25 Pb s-1 extreme-multiplexed fiber-optic communications enabled by orbital angular momentum physics
यह शोध पत्र एक 19-कोर रिंग-कोर फाइबर में ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम मोड का लाभ उठाकर एक ब्लॉक-डायगोनल चैनल मैट्रिक्स बनाने के माध्यम से, इंटर-मोडल कपलिंग और संरेखण चुनौतियों पर विजय प्राप्त करते हुए, 10 किमी की दूरी पर 25.24 Pb/s की सिंगल-फाइबर ट्रांसमिशन प्रणाली प्रदर्शित करता है, जिससे कम-जटिलता वाले, पूर्णतः स्वचालित MIMO इक्वलाइज़ेशन के साथ रिकॉर्ड-तोड़ क्षमता प्राप्त होती है।
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इंटरनेट सूचना की एक विशाल, अदृश्य नदी है, लेकिन इसे ले जाने वाले पाइप अपनी सीमा तक पहुँच रहे हैं। दशकों से, इंजीनियर प्रकाश के विभिन्न रंगों को एक साथ पैक करके कांच के एक एकल धागे में अधिक डेटा समाहित करने का प्रयास कर रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक ही फ्रीक्वेंसी बैंड पर विभिन्न रेडियो स्टेशनों को एक के ऊपर एक रखा जाता है। हालाँकि, कितने रंग फिट हो सकते हैं, इसकी एक भौतिक सीमा है इससे पहले कि वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने लगें। इस बाधा को तोड़ने के लिए, वैज्ञानिक प्रकाश के आकार की ओर रुख कर रहे हैं। केवल रंग बदलने के बजाय, वे प्रकाश को सर्पिल (स्पाइरल) में घुमा रहे हैं, जिससे ऐसे बीम बन रहे हैं जो एक विशिष्ट प्रकार के स्पिन को वहन करते हैं जिसे ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि अंतरिक्ष में एक कॉर्कस्क्रू (पेंचनुमा आकृति) आगे बढ़ रहा है; घुमाव जितना अधिक कसा हुआ और सर्पिल जितना अधिक जटिल होगा, चैनल उतना ही विशिष्ट होता जाएगा। यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को प्रकाश को केवल एक धारा के रूप में नहीं, बल्कि अलग-अलग लेन के एक संग्रह के रूप में उपयोग करने की अनुमति देता है, जिससे एक सिंगल फाइबर केबल की क्षमता को सैकड़ों गुना बढ़ाया जा सकता है। हालाँकि, चुनौती यह रही है कि प्रकाश यात्रा करते समय इन लेन को आपस में मिलने से कैसे रोका जाए, और यह समझना कि बिना वर्षों के मैनुअल समायोजन के यात्रा की शुरुआत और अंत में उन्हें पूरी तरह से कैसे संरेखित किया जाए।
सन यत-सेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, उद्योग और अन्य संस्थानों के भागीदारों के साथ मिलकर काम करते हुए, यह प्रदर्शित किया है कि इस विशाल विस्तार को कैसे संभव बनाया जा सकता है। उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो एक सिंगल ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रति सेकंड 25.24 पेटाबिट डेटा भेजने में सक्षम है। पैमाने को समझने के लिए, एक पेटाबिट एक लाख अरब बिट्स होता है; यह एकल केबल एक सेकंड में उतना डेटा ले जा रही है जितना कुछ साल पहले का संपूर्ण वैश्विक इंटरनेट ट्रैफिक था। शोधकर्ताओं ने इसे एक विशेष फाइबर केबल का उपयोग करके हासिल किया जिसमें 19 अलग-अलग कोर शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक एक साथ कई मुड़े हुए प्रकाश बीम ले जाने में सक्षम है। कुल मिलाकर, सिस्टम ने 266 विशिष्ट स्थानिक चैनलों (स्पेशियल चैनल्स) को प्रबंधित किया, जिनमें से प्रत्येक 1,240 अलग-अलग तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) के प्रकाश को वहन कर रहा था, जिसके परिणामस्वरूप एक ही केबल के माध्यम से सूचना की 329,840 समानांतर धाराएं प्रवाहित हो रही थीं।
यह सफलता इस बात में निहित है कि टीम ने इन सैकड़ों चैनलों को एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने से कैसे रोका। ऐसे सिस्टम को बढ़ाने के पिछले प्रयासों में, कांच की सूक्ष्म खामियों या केबल के मुड़ने के तरीके के कारण प्रकाश तरंगें अंततः आपस में मिल जाती थीं, जिससे इंजीनियरों को सिग्नल को सुलझाने के लिए अविश्वसनीय रूप से जटिल कंप्यूटर प्रोसेसिंग का उपयोग करने के लिए मजबूर होना पड़ता था। यह प्रोसेसिंग इतनी भारी थी कि अधिक चैनल जोड़ना अव्यावहारिक हो गया था। शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक रिंग के आकार के कोर वाला फाइबर डिजाइन किया, जो स्वाभाविक रूप से मुड़े हुए प्रकाश को विशिष्ट, स्थिर समूहों में मजबूर करता है। इन सर्पिल्स के व्यवहार के भौतिक विज्ञान के कारण, एक समूह का प्रकाश दूसरे समूह में आसानी से नहीं कूद सकता, भले ही वह 10 किलोमीटर की दूरी तय करे। इसने ऐसी स्थिति पैदा की जहाँ सिग्नल व्यवस्थित रहा, जिससे टीम को एक बहुत ही सरल, निश्चित-आकार के कंप्यूटर मॉड्यूल का उपयोग करके सिग्नल को साफ करने की अनुमति मिली, न कि एक विशाल, ऊर्जा-खपत करने वाले प्रोसेसर का जो हर नए चैनल के साथ बढ़ता जाता।
केबल के सिरों पर, जहाँ प्रकाश प्रवेश करता है और बाहर निकलता है, शोधकर्ताओं को एक और बाधा का सामना करना पड़ा: सैकड़ों बीम को पूरी तरह से संरेखित करना एक ऐसा कार्य है जिसके लिए आमतौर पर कुशल तकनीशियनों द्वारा थकाऊ, मैनुअल ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है। टीम ने मुड़े हुए प्रकाश के एक अद्वितीय गुण का लाभ उठाकर इस प्रक्रिया को स्वचालित करने का एक तरीका खोजा। क्योंकि ये सर्पिल्स किसी भी कोण से घुमाने पर एक जैसे ही दिखते हैं, इसलिए सिस्टम को बीम के सटीक कोण को ट्रैक करने की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि वे एक प्रकार के सर्पिल के लिए विरूपण (डिस्टॉर्शन) को ठीक करते हैं, तो वही सुधार उसी बंडल के अन्य प्रकार के सर्पिल्स के लिए लगभग पूरी तरह से काम करता है। इसका मतलब था कि उन्हें केवल एक कोर के प्रति एक बीम को कैलिब्रेट करने की आवश्यकता थी और फिर वे उस सुधार को अन्य सभी पर लागू कर सकते थे। उन्होंने एक स्वचालित प्रणाली बनाई जो इंस्टेंटली संरेखण खोजने के लिए एक कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग करती है, जिससे मानवीय हस्तक्षेप की आवश्यकता समाप्त हो गई और पूरा सेटअप स्थिर और विश्वसनीय हो गया।
परिणामस्वरूप एक ऐसा ट्रांसमिशन सिस्टम प्राप्त हुआ जो एक सिंगल फाइबर में पहले कभी देखी गई दक्षता के स्तर के साथ काम करता है। शोधकर्ताओं ने अपने कस्टम-निर्मित 19-कोर फाइबर के 10-किलोमीटर के हिस्से पर डेटा प्रवाह को मापा और पुष्टि की कि सिस्टम सिग्नल की गुणवत्ता को खराब किए बिना अत्यधिक मात्रा में डेटा को संभाल सकता है। उन्होंने वर्तमान मानक केबलों की तुलना में लगभग चार सौ गुना अधिक डेटा घनत्व हासिल किया, और यह सब करते हुए सिग्नल प्रोसेसिंग की जटिलता को कम और स्थिर रखा। यह कार्य सिद्ध करता है कि ऐसा फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क बनाना संभव है जो प्रबंधनीय बने रहते हुए सैकड़ों चैनलों तक स्केल कर सके। प्रकाश को व्यवस्थित रखने के लिए प्राकृतिक भौतिकी के नियमों का उपयोग करके, टीम ने वैश्विक संचार के भविष्य की ओर एक स्पष्ट मार्ग दिखाया है, जहाँ कांच का एक एकल धागा बिना किसी कठिनाई के पूरे राष्ट्रों की डेटा आवश्यकताओं को वहन कर सकता है।
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