اینترنت پرسرعت و ارزان؛ وعده جدید دانشمندان اینترنت اشیا

حالا که قرار است همه چیز با اینترنت به هم متصل باشند، چطور باید از پس هزینه‌های اینترنت و سرعت آن بر بیاییم؟ این سؤال یکی از چالش‌های پیش روی دنیایی است که وعده اتصال هرچیز با چیز دیگر را می‌دهد. اما پژوهش‌های جدید خبر از پیشرفت‌هایی در زیرساخت و کاهش هزینه‌های تأمین اینترنت پرسرعت در دنیای اینترنت اشیا می‌دهند.

نتایج پژوهش‌های دانشگاه تگزاس در آرلینگتون و دانشگاه ورمونت می‌تواند به کاهش قابل توجهی در هزینه و مصرف انرژی برای تامین اینترنت پرسرعت منجر گردد. اثرات غیرخطی نوری، مانند شاخص انکسار وابسته به شدت، می‌تواند هزاران بار سریع‌تر از آنچه که به صورت الکترونیکی به دست می‌آید برای پردازش داده‌ها به کار گرفته شود. تا به حال، چنین روش پردازشی تنها برای یک پرتو نوری در یک زمان، کاربرد داشته زیرا اثرات غیرخطی نوری، زمانی که چند پرتو نور وجود دارد، سبب ایجاد ارتباط متقابل ناخواسته بین‌پرتویی و یا تداخل میان آنها می‌شود.

یک فناوری نوین

درمقاله‌ای که در مجله Nature Communications به چاپ رسیده، تیم پژوهشی دکترمایکل وازیلیف، استاد مهندسی الکترونیک دانشگاه تگزاس در همکاری با دکتر تاراس لاکوبا، استاد ریاضیات دانشگاه ورمونت از جزئیات آزمایش نوعی رسانای نوری خبر داده‌اند که در آن چندین باریکه نور می‌توانند شکل خود را بدون اثرگذاری بر یکدیگر حفظ کنند.

در این تحقیق که هزینه‌های آن به وسیله بنیاد ملی علوم تأمین گردیده، به امکان پردازش همزمان غیرخطی چندین دسته باریکه نور با یک تک ابزار برای بدل‌سازی آنها به شکل الکتریکی پرداخته شده و راه این تکنولوژی را برای دستیابی به توان بالقوه چند ترابیت در ثانیه فراهم می‌آورد که نتیجه آن ارتباطات اینترنتی با سرعت بسیار بالاتر و از دیدگاه مصرف انرژی، بسیار کارآمدتر است.

پردازش غیرخطی نور و اینترنت پرسرعت

در حال حاضر برای از بین بردن نویزی که در طول انتشار نور در لینک‌های ارتباطی نوری انباشته می‌شوند، حامل‌های مخابراتی باید به فرآیند بازسازی اپتوالکترونیک مکرر منتقل شوند، جایی که سیگنال‌های نوری به وسیله فتودیتکتور‌های سریع به جریان الکتریکی بدل گشته؛ به این ترتیب که آنها با مدار سیلیکونی پردازش شده و سپس سیگنال‌های الکتریکی دوباره با استفاده از لیزرها و به سپس مودولاتورهای الکترو‌نوری به نور تبدیل می‌شوند. از آنجایی که هر فیبر نوری می‌تواند بیش از صد سیگنال مختلف را در طول موج‌های متفاوت (به نام WDM‌) حمل کند، چنین بازسازی نوری الکترونیکی باید به صورت جداگانه برای هر طول موج انجام شود. در نتیجه ژنراتورهای بازسازی، بزرگ، گران و ناکارآمد از دیدگاه مصرف انرژی بدل می‌شوند.

یک جایگزین جذاب برای این کار، پردازش مستقیم سیگنال نوری است، یعنی بدون تبدیل آن به جریان الکتریکی و برعکس. به طور خاص، سرعت نور پخش شده در یک محیط شفاف می‌تواند با تغییر در شدت نور اندکی تغییر کند. این یک بیان از اثر غیر‌خطی نوری به نام «مدولاسیون خود فاز‌» یا SPM است. اگر نور شامل سیگنال و نویز باشد، مدولاسیون خود فاز به خوبی‌ می‌تواند به پاک کردن سیگنال از نویز کمک کند، به این روش که با پراکنده کردن انرژی نویز به صورت فرکانس‌هایی در خارج از محدوده سیگنال، از جایی که نویز می‌تواند به راحتی توسط یک فیلتر حذف شود. هنگامی که این روش، بر نور حاوی اطلاعات مفید اعمال می‌شود، عملیات حذف نویز با SPM، «بازسازی تمام نوری» نامیده می‌شود، که می‌تواند به تصحیح خودکار نوری سیگنال‌هایی منجر ‌گردد که داده‌ها را با نرخی صدها برابر سریع تر از آنچه می‌تواند به صورت الکترونیکی پردازش شود، منتقل می‌کنند.

با این وجود، کاربرد بازسازی تمام نوری داده‌ها در سیستم های ارتباطی به دلیل عدم توانایی آنها برای کار کردن با سیگنال‌های WDM با مانع رو‌به‌رو گشته است. به این دلیل که در حضور چندین پرتو سیگنال یا کانال‌های WMD، مدولاسیون خود فاز‌ دلخواه همیشه با دو اثر نامطلوب همراه است؛ مدولاسیون بین فازی، که در آن شدت یک کانال موجب تغییر سرعت کانال دیگر می‌گردد و اختلاط چهارگانه که در آن ارتباط متقابل چند کانال به تداخل با دیگر کانال‌ها می‌انجامد.

در مقاله منتشر شده، دکتر وازیلیف و همکارانش از نمایش آزمایشی «رسانای غیرخطی نوری تأخیری مدیریت شده گروهی» گزارش دادند که در آن اثرات قوی مدولاسیون خود فاز‌ بدون اختلالات بین کانالی این‌چنینی به دست می‌آید. شکستن یک رسانای غیرخطی متداول مانند یک فیبر نوری به چندین بخش‌ کوتاه که به وسیله نوعی فیلتر گروهی دوره‌ای تأخیری انجام می‌گیرد، منجر به ایجاد رسانایی می‌شود که تمام اجزای یک کانال WDM یکسان با سرعتی همسان حرکت دارند و سبب ایجاد مدولاسیون خود فاز‌ قوی می‌شود. کانال‌های WDM متفاوت با سرعت‌هایی مختلف حرکت می‌کنند که به گونه‌ای چشمگیر برهمکنش بین کانالی را سرکوب می‌کند.

دکتر وازیلیف می‌گوید: رسانای جدید غیرخطی به ما امکان داد تا بازسازی تمام نوری 16 کانال WDM را با یک دستگاه واحد به صورت همزمان‌ نشان دهیم و این تعداد به امکانات آزمایشگاه ما محدود شده است. این آزمایش فرصت‌هایی را برای بالا بردن تعداد کانال‌ها به بیش از یک‌صد عدد بدون افزایش هزینه‌‌ها، در یک دستگاه با اندازه کتاب می‌گشاید. ژنراتور بازسازی چند کاناله را می‌توان در آینده و در صورتی که بتوان رسانای غیرخطی نوری را روی یک چیپ تعبیه نمود، حتی به صورت بالقوه تا اندازه قوطی کبریت کوچک ساخت.

دکتر جاناتن برودو استاد و رئیس بخش مهندسی الکترونیک دانشگاه تگزاس می‌گوید:

این پیشرفت، نمونه‌ای است از این که چگونه محققان می‌توانند به گونه‌ای مثبت بر رفاه فیزیکی و اقتصادی جامعه در زمینه کشف داده‌ها و اثر گذاری بر محیط جهانی موثر باشند.

تلاش های قبلی برای اجرایی کردن پردازش‌های غیر‌خطی-نوری موفقیتی نداشتند، زیرا به دلیل عدم امکان استفاده از بیش از یک کانال، هیچ مزیتی در برابر استفاده از سیگنال‌های الکتریکی نشان ندادند. حالا که گروه دکتر وازیلیف بر این مانع غلبه کرده، امکانات جدید بیشماری برای انتقال سریع‌تر و کارآمدتر پیام‌ها و درنتیجه تحقق اینترنت پرسرعت به وجود می‌آید.‌

مترجم: بابک جمالی