A Convolutional MIMO Programmable Metasurface for Co-Directional OAM Multiplexing with Low-Divergence Propagation

वायरलेस डेटा, रेडियो स्पेक्ट्रम के उन पाइपों की तुलना में अधिक तेजी से बढ़ रहा है जो इसे ले जाते हैं। इसका मुकाबला करने के लिए, इंजीनियर लंबे समय से रेडियो स्पेक्ट्रम के एक ही हिस्से में अधिक जानकारी पैक करने के तरीके खोज रहे हैं। एक आशाजनक विचार में रेडियो तरंगों को स्वयं मरोड़ना (twist करना) शामिल है। कल्पना कीजिए कि पानी की एक धारा सीधे आगे बह रही है; अब उसी धारा की कल्पना करें जो आगे बढ़ते हुए एक कॉर्कस्क्रू की तरह घूम रही है। भौतिकी में, इस घूमने वाले गुण को ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम (कक्षीय कोणीय संवेग) कहा जाता है। क्योंकि ये मुड़ी हुई तरंगें अलग-अलग दिशाओं या अलग-अलग दरों पर घूम सकती हैं, वे संकेतों को अलग करने का एक नया तरीका प्रदान करती हैं। यदि आप विपरीत दिशाओं में घूमने वाली तरंगों पर दो संदेश भेजते हैं, तो एक रिसीवर उन्हें सुलझाने में सक्षम होना चाहिए, जो अतिरिक्त हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना प्रभावी रूप से क्षमता को दोगुना कर देता है।

हालाँकि, इसे वास्तविक दुनिया में काम करना करना आश्चर्यजनक रूप से कठिन है। जब ये घूमने वाली तरंगें हवा में यात्रा करती हैं, तो वे स्वाभाविक रूप से फैल जाती हैं और अपना आकार खो देती हैं, ठीक वैसे ही जैसे टॉर्च से निकलने वाली रोशनी की किरण दूर जाने पर चौड़ी हो जाती है। यदि आप एक साथ कई घूमने वाली तरंगें भेजने की कोशिश करते हैं, तो वे एक-दूसरे में मिल जाती हैं, जिससे संदेशों को पहचानना असंभव हो जाता है। इसके अलावा, इन तरंगों को एक विशिष्ट दिशा में मोड़ने के लिए प्रत्येक व्यक्तिगत चैनल के लिए जटिल, महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है। वर्षों से, एक शोधकर्ता इन मुड़ी हुई तरंगों को उत्पन्न करने, उन्हें एक साथ निर्देशित करने और उन्हें फैलने से रोकने का तरीका खोजने के लिए संघर्ष कर रहा है, और वह भी एक एकल, सरल उपकरण का उपयोग करके।

एक शोधकर्ता ने अब एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो इन समस्याओं को हल करता है, जिसमें तरंगों के उत्पादन और उनके पथ के नियंत्रण को एक ही, समन्वित मशीन के दो भागों के रूप में माना गया है। उनका कार्य, जो एक सपाट, प्रोग्राम करने योग्य सतह पर केंद्रित है, यह प्रदर्शित करता है कि घूमने वाली तरंगों पर दो अलग-अलग संदेश भेजना, उन्हें एक चुनी हुई दिशा में मोड़ना और उन्हें एक उपयोगी दूरी तक सघन और केंद्रित रखना संभव है। यह सिस्टम तरंगों को एक गोलाकार एंटीना ऐरे का उपयोग करके उत्पन्न करके और फिर एक विशेष शीट के माध्यम से गुजरकर काम करता है जो एक स्मार्ट लेंस की तरह कार्य करती है। यह शीट प्रत्येक तरंग को व्यक्तिगत रूप से ठीक करने की कोशिश नहीं करती है; इसके बजाय, यह निर्देशों का एक एकल, साझा सेट लागू करती है जो तरंगों के पूरे समूह को एक साथ निर्देशित करता है।

इस नए दृष्टिकोण का मूल एक उपकरण है जिसे प्रोग्राम करने योग्य मेटासरफेस (metasurface) कहा जाता है। इसे एक सपाट पैनल के रूप में सोचें जो सैकड़ों छोटे, स्विच करने योग्य तत्वों से बना है। इस प्रयोग में, शोधकर्ता ने 144 तत्वों के ग्रिड वाले एक पैनल का उपयोग किया। प्रत्येक तत्व को दो में से एक अवस्था में बदला जा सकता है, जो प्रभावी रूप से एक छोटे स्विच की तरह कार्य करता है जो रेडियो तरंग के गुजरने के तरीके को बदल देता है। इन स्विचों को एक विशिष्ट पैटर्न में चालू और बंद करके, पैनल रेडियो सिग्नल के वेवफ्रंट (तरंग अग्रभाग) को नया आकार दे सकता है। शोधकर्ता ने इस पैनल को आठ एंटीना के एक गोलाकार ऐरे के साथ जोड़ा जिसे एक नेटवर्क द्वारा संचालित किया जाता है जो प्रारंभिक घूमने वाली गति पैदा करता है। एंटीना मुड़ी हुई तरंगें उत्पन्न करते हैं, और पैनल तुरंत उन्हें मोड़ने और आकार देने का कार्य संभाल लेता है।

यह डिज़ाइन इसलिए चतुर है क्योंकि पैनल को यह जानने की आवश्यकता नहीं है कि किस विशिष्ट संदेश पर कौन सी तरंग है। यह तरंगों के पूरे समूह को एक एकल इकाई के रूप में मानता है। जब शोधकर्ता ने सिग्नल को मोड़ने के लिए पैनल को प्रोग्राम किया, तो इसने तरंगों के पूरे समूह को लक्ष्य दिशा की ओर, सीधी रेखा से 50 डिग्री तक झुका दिया। महत्वपूर्ण रूप से, इसने एक विशेष शेपिंग प्रभाव भी लगाया जिसने तरंगों को यात्रा के दौरान फैलने से रोका। यह शेपिंग प्रभाव ऊर्जा को सीमित करके काम करता है, ठीक वैसे ही जैसे एक लेंस प्रकाश को केंद्रित करता है, लेकिन यह घूमने वाली तरंगों के पूरे समूह के लिए एक साथ करता है। परिणाम एक ऐसी बीम है जो एक मीटर से अधिक की दूरी तक संकीर्ण और स्थिर रहती है, भले ही वह दो अलग-अलग डेटा स्ट्रीम ले रही हो।

यह वास्तव में संचार के लिए काम करता है या नहीं, इसका परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ता ने डिजिटल सूचना के दो स्वतंत्र स्ट्रीम भेजे। एक स्ट्रीम को एक दिशा में घूमने वाली तरंग पर एनकोड किया गया था, और दूसरी स्ट्रीम को विपरीत दिशा में घूमने वाली तरंग पर। उन्होंने इन संकेतों को सिस्टम के माध्यम से एक साथ प्रसारित किया। रिसीवर छोर पर, संकेतों को कैप्चर किया गया और वापस उनके मूल स्ट्रीम में अलग किया गया। परिणाम स्पष्ट थे: सिस्टम ने दोनों संदेशों को बिना मिले सफलतापूर्वक वितरित किया। प्राप्त डेटा की गुणवत्ता बहुत उच्च थी, त्रुटियां इतनी कम थीं कि वे मुश्किल से दिखाई दे रही थीं। यहाँ तक कि जब शोधकर्ता ने बीम को विभिन्न दिशाओं में मोड़ने के लिए स्टीयरिंग एंगल बदला, तब भी सिस्टम ने दो संदेशों को अलग और सुलभ बनाए रखने की अपनी क्षमता बनाए रखी।

शोधकर्ता ने यह भी मापा कि सिस्टम ने दो चैनलों को एक-दूसरे से कितनी अच्छी तरह अलग रखा। उन्होंने पाया कि एक चैनल के लिए इच्छित सिग्नल, रिसीवर पर दूसरे चैनल के अवांछित सिग्नल की तुलना में कम से कम 15 डेसिबल अधिक मजबूत था। अलगाव का यह स्तर यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त है कि संदेश एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप न करें। प्रयोगों ने पुष्टि की कि तरंगों ने अपनी घूमने वाली संरचना को पूरी यात्रा के दौरान बनाए रखा। पैनल द्वारा मोड़े जाने और आकार दिए जाने के बाद भी, तरंगों ने अपने मूल स्पिन के अद्वितीय हस्ताक्षर को बनाए रखा, जिससे रिसीवर को उन्हें सही ढंग से पहचानने और डिकोड करने में मदद मिली।

यह कार्य इस बात का एक महत्वपूर्ण कदम है कि भविष्य में हम वायरलेस ट्रैफिक को कैसे प्रबंधित कर सकते हैं। तरंगों के निर्माण और उनके पथ के नियंत्रण को समन्वित करके, शोधकर्ता ने दिखाया है कि यह संभव है कि एक ही, पुनर्गठित योग्य सतह का उपयोग उन जटिल कार्यों के लिए किया जाए जिनके लिए पहले कई, अलग-अलग प्रणालियों की आवश्यकता होती थी। सिस्टम ने एक साथ दो चैनल संभालने की क्षमता सिद्ध की, लेकिन डिज़ाइन यह सुझाव देता है कि यह संभावित रूप से कई अधिक चैनलों का समर्थन कर सकता है। मुख्य निष्कर्ष यह है कि साझा सतह तरंगों की व्यक्तिगत पहचान को नष्ट नहीं करती है; इसके बजाय, यह उन्हें सामूहिक रूप से निर्देशित करती है जबकि उनके अंतर को सुरक्षित रखती है।

प्रयोग 5 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर किए गए थे, जो आधुनिक वायरलेस संचार के लिए उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य बैंड है। भौतिक प्रोटोटाइप लगभग एक बड़े कागज के पन्ने के आकार का पैनल था, जिसमें एंटीना और इलेक्ट्रॉनिक्स को एक कॉम्पैक्ट सेटअप में एकीकृत किया गया था। शोधकर्ता ने नियंत्रित वातावरण में रेडियो क्षेत्रों के सावधानीपूर्वक माप के माध्यम से अपने परिणामों को सत्यापित किया, जिससे पुष्टि हुई कि तरंगें बिल्कुल वैसे ही व्यवहार करती हैं जैसा उनके मॉडल भविष्यवाणी करते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट दूरी सीमा पर भी सिस्टम का परीक्षण किया, यह दिखाते हुए कि केंद्रित बीम कम फैलाव वाले डिज़ाइन किए गए क्षेत्र के भीतर स्थिर रहती है।

हालांकि वर्तमान प्रदर्शन दो चैनलों और एक लाइन-ऑफ-साइट पथ तक सीमित है, लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत वायरलेस नेटवर्क के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के सिस्टम स्मार्ट सतहों का उपयोग करके डेटा के प्रवाह को गतिशील रूप से प्रबंधित कर सकते हैं, बाधाओं के चारों ओर संकेतों को मोड़ सकते हैं या पारंपरिक एंटीना की बड़ी संख्या के बिना विशिष्ट उपयोगकर्ताओं पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। जॉइंट फीड और अपर्चर आर्किटेक्चर की सफलता यह दिखाती है कि तरंगों के निर्माण और उनके प्रसार के नियंत्रण को एक एकल, कुशल प्लेटफॉर्म में एकीकृत किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण पुनर्गठित ट्रांसमिशन के लिए एक हार्डवेयर-कुशल मार्ग प्रदान करता है, जहाँ एक ही डिवाइस को केवल अपनी इलेक्ट्रॉनिक सेटिंग्स बदलकर विभिन्न आवश्यकताओं के अनुकूल बनाया जा सकता है।

अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने वायरलेस संचार की हर समस्या को हल कर दिया है। शोधकर्ता ने उल्लेख किया कि सिस्टम तब सबसे अच्छा काम करता है जब ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच स्पष्ट दृश्यता (line-of-sight) हो, और प्रदर्शन स्विच की सटीकता और पैनल के आकार पर निर्भर करता है। उन्होंने यह भी बताया कि हालांकि दो चैनलों ने अच्छा काम किया, लेकिन कई अधिक चैनलों तक स्केल करने के लिए तरंगों को अलग करने के तरीकों में और सुधार की आवश्यकता होगी। फिर भी, यह प्रदर्शन सिद्ध करता है कि अवधारणा सही है। यह दिखाता है कि सिग्नल के स्रोत और उसे आकार देने वाली सतह को एक एकल, समन्वित प्रणाली के रूप में मानकर, हम रेडियो तरंगों पर उस स्तर का नियंत्रण प्राप्त कर सकते हैं जो पहले कठिन था।

अंत में, यह कार्य एक ठोस उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे उन्नत सामग्रियों और स्मार्ट इलेक्ट्रॉनिक्स को रेडियो तरंगों की भौतिक सीमाओं को पार करने के लिए संयोजित किया जा सकता है। यह केवल एक मुड़ी हुई तरंग उत्पन्न करने के विचार से आगे बढ़कर उस तरंग की पूरी यात्रा पर ध्यान केंद्रित करता है, यह सुनिश्चित करता है कि वह अपने गंतव्य तक सुरक्षित और अपने पड़ोसियों से अलग पहुंचे। जो कोई भी वायरलेस डेटा के भविष्य को समझना चाहता है, उसके लिए यह शोध एक ऐसे पथ को उजागर करता है जहाँ तरंगें स्वयं अधिक बुद्धिमान बन जाती हैं, उन सतहों द्वारा निर्देशित होती हैं जो उस हवा को ही नया आकार दे सकती हैं जिससे वे यात्रा करती हैं। एक एकल, प्रोग्राम करने योग्य शीट के साथ कई घूमने वाले संकेतों को मोड़ने और केंद्रित करने की क्षमता अधिक कुशल और लचीले संचार नेटवर्क के द्वार खोलती है।