Beyond 50 Gbit/s Wireless Transmission Using a Directly Modulated 2.54 THz Quantum Cascade Laser and Adaptive OFDM
यह शोध पत्र एक सीधे तौर पर मॉड्यूलेटेड क्वांटम कैस्केड लेजर को एडेप्टिव OFDM के साथ संयोजित करके 2.54 THz पर 50 Gbit/s से अधिक की एक रिकॉर्ड तोड़ वायरलेस ट्रांसमिशन डेटा दर प्रदर्शित करता है, जो निश्चित मॉड्यूलेशन स्कीमों की सीमाओं को पार करने के लिए बैंडविड्थ उपयोग को प्रभावी ढंग से अनुकूलित करता है।
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इंटरनेट की कल्पना एक विशाल राजमार्ग प्रणाली के रूप में करें। दशकों से, हम कुछ ही लेन में अधिक से अधिक कारों को ठूस रहे हैं, जिससे ट्रैफिक जाम हो रहा है और सब कुछ धीमा हो जा रहा है। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियरों ने चौड़ी सड़कें बनाने की कोशिश की है, रेडियो तरंगों से माइक्रोवेव और फिर प्रकाश की ओर बढ़े हैं। लेकिन इसमें एक पेचीदा मध्य क्षेत्र है जिसे "टेराहर्ट्ज़ गैप" (Terahertz gap) कहा जाता है। यह विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम का वह हिस्सा है जो वाई-फाई के लिए उपयोग की जाने वाली रेडियो तरंगों और रिमोट कंट्रोल में उपयोग किए जाने वाले इन्फ्रारेड प्रकाश के बीच स्थित है। लंबे समय तक, यह क्षेत्र एक भूतिया शहर (ghost town) की तरह था: पुरानी इलेक्ट्रॉनिक्स के संभालने के लिए बहुत तेज़, लेकिन मानक लेजर तक पहुँचने के लिए बहुत धीमा। हालाँकि, यदि हम इस अंतराल को अनलॉक कर सकें, तो हम इतने तेज़ वायरलेस कनेक्शन बना सकते हैं कि आज के फाइबर-ऑप्टिक केबल भी डायल-अप की तरह लगें। इस गति को अनलॉक करने की कुंजी एक विशेष प्रकार का लेजर है जिसे क्वांटम कैस्केड लेजर (QCL) कहा जाता है, जो इन सुपर-हाई फ्रीक्वेंसी पर कंपन कर सकता है, और उन कंपनों पर डेटा को पैक करने का एक स्मार्ट तरीका ताकि शोर में कुछ भी खो न जाए।
यह शोध पत्र एक ऐसी वैज्ञानिकों की टीम के बारे में है जिन्होंने यह देखने का निर्णय लिया कि वे इस "भूतिया शहर" के माध्यम से डेटा को कितनी तेज़ी से भेज सकते हैं, इसके लिए उन्होंने 2.54 टेराहर्ट्ज़ लेजर का उपयोग किया। लेजर को एक सुपर-फास्ट लाइटहाउस (प्रकाश स्तंभ) के रूप में समझें जो अपनी बीम को घुमा रहा है, और डेटा को प्रकाश की चमक के रूप में। चुनौती यह है कि लाइटहाउस पूरी तरह से समान रूप से नहीं घूमता; बीम के कुछ हिस्से चमकीले और स्पष्ट हैं, जबकि अन्य धुंधले और डगमगाते हुए हैं। अतीत में, यदि आप एक ही, समान कोड का उपयोग करके पूरे बीम के माध्यम से संदेश भेजने की कोशिश करते, तो आपको पूरे संदेश को उस सबसे धुंधले और डगमगाते हिस्से के अनुरूप धीमा करना पड़ता। यह एक रिले रेस की तरह है जहाँ सबसे धीमा धावक पूरी टीम की गति निर्धारित करता है, जिससे तेज़ धावक ऊब जाते हैं और उनका उपयोग कम रह जाता है।
शोधकर्ताओं ने अपने 2.54 टेराहर्ट्ज़ लेजर का उपयोग करके हवा के एक छोटे, आधे मीटर के अंतराल के माध्यम से डेटा भेजने के इस परीक्षण को किया। पहले, उन्होंने पुराने तरीके को आज़माया: पूरे सिग्नल के लिए एक निश्चित कोड का उपयोग करना। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने अधिक डेटा भेजने के लिए चौड़ी और चौड़ी "लेन" (बैंडविड्थ) का उपयोग करने की कोशिश की, सिग्नल की गुणवत्ता किनारों पर खराब होती गई। वे लगभग 40 गीगाबिट प्रति सेकंड की गति तक डेटा भेजने में सफल रहे, लेकिन वे एक दीवार से टकरा गए क्योंकि उन्हें एक सरल, धीमे कोड का उपयोग करने के लिए मजबूर होना पड़ा ताकि सिग्नल के कमजोर हिस्सों में विफलता न हो।
फिर, उन्होंने "एडेप्टिव OFDM" (adaptive OFDM) नामक एक स्मार्ट ट्रिक आज़माई। डेटा स्ट्रीम को एक लंबी कारों की लाइन के रूप में नहीं, बल्कि व्यक्तिगत डिलीवरी ड्रोन के बेड़े के रूप में समझें। हर ड्रोन को एक ही गति से उड़ने और एक ही भारी भार ढोने के लिए मजबूर करने के बजाय, सिस्टम प्रत्येक ड्रोन के लिए व्यक्तिगत रूप से मौसम की जांच करता है। यदि आकाश साफ और शांत है (एक मजबूत सिग्नल), तो वह ड्रोन एक बड़ा, जटिल पैकेज (उच्च-क्रम डेटा) ले जाता है। यदि आकाश तूफानी और डगमगाता हुआ है (एक कमजोर सिग्नल), तो वह छोटा, अधिक टिकाऊ पैकेज (सरल डेटा) ले जाता है। सिग्नल के हर हिस्से के लिए लोड को कस्टमाइज़ करके, उन्होंने सिग्नल के स्पष्ट, तेज़ लेन को बर्बाद होने से रोक दिया।
परिणाम स्वरूप गति में भारी उछाल आया। इस एडेप्टिव पद्धति का उपयोग करके, टीम ने उसी छोटी दूरी पर वायरलेस ट्रांसमिशन की गति को 50 गीगाबिट प्रति सेकंड (विशेष रूप से 54.3 Gbit/s) से ऊपर पहुँचा दिया। यह 1 टेराहर्ट्ज़ से ऊपर की आवृत्तियों के लिए अब तक का सबसे तेज़ वायरलेस डेटा दर है। यह शोध पत्र दिखाता है कि सीमा लेजर की नहीं थी, बल्कि इस बात की थी कि हम इसका उपयोग कैसे कर रहे थे। सिस्टम को वास्तविक समय में सिग्नल के "मौसम" के अनुकूल होने देकर, उन्होंने एक ऐसे स्तर की गति को अनलॉक किया जो पहले इस हार्डवेयर के साथ असंभव माना जाता था, यह साबित करते हुए कि अल्ट्रा-फास्ट वायरलेस के भविष्य की कुंजी केवल बड़े इंजन बनाना नहीं है, बल्कि स्मार्ट तरीके से गाड़ी चलाना है।
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