انقلاب در انتقال داده: تبدیل روان دیجیتال به آنالوگ در شبکه‌های نوری
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان‌ای. پالسون هاروارد (SEAS) با پرداختن به یک مانع بزرگ در محاسبات فوتونی نسل بعدی و سیستم‌های پردازش سیگنال، دستگاهی را ساخته‌اند که می‌تواند سیگنال‌های الکترونیکی دیجیتال و سیگنال‌های نوری آنالوگ را در یک مرحله روان به هم متصل کند.
این دستگاه جدید که بر روی تراشه‌هایی از جنس لیتیوم نیوبات، ماده‌ی اصلی اپتوالکترونیک، ساخته شده است، جایگزینی بالقوه برای سیستم‌های تبدیل دیجیتال به آنالوگ و مدولاسیون الکترواپتیکی رایج، اما پرمصرف که در شبکه‌های داده‌ی پرسرعت امروزی استفاده می‌شوند، ارائه می‌دهد.
مارکو لونچار، نویسنده ارشد و استاد مهندسی برق در SEAS، گفت: «ارتباطات نوری و محاسبات با کارایی بالا، از جمله مدل‌های زبانی بزرگ، به تبدیل حجم عظیمی از داده‌ها بین حوزه الکتریکی - که برای ذخیره‌سازی و محاسبه استفاده می‌شود - و حوزه نوری مورد استفاده برای انتقال داده‌ها متکی است.»
برای اینکه فناوری‌های فوتونیک بتوانند به طور یکپارچه با فناوری‌های الکترونیکی ادغام شوند، رابط‌های بین آنها باید سریع و از نظر انرژی کارآمد باشند.
این تحقیق در مجله Nature Photonics منتشر شده است.
تنگنا‌های محاسبات فوتونیکی امروزی
امروزه، مبدل‌های الکترونیکی دیجیتال به آنالوگ، و به دنبال آن مدولاتور‌های الکترواپتیکی، وظیفه تبدیل سیگنال‌های الکترونیکی دیجیتال به سیگنال‌های فوتونی آنالوگ را انجام می‌دهند، فرآیندی که زیربنای سیستم‌های فرستنده-گیرنده مدرن در مراکز داده است. اما چنین گردش کاری اغلب پیچیده، چندلایه و می‌تواند انرژی‌بر باشد.
یونشیانگ سونگ، دانشجوی کارشناسی ارشد آزمایشگاه لونچار و یکی از نویسندگان همکار این مقاله، توضیح داد: «وقتی با نور محاسبات انجام می‌دهید، تمام انرژی‌ای که صرفه‌جویی می‌کنید، تمام سرعتی که به دست می‌آورید، توسط این جعبه‌های الکترونیکی بزرگ، گران‌قیمت و ناکارآمد که برای تبدیل صفر‌ها و یک‌ها به موج سینوسی، موج مربعی، موج مثلثی یا هر شکل موج معناداری به آنها نیاز دارید، خنثی می‌شود.»
این موارد در واقع گلوگاه بسیاری از انواع محاسبات فوتونی هستند... بنابراین سوال این بود که آیا می‌توانیم نوعی مدولاتور فوتونی جدید طراحی کنیم که نیاز به این مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ الکترونیکی را برطرف کند؟»
دستگاه جدید هاروارد دقیقاً همین را ارائه می‌دهد. با استفاده از خواص الکترواپتیکی کارآمد لایه نازک لیتیوم نیوبات، می‌تواند ورودی‌های الکترونیکی کاملاً دیجیتال را به سیگنال‌های نوری آنالوگ با نرخ اطلاعات تا ۱۸۶ گیگابیت در ثانیه تبدیل کند - مرتبه‌ای از بزرگی سریع‌تر از سرعت اینترنت خانگی معمولی.
این دستگاه همچنین می‌تواند پیشرفت‌هایی را در فوتونیک مایکروویو، به عنوان مثال در ارتباطات بی‌سیم یا رادار، ایجاد کند، زیرا می‌تواند با آشکارسازی نوری ترکیب شود تا تبدیل نوری به الکترونیکی را برای ایجاد سیگنال‌های فرکانس رادیویی انجام دهد.
در نهایت، رویکرد‌های نوظهور محاسبات نوری یا محاسبات با استفاده از نور به جای الکترون‌ها، بسیار مورد توجه هستند، زیرا فوتون‌ها پتانسیل پردازش داده‌ها را به صورت موازی و کارآمدتر از الکترونیک مرسوم دارند.
یائوون هو، یکی از نویسندگان اول این مقاله و محقق سابق فوق دکترا در هاروارد SEAS و استادیار فعلی در دانشگاه پکینگ، گفت: «کار ما پتانسیل پرداختن به تنگنای فعلی محاسبات و ارتباطات داده‌ها، به ویژه در فناوری‌های هوش مصنوعی را دارد.»
نمایش فرآیند ریخته‌گری مشابه سیلیکون
برای نشان دادن اینکه دستگاه آنها داده‌ها را با دقت و سرعت مدیریت می‌کند، آنها آن را با کدگذاری نوری تصاویر از مجموعه داده‌های شناخته‌شده MNIST، که معمولاً برای محک زدن سیستم‌های محاسبات فوتونی استفاده می‌شود، آزمایش کردند.
دستگاه محققان با استفاده از فرآیند ریخته‌گری لیتیوم نیوبات ساخته شده است که توسط شرکت نوپای هایپرلایت هاروارد توسعه داده شده است و منعکس کننده‌ی تراشه‌های سیلیکونی موجود است که امروزه در هر تلفن و رایانه‌ای وجود دارند و انقلاب دیجیتال بر اساس آنها بنا شده است.
بنابراین، این تیم نه تنها نشان داد که این دستگاه برای کاربرد خاص آنها کار می‌کند، بلکه می‌تواند آن را به صورت انبوه و کم‌هزینه تولید کند و راه را برای فناوری‌های فوتونیک جدیدی که می‌توانند فوتونیک سیلیکونی را تکمیل کنند، هموارتر کند.