భవిష్యత్తులో అత్యంత వేగవంతమైన 6G నెట్‌వర్క్‌లకు ఉపయోగపడే సాంకేతికత అభివృద్ధిలో భారత్‌ మరో ముందడుగు వేసింది. బెంగళూరులోని జవహర్‌లాల్ నెహ్రూ సెంటర్ ఫర్ అడ్వాన్స్‌డ్ సైంటిఫిక్ రీసెర్చ్ (JNCASR) పరిశోధకులు సెకనుకు 100 గిగాబిట్ల (100 Gbps) వేగంతో డేటాను ప్రసారం చేయగల సిలికాన్ ఫోటానిక్ చిప్‌ను అభివృద్ధి చేశారు. టెరాహెర్ట్జ్ (THz) తరంగాల ఆధారంగా పనిచేసే ఈ సాంకేతికత భవిష్యత్తు వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్‌కు కీలకంగా మారే అవకాశం ఉంది.
ఈ పరిశోధనలో ప్రత్యేకత ఏమిటంటే.. టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాలు ప్రయాణించే మార్గంలో అడ్డంకులు ఎదురైనా సిగ్నల్ నష్టాన్ని చాలా తక్కువగా ఉంచే విధానాన్ని శాస్త్రవేత్తలు ప్రదర్శించారు. సాధారణంగా చిప్‌లోని మార్గాలు వంగినప్పుడు, మధ్యలో అడ్డంకులు లేదా మలుపులు ఉన్నప్పుడు సిగ్నల్ బలహీనపడుతుంది. ఈ సమస్యను అధిగమించేందుకు పరిశోధకులు కొత్త ఫోటానిక్ క్రిస్టల్ డిజైన్‌ను రూపొందించారు.
6G నెట్‌వర్క్‌లకు టెరాహెర్ట్జ్ టెక్నాలజీ ఎందుకు ముఖ్యం?
ప్రస్తుతం 4G, 5G నెట్‌వర్క్‌లు రేడియో తరంగాల ఆధారంగా పనిచేస్తున్నాయి. అయితే భవిష్యత్తులో 6G నెట్‌వర్క్‌లలో మరింత అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ కలిగిన టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాలను వినియోగించే అవకాశాలపై ప్రపంచవ్యాప్తంగా పరిశోధనలు జరుగుతున్నాయి. మైక్రోవేవ్‌లు, ఇన్‌ఫ్రారెడ్ కాంతి మధ్య ఉండే ఈ ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్ అందుబాటులో ఉంటుంది.
దీంతో భారీ మొత్తంలో డేటాను అత్యంత వేగంగా పంపించేందుకు అవకాశం ఉంటుంది. హై-డెఫినిషన్ వీడియోలు, క్లౌడ్ కంప్యూటింగ్, వర్చువల్ రియాలిటీ, ఆగ్మెంటెడ్ రియాలిటీ, పరిశ్రమల్లో రియల్‌టైమ్ ఆటోమేషన్ వంటి సేవలకు ఇది ఉపయోగపడవచ్చు.
అయితే టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాలను చిన్న చిప్‌లలో నియంత్రించడం అంత సులభం కాదు. సిగ్నల్ ప్రయాణించే మార్గంలో మలుపులు, జంక్షన్లు, అడ్డంకులు ఎదురైనప్పుడు తరంగాలు వెనక్కి ప్రతిఫలించవచ్చు లేదా చెల్లాచెదురవుతాయి. ఫలితంగా డేటా ప్రసార సామర్థ్యం తగ్గుతుంది. ఈ సమస్యకు పరిష్కారం చూపే దిశగా JNCASR పరిశోధకులు తమ ప్రయోగాన్ని చేపట్టారు.
గ్రాఫీన్ నిర్మాణాన్ని పోలిన ప్రత్యేక చిప్ డిజైన్
పరిశోధకులు అధిక నిరోధకత కలిగిన సిలికాన్ పొరపై చిన్న చిన్న త్రిభుజాకార రంధ్రాలను ప్రత్యేక నమూనాలో ఏర్పాటు చేశారు. ఈ నిర్మాణం గ్రాఫీన్‌లో కనిపించే తేనెపట్టు ఆకారపు లాటిస్‌ను పోలి ఉంటుంది. దీనివల్ల సిలికాన్‌లో ఫోటానిక్ క్రిస్టల్ ఏర్పడి, టెరాహెర్ట్జ్ తరంగాలు నిర్దిష్ట మార్గంలో ప్రయాణించేందుకు వీలవుతుంది.
ఈ పరిశోధనలో టోపోలాజికల్ ఫోటానిక్స్ అనే సూత్రాన్ని ఉపయోగించారు. దీని ద్వారా తరంగాలు ప్రయాణించే మార్గంలో కొన్ని రకాల అడ్డంకులు ఉన్నప్పటికీ సిగ్నల్ వెనక్కి ప్రతిఫలించకుండా ముందుకు వెళ్లేలా డిజైన్ చేశారు. త్రిభుజాకార రంధ్రాల పరిమాణాలను మార్చడం ద్వారా చిప్‌లో కృత్రిమ అడ్డంకులను సృష్టించారు.
ఈ విధానాన్ని శాస్త్రవేత్తలు ‘ఫోటానిక్ క్లైన్ టన్నెలింగ్’గా పేర్కొన్నారు. అడ్డంకులు ఉన్నప్పటికీ తరంగాలు తక్కువ నష్టంతో ముందుకు సాగగలగడం ఈ ప్రయోగంలోని ప్రధాన విశేషం.
అడ్డంకులు ఉన్నా సిగ్నల్ నష్టం 1–3 శాతమే!
పరిశోధకులు రూపొందించిన చిప్‌లపై నిర్వహించిన పరీక్షల్లో ఆశాజనక ఫలితాలు వచ్చాయి. ఒక అడ్డంకిని ఏర్పాటు చేసినప్పుడు సిగ్నల్ నష్టం సుమారు 1–2 శాతంగా నమోదైంది. వరుసగా రెండు అడ్డంకులు ఉన్నప్పుడు కూడా నష్టం కేవలం 2–3 శాతం పరిధిలోనే ఉంది.
సాధారణ ఫోటానిక్ మార్గాల్లో ఇలాంటి అడ్డంకులు సిగ్నల్ ప్రసారాన్ని గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తాయి. కానీ కొత్త డిజైన్‌లో తరంగాలు అడ్డంకులను దాటి ప్రయాణించే సామర్థ్యాన్ని చూపించాయి.
పరిశోధకులు మూడు రకాల పరికరాలను తయారు చేసి పరీక్షించారు. రెండు అడ్డంకులు వరుసగా ఉన్న పరికరం, నాలుగు పదునైన మలుపులతో ఒమేగా ఆకారంలో రూపొందించిన మార్గం, రెండు దిశల్లో సిగ్నల్‌ను పంపించే పవర్ స్ప్లిటర్ ఇందులో ఉన్నాయి.
310 నుంచి 360 గిగాహెర్ట్జ్ ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో నిర్వహించిన కొలతలు కంప్యూటర్ సిమ్యులేషన్లతో సరిపోలాయి. దీనివల్ల కొత్త చిప్ డిజైన్ పనితీరుపై పరిశోధకులకు మరింత స్పష్టత లభించింది.
100 Gbps వేగంతో డేటా ప్రసారం
ఈ పరిశోధనలో అత్యంత ఆకర్షణీయమైన అంశం డేటా ప్రసార వేగం. పవర్ స్ప్లిటర్ పరికరం QAM-32 మాడ్యులేషన్ పద్ధతిని ఉపయోగించి సెకనుకు 100 గిగాబిట్ల వేగాన్ని సాధించింది. ఈ పద్ధతిలో సిగ్నల్ తీవ్రత, దశ (Phase) రెండింటినీ ఉపయోగించి సమాచారాన్ని ప్రసారం చేస్తారు.
అయితే అన్ని పరికరాలు 100 Gbps వేగాన్ని సాధించలేదు. రెండు అడ్డంకులు ఉన్న పరికరం 48 Gbps వేగాన్ని, ఒమేగా ఆకారపు మార్గం 60 Gbps వేగాన్ని నమోదు చేశాయి. పవర్ స్ప్లిటర్ మాత్రమే 100 Gbps స్థాయికి చేరుకుంది.
ఈ వేగంతో సిద్ధాంతపరంగా 5 గిగాబైట్ల పరిమాణం ఉన్న హై-డెఫినిషన్ వీడియో ఫైల్‌ను అర సెకనులోపే బదిలీ చేయవచ్చని పరిశోధకులు వివరించారు. అయితే ఇది ప్రయోగంలో నమోదైన డేటా రేటు ఆధారంగా చేసిన అంచనా మాత్రమే. సాధారణ ఇంటర్నెట్ వినియోగదారులకు ప్రస్తుతం ఈ వేగం అందుబాటులోకి వచ్చిందని దీని అర్థం కాదు.
పరిశోధనకు నాయకత్వం వహించిన శాస్త్రవేత్తలు
JNCASRలో అసిస్టెంట్ ప్రొఫెసర్‌గా పనిచేస్తున్న డాక్టర్ అభిషేక్ కుమార్ ఈ పరిశోధనకు నాయకత్వం వహించారు. ఆయన సంస్థలోని మెటా ఆప్టిక్స్ లేబొరేటరీ (MetoLab)కు కూడా నేతృత్వం వహిస్తున్నారు. పరిశోధకులు సమీనా ముల్లా, సంగ్రామ్ కుమార్ సాధు ఈ అధ్యయనంలో సంయుక్తంగా తొలి రచయితలుగా ఉన్నారు.
ఈ పరిశోధనలో JNCASRతో పాటు IIT బాంబే, IISER కోల్‌కతా, సింగపూర్‌కు చెందిన A*STAR, ఫ్రాన్స్‌లోని యూనివర్సిటీ ఆఫ్ లిల్లే, CNRS పరిశోధకులు కూడా భాగస్వాములయ్యారు.
ఈ అధ్యయనం అంతర్జాతీయ పరిశోధనా జర్నల్ ‘అడ్వాన్స్‌డ్ మెటీరియల్స్‌’లో ప్రచురితమైంది. భవిష్యత్తులో టెరాహెర్ట్జ్ సిగ్నళ్లను ఒకే చిప్‌పై తక్కువ నష్టంతో వివిధ మార్గాల్లోకి మళ్లించేందుకు ఈ పరిశోధన కొత్త అవకాశాలను చూపిస్తోంది.
వాణిజ్య వినియోగానికి ఇంకా సమయం పట్టే అవకాశం
ఈ ప్రయోగం 6G సాంకేతికత అభివృద్ధికి ఉపయోగపడే ముఖ్యమైన పరిశోధనా ఫలితం అయినప్పటికీ, ఇది పూర్తిస్థాయి 6G నెట్‌వర్క్ లేదా మార్కెట్లో అందుబాటులో ఉన్న కమర్షియల్ చిప్ కాదు. ప్రయోగశాల స్థాయి నుంచి వాణిజ్య వినియోగానికి తీసుకెళ్లేందుకు తయారీ, ప్యాకేజింగ్, విద్యుత్ వినియోగం, నెట్‌వర్క్ అనుసంధానం వంటి అంశాలపై మరింత పరిశోధన అవసరం.
తదుపరి దశలో చిప్‌లోని అడ్డంకులను విద్యుత్, ఉష్ణం లేదా యాంత్రిక పద్ధతుల ద్వారా నియంత్రించేలా అభివృద్ధి చేయాలని పరిశోధకులు భావిస్తున్నారు. అలా చేయగలిగితే అవసరాన్ని బట్టి సిగ్నల్‌ను ఒక మార్గం నుంచి మరో మార్గానికి మళ్లించే సామర్థ్యం లభిస్తుంది.
మొత్తంగా, 100 Gbps డేటా ప్రసారాన్ని తక్కువ సిగ్నల్ నష్టంతో సాధించిన ఈ ప్రయోగం భారత్‌ 6G పరిశోధనలకు ఒక కీలక ముందడుగు. భవిష్యత్తులో వేగవంతమైన వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థలు, అధునాతన డిజిటల్ సేవలకు అవసరమైన చిప్ సాంకేతికత అభివృద్ధిలో ఇది ఉపయోగపడే అవకాశం ఉంది.