Wafer-scale three-dimensional polymer photonic integration for parallel in-line monitoring of multicore-fiber transmission

इंटरनेट हमारे डिजिटल जीवन के बोझ तले दब रहा है। आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस को शक्ति देने वाले विशाल डेटा केंद्रों से लेकर वीडियो कॉल और क्लाउड स्टोरेज के निरंतर प्रवाह तक, सूचना की मांग उन केबलों की तुलना में कहीं अधिक तेजी से बढ़ रही है जो इसे ले जाते हैं। दशकों से, इंजीनियरों ने प्रकाश के विभिन्न रंगों का उपयोग करके एक ही कांच के फाइबर में अधिक डेटा समाहित किया है, ठीक वैसे ही जैसे राजमार्ग में अधिक लेन जोड़ी जाती हैं। हालांकि, यह विधि अपनी भौतिक सीमाओं तक पहुँच रही है; जब इसे बहुत अधिक धकेला जाता है, तो कांच स्वयं संकेतों को विकृत करने लगता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक अलग रणनीति की ओर मुड़ रहे हैं: स्पेस-डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (space-division multiplexing)। केवल एक लेन में अधिक रंग जोड़ने के बजाय, यह दृष्टिकोण एक ही केबल के भीतर कई लेन को अगल-बगल रखता है। कल्पना कीजिए कि एक फाइबर ऑप्टिक केबल एक एकल धागे के रूप में नहीं, बल्कि एक साथ कसकर पैक किए गए सात छोटे, स्वतंत्र धागों के बंडल के रूप में है। प्रत्येक धागा, या कोर, अपने डेटा के प्रवाह को स्वयं ले जाता है, जिससे केबल की क्षमता बिना उसे चौड़ा किए प्रभावी रूप से बढ़ जाती है।

जबकि यह मल्टी-कोर तकनीक गति में एक बड़ी छलांग लगाने का वादा करती है, यह उन लोगों के लिए एक नई समस्या भी पैदा करती है जो इन नेटवर्कों का प्रबंधन करते हैं। एक मानक सिंगल-लेन केबल में, इंजीनियर डेटा के प्रवाह को रोके बिना समस्याओं की जांच करने या प्रदर्शन को मापने के लिए ट्रैफ़िक पर आसानी से नज़र रख सकते हैं। लेकिन एक मल्टी-कोर केबल में, सात लेन इतनी बारीकी से पैक होती हैं कि एक को दूसरे को बाधित किए बिना जांचना बेहद कठिन होता है। सिग्नल के निरीक्षण के पारंपरिक तरीके में पूरे बंडल को अलग करना, सातों धागों को अलग करना, प्रत्येक की व्यक्तिगत रूप से जांच करना और फिर उन्हें बड़ी मेहनत से पुन: संयोजित करना शामिल है। यह प्रक्रिया बोझिल है, इससे सिग्नल का महत्वपूर्ण नुकसान होता है, और डेटा प्रवाह में व्यवधान डालने का जोखिम भी रहता है। यह एक ऐसे सिस्टम के लिए एक अव्यवहारिक समाधान है जिसे दक्षता और निरंतरता के लिए डिज़ाइन किया गया है।

वेस्टलेक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक बहुत ही सुंदर समाधान विकसित किया है: एक ऐसा उपकरण जो पाइप के किनारे पर एक हल्के स्पर्श की तरह काम करता है, जिससे इंजीनियरों को डेटा के प्रवाह को रोके बिना या केबल को अलग किए बिना प्रत्येक लेन में डेटा की झलक मिल सकती है। उन्होंने स्पष्ट पॉलीमर प्लास्टिक की परतों से बने एक विशेष चिप का निर्माण किया है, जिसे मल्टी-कोर फाइबर लिंक के बिल्कुल बीच में बैठने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह चिप फाइबर की आंतरिक संरचना के सटीक आकार से मेल खाने के लिए इंजीनियर की गई है। जब प्रकाश फाइबर के माध्यम से यात्रा करता है और चिप से टकराता है, तो वह दूसरी ओर सीधे निकल जाता है, जिससे डेटा का प्रवाह बना रहता है। साथ ही, चिप चुपचाप प्रत्येक सात आंतरिक लेन से प्रकाश का एक छोटा, हानिरहित अंश निकाल लेती है और उसे एक अलग, सुलभ पोर्ट की ओर निर्देशित करती है। यह नेटवर्क ऑपरेटरों को वास्तविक समय में प्रत्येक डेटा स्ट्रीम के स्वास्थ्य और स्पेक्ट्रम की निगरानी करने की अनुमति देता है, जबकि मुख्य ट्रांसमिशन बिना किसी बाधा के जारी रहता है।

शोधकर्ताओं ने इस उपकरण का निर्माण एक परिष्कृत विनिर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके किया है जिसमें सिलिकॉन वेफर पर तीन अलग-अलग पॉलीमर वेवगाइड्स की परतों को स्टैक किया गया है। चूंकि फाइबर के भीतर सात कोर एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित हैं—ऊपर दो, बीच में तीन और नीचे दो—इसलिए चिप को इस त्रि-आयामी ज्यामिति की पूर्णतः नकल करनी थी। प्रत्येक परत की मोटाई को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, टीम ने यह सुनिश्चित किया कि ऊपर के दो कोर से आने वाला प्रकाश चिप की ऊपरी परत पर रहे, बीच के तीन मध्य परत पर रहें, और नीचे के दो निचली परत पर रहें। प्रत्येक इन परतों के भीतर, मॉनिटरिंग पोर्ट की ओर प्रकाश के एक छोटे हिस्से को मोड़ने के लिए सूक्ष्म कपलर (couplers) लगाए गए थे, जबकि बाकी हिस्से को गुजरने दिया गया। परिणाम एक एकल, कॉम्पैक्ट मॉड्यूल है जो फाइबर कोर की मूल व्यवस्था को इनपुट और आउटपुट दोनों तरफ सुरक्षित रखता है, और निरीक्षण के लिए सात अलग-अलग एक्सेस पॉइंट प्रदान करता है।

इस अवधारणा को वास्तविक दुनिया में सिद्ध करने के लिए, टीम ने चिप के दोनों सिरों पर फाइबर केबल लगाए और दस किलोमीटर लंबे लिंक में उच्च गति वाले डेटा के साथ इसका परीक्षण किया। उन्होंने प्रत्येक सात कोर के माध्यम से 240 गीगाबिट प्रति सेकंड की गति से सिग्नल भेजे। माप से पता चला कि इस उपकरण ने प्रकाश के प्रवाह में बहुत कम प्रतिरोध उत्पन्न किया, जिसमें मुख्य सिग्नल पथ के लिए कुल हानि 2.1 और 4.0 डेसिबल के बीच रही। महत्वपूर्ण रूप से, प्रकाश को निकालने की प्रक्रिया के कारण अलग-अलग लेन के संकेतों में आपस में मिलने (क्रॉसटॉक) की घटना अत्यंत कम रही। जब उन्होंने उपकरण को डालने से पहले और बाद की डेटा गुणवत्ता की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि यदि मामूली हानि की भरपाई के लिए पावर लेवल को समायोजित किया जाए, तो सिग्नल की गुणवत्ता में कोई मापने योग्य गिरावट नहीं हुई। इसने पुष्टि की कि उपकरण बिना किसी त्रुटि या ट्रांसमिशन को धीमा किए नेटवर्क की निगरानी कर सकता है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम ने यह प्रदर्शित किया कि निकाले गए प्रकाश का उपयोग डेटा प्रसारित होते समय ही सिग्नल के स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है। इसका अर्थ है कि नेटवर्क ऑपरेटर अब केबल को बंद किए या उसे खोलने के बिना केबल के भीतर क्या हो रहा है, इसका पूरा चित्र देख सकते हैं—शोर की जांच करना, सिग्नल की शक्ति को सत्यापित करना और दोषों का निदान करना। यह उपकरण मल्टी-कोर फाइबर की उच्च क्षमता और निरंतर, गैर-हस्तक्षेप वाली निगरानी की व्यावहारिक आवश्यकता के बीच के अंतर को सफलतापूर्वक पाटता है। चिप में फाइबर की ज्यामिति को सीधे एकीकृत करके और निगरानी संकेतों को एक अलग, सुलभ पथ के माध्यम से रूट करके, शोधकर्ताओं ने एक स्केलेबल प्लेटफॉर्म बनाया है जो अगली पीढ़ी के अल्ट्रा-हाई-स्पीड संचार नेटवर्क में एक मानक घटक बन सकता है। यह कार्य इस तकनीक को प्रयोगशाला की जिज्ञासा से एक व्यावहारिक उपकरण की ओर ले जाता है, जो भविष्य के इंटरनेट के जटिल, बहु-लेन राजमार्गों के प्रबंधन के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।