेसिंग के साथ कठिन है।

तकनीकी सारांश: एनालॉग फोटोनिक नेक्स्ट-जेनरेशन रिज़र्वोयर कंप्यूटिंग के माध्यम से नॉनलीनियर प्लगबल ऑप्टिक्स

समस्या विवरण
AI/ML डेटा सेंटर इंटरकनेक्ट्स की बढ़ती बैंडविड्थ मांगों ने पावर खपत और लेटेंसी को कम करने के लिए डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (DSP) को हटाने हेतु लीनियर प्लगबल ऑप्टिक्स (LPO) को अपनाने के लिए प्रेरित किया है। हालांकि, LPO आर्किटेक्चर में गैर-आदर्श एनकोडिंग इलेक्ट्रॉनिक्स (DACs, मॉड्युलेटर्स) और ऑप्टिकल चैनल के दोषों (क्रोमैटिक डिस्पर्शन, केर नॉनलिनैरिटी) से उत्पन्न होने वाले नॉनलीनियर विरूपण (distortions) को ठीक करने की क्षमता का अभाव है। फलस्वरूप, LPOs को O-बैंड (नियर-जीरो डिस्पर्शन) और कम दूरी तक ही सीमित रखा जा सकता है। इसके विपरीत, DSP-आधारित समाधान, जो लंबी दूरी के लिए सक्षम हैं, महत्वपूर्ण शक्ति (ट्रांसीवर पावर का 50% तक) खर्च करते हैं और वास्तविक समय के अनुप्रयोगों के लिए अस्वीकार्य लेटेंसी पेश करते हैं। इसके अलावा, मानक इंटेंसिटी मॉड्यूलेशन/डायरेक्ट डिटेक्शन (IM/DD) लिंक ऑप्टिकल फेज सूचना को खो देते हैं, जो उच्च सिंबल रेट (जैसे 50 GBd) पर ~1 किमी से अधिक की दूरी के लिए डिस्टॉर्शन को क्षतिपूर्ति करने की DSP की क्षमता को सीमित करता है।

कार्यप्रणाली
लेखक एक नॉनलीनियर प्लगबल ऑप्टिक (NLPO) ट्रांसीवर का प्रस्ताव करते हैं जो एक फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (PIC) पर कार्यान्वित एनालॉग फोटोनिक नेक्स्ट-जेनरेशन रिज़र्वोयर कंप्यूटिंग (NGRC) आर्किटेक्चर का उपयोग करता है। पारंपरिक रिज़र्वोयर कंप्यूटिंग के विपरीत, NGRCs रिकरेंट फीडबैक पर निर्भर नहीं होते हैं; इसके बजाय, वे डिस्क्रीट टाइम सैंपल्स के लीनियर और नॉनलीनियर रूपांतरणों के माध्यम से फीचर वेक्टर्स उत्पन्न करते हैं।

प्रस्तावित PIC-आधारित NGRC इस प्रकार कार्य करता है:

इनपुट फीचर वेक्टर जनरेशन: आने वाले विकृत ऑप्टिकल फील्ड को अलग-अलग विलंब (delays) के साथ $N_{in}$ पथों में विभाजित किया जाता है ताकि एक टाइम-डिलेड इनपुट वेक्टर बनाया जा सके। महत्वपूर्ण रूप से, यह वेक्टर लोकल ऑसिलेटर (LO) की आवश्यकता के बिना जटिल ऑप्टिकल फील्ड (एम्प्लीट्यूड और फेज) को संरक्षित करता है।
फीचर मिक्सिंग: इनपुट वेक्टर को एक पैसिव क्षेत्र (जैसे इवेनेसेंटली कपल्ड वेवगाइड्स) में कोहेरेंटली मिक्स किया जाता है ताकि एक स्पेकल पैटर्न बनाया जा सके। यह मिक्सिंग सिग्नल को इनपुट डेटा के बहुपद संयोजनों (polynomial combinations) में प्रभावी रूप से विघटित करती है, जो रिज़र्वोयर स्टेट के रूप में कार्य करती है।
वेटेड डिटेक्शन: प्रशिक्षित वेट्स (weights) को माइक्रो-रिंग मॉड्युलेटर्स का उपयोग करके मिश्रित ऑप्टिकल पावर पर लागू किया जाता है। वेटेड सिग्नल्स को बैलेंस्ड फोटोडिटेक्टर्स द्वारा डिटेक्ट किया जाता है, और परिणामी फोटोकरेंट को सुधारा गया सिम्बल्स प्राप्त करने के लिए घटाया जाता है।
ओवरसैंपलिंग: सिस्टम डेटा को सिंबल रेट (जैसे 50 GBd के लिए 250 GS/s) से काफी अधिक दरों पर ऑप्टिकल डिले लाइन्स का उपयोग करके ओवरसैंपल करता है, जिससे उच्च-बैंडविड्थ इलेक्ट्रॉनिक सैंपलिंग की आवश्यकता को दरकिनार किया जा जाता है।

मुख्य योगदान

DSP-मुक्त नॉनलीनियर क्षतिपूर्ति: यह पेपर इलेक्ट्रॉनिक एनकोडिंग डिस्टॉर्शन और ऑप्टिकल प्रोपेगेशन इम्पेयरमेंट्स (डिस्पर्शन और केर नॉनलिनैरिटी) दोनों की क्षतिपूर्ति के लिए एक पूर्णतः एनालॉग, DSP-मुक्त दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है।
बिना LO के फेज सूचना का उपयोग: यह कार्य दिखाता है कि फोटोनिक NGRC बिना किसी लोकल ऑसिलेटर या सह-प्रवाहित कैरियर के ऑप्टिकल फेज सूचना तक पहुँच सकता है और इक्वलाइज़ेशन के लिए इसका उपयोग कर सकता है, जो आमतौर पर कोहेरेंट सिस्टम की विशेषता है।
ऑप्टिकल ओवरसैंपलिंग: लेखकों ने पहचान की है कि ऑप्टिकल डिले लाइन्स के माध्यम से डेटा को सिंबल रेट से बहुत ऊपर ओवरसैंपल करने की क्षमता फोटोनिक रिज़र्वोयर्स का एक प्रमुख लाभ है, जो ऐसी जानकारी निकालने में सक्षम बनाता है जिसे डिजिटल DSP अत्यधिक महंगी इलेक्ट्रॉनिक्स के बिना एक्सेस नहीं कर सकता।
PIC कार्यान्वयन: अध्ययन एक स्थानिक रूप से मल्टीप्लेक्स किया गया PIC आर्किटेक्चर विवरण देता है जो मौजूदा ट्रांसीवर तकनीकों के साथ एकीकरण के लिए उपयुक्त है, जिसमें पावर खपत को न्यूनतम करने के लिए पैसिव फीचर वेक्टर जनरेशन पर जोर दिया गया है।

परिणाम
DSP-आधारित FIR फिल्टर और डिजिटल NGRCs के विरुद्ध प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए 50 GBd PAM-4 लिंक (100 Gb/s) पर सिमुलेशन किए गए:

10 किमी पर प्रदर्शन: एक शोर-मुक्त 10 किमी लिंक में, फोटोनिक NGRC ने DSP-आधारित तरीकों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया। जबकि डिजिटल FIR फिल्टर और डिजिटल NGRCs, KP4 फॉरवर्ड एरर करेक्शन (FEC) थ्रेशोल्ड ( $2.2 \times 10^{-4}$ ) को पूरा करने में विफल रहे, फोटोनिक NGRC ने 6 या उससे अधिक की मेमोरी लेंथ ( $M$ ) के साथ इस थ्रेशोल्ड से नीचे का बिट एरर रेट (BER) प्राप्त किया।
ओवरसैंपलिंग का प्रभाव: ओवरसैंपलिंग दर ( $R_{os}$ ) बढ़ाने से फोटोनिक NGRC को त्रुटि-मुक्त ट्रांसमिशन ( $BER < 10^{-6}$ ) प्राप्त करने में मदद मिली, जहाँ $R_{os} \ge 2$ (LO के साथ) या $R_{os} \ge 3$ (बिना LO के) था। DSP-आधारित दृष्टिकोण ओवरसैंपलिंग दर के बावजूद FEC थ्रेशोल्ड तक पहुँचने में विफल रहे।
रेंज विस्तार: मेमोरी लेंथ को अनुकूलित करके, फोटोनिक NGRC ने LPOs की विशिष्ट 1 किमी की सीमा से बढ़ाकर 50 किमी से अधिक की व्यवहार्य लिंक रेंज को बढ़ा दिया। विशेष रूप से, $M=11$ के साथ, सिस्टम ने 51.2 किमी तक KP4 थ्रेशोल्ड से नीचे BER बनाए रखा।
वास्तविक दुनिया की बाधाओं के लिए अनुकूलन: लेखकों ने आउटपुट फीचर वेक्टर साइज ( $N_{out}$ ) को 32 तक कम करके एक व्यावहारिक PIC के लिए डिज़ाइन को अनुकूलित किया। $M \approx 4.2$ और $R_{os} = 5$ के एक इष्टतम कॉन्फ़िगरेशन ने $2 \times 10^{-5}$ का BER प्राप्त किया।
शोर मजबूती (Noise Robustness): एम्पलीफाइड स्पोंटेनियस एमिशन (ASE) और शॉट नॉइज़ सहित सिमुलेशन ने प्रदर्शित किया कि लगभग 20 dB गेन प्रदान करने वाले एर्बियम-डोप्ड फाइबर एम्पलीफायर (EDFA) के साथ, सिस्टम PIC इंसर्शन लॉस को पार कर सकता है और FEC थ्रेशोल्ड से नीचे BER बनाए रख सकता है।

महत्व और दावे
यह पेपर दावा करता है कि यह कार्य वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में अत्याधुनिक डिजिटल समाधानों से बेहतर प्रदर्शन करने के लिए फोटोनिक NGRCs की क्षमता को प्रदर्शित करता है। प्रस्तावित NLPO आर्किटेक्चर कम-लेटेंसी, कम-पावर वाले IM/DD लिंक्स के लिए एक मार्ग प्रदान करता है जो दशकों (10s of km) तक संचालित हो सकते हैं और C-बैंड में काम कर सकते हैं, जो वर्तमान LPOs की रेंज और मजबूती की सीमाओं को पार करता है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह पहला कार्य है जो यह प्रदर्शित करता है कि ओवरसैंपलिंग फोटोनिक रिज़र्वोयर कंप्यूटरों का एक प्राथमिक लाभ है। हालांकि वर्तमान परिणाम सिमुलेशन-आधारित हैं और इसमें नॉइज़ मॉडलिंग शामिल है, यह कार्य एक प्रयोगात्मक कार्यान्वयन के लिए एक सैद्धांतिक और आर्किटेक्चरल आधार स्थापित करता है, जिस पर लेखक ध्यान केंद्रित कर रहे हैं।

1. "जादुई दर्पण" बनाम "स्मार्ट अनुवादक"

2. अदृश्य को देखना (फेज ट्रिक)

3. "सुपर-स्पीड कैमरा" (ओवरसैंपलिंग)

उन्होंने वास्तव में क्या सिद्ध किया?

सारांश

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