Rosnący ruch z centrów danych i boom na sztuczną inteligencję sprawiają, iż współczesnej infrastrukturze sieciowej zaczyna brakować tchu. Z pomocą przychodzą badacze z Politechniki Warszawskiej, którzy wspólnie z chińskimi naukowcami wpadli na to, jak dzięki mikroskopijnego druku 3D wycisnąć z kabli znacznie więcej danych. Kluczem do sukcesu okazało się skręcone światło.
Współczesna komunikacja opiera się na świetle biegnącym przez włókna światłowodowe. To od jakości i pojemności tych niepozornych rurek zależą dziś usługi chmurowe, błyskawiczna praca potężnych centrów danych, strumieniowanie wideo w wysokich rozdzielczościach czy wreszcie, coraz bardziej zachłanne na moc obliczeniową, narzędzia oparte na sztucznej inteligencji.
Jak podaje serwis Nauka w Polsce problem polega na tym, iż fizycy i inżynierowie powoli zbliżają się do ściany. W zwykłej transmisji optycznej zwiększanie przepustowości wymaga ciągłego dokładania nowych zasobów, takich jak kolejne długości fali, dodatkowe tory przesyłowe lub po prostu instalowanie bardziej złożonej elektroniki.
Branża technologiczna gorączkowo szuka więc sposobów, by jednym torem przesłać znacznie więcej informacji niż dotychczas.
Skręcone światło jako nowy wymiar danych
Jedną z najbardziej intrygujących odpowiedzi na ten problem są tak zwane wiązki wirowe, znane w świecie fizyki jako wiązki z orbitalnym momentem pędu światła. Naukowcy na łamach prestiżowego czasopisma Optical Fiber Technology przypominają, iż taka fala ma specyficznie skręcony front fazowy.
Co to oznacza w praktyce? Różne stopnie tego skręcenia mogą pełnić rolę zupełnie odrębnych kanałów transmisji. Zamiast mnożyć fizyczne kable, zyskujemy zupełnie nowy wymiar kodowania związany z samą geometrią światła.
Badacze podkreślają, iż tryby o różnym orbitalnym momencie pędu pozostają wzajemnie ortogonalne. Przekładając to na język codziennych technologii dają się one od siebie bezbłędnie odróżnić podczas przesyłu i nie zakłócają się nawzajem.
To otwiera autostradę do transmitowania wielu strumieni danych całkowicie równolegle w tym samym włóknie. Zastosowanie tej koncepcji wykracza zresztą daleko poza samą telekomunikację. Takie wiązki to prawdziwy skarb również dla zaawansowanego obrazowania medycznego, manipulacji mikroskopijnymi obiektami czy rozwijających się w bólach technologii kwantowych.
Więcej na Spider’s Web:
Polacy wydrukowali rozwiązanie prosto na kablu
Od lat wiadomo było, iż sama teoretyczna idea nie wystarczy, jeżeli nie da się jej łatwo wdrożyć. Wiązki wirowe trzeba wytwarzać w sposób maksymalnie stabilny i zdatny do komercyjnego wykorzystania.
Klasyczne elementy optyczne, które do tej pory służyły do nadawania światłu pożądanego skrętu, są po prostu za duże. Tradycyjne spiralne płytki fazowe mają rozmiary rzędu centymetrów i wymagają niezwykle precyzyjnego pozycjonowania, co niemal uniemożliwia ich integrację z nowoczesnymi, zminiaturyzowanymi układami fotonicznymi.
Właśnie ten problem postanowił rozwiązać zespół fizyków i inżynierów z Politechniki Warszawskiej we współpracy z naukowcami z Chin. Zamiast budować zewnętrzne, nieporęczne przystawki, badacze wykonali mikroskopijne spiralne struktury bezpośrednio na samym końcu światłowodu.
Do ich stworzenia wykorzystano zaawansowany druk 3D w skali mikro- i nanometrowej, oparty na technice polimeryzacji dwufotonowej. Pozwala ona na budowanie absurdalnie wręcz małych obiektów o niemal dowolnym kształcie, co idealnie sprawdza się w precyzyjnej optyce.
Przetestowano dwa warianty soczewek: schodkowy oraz gładki. Zdecydowanym zwycięzcą okazał się ten drugi, zapewniając znacznie bardziej płynną zmianę fazy światła, wyższą sprawność zamiany w tryb wirowy i minimalne straty cennego sygnału.
Fundament pod cyfrową infrastrukturę przyszłości
Badania polsko-chińskiego zespołu skupiały się na paśmie promieniowania o długości fali około 2 mikrometrów. To zakres, który w tej chwili przyciąga gigantyczną uwagę świata nauki i wielkiego biznesu ze względu na potencjalne zastosowania w komunikacji optycznej nowej generacji oraz lidarach.
Urządzenia pracujące w tym paśmie są absolutnie kluczowe, jeżeli nasza przyszła infrastruktura cyfrowa ma udźwignąć rosnące wolumeny danych i pozostać przy tym elastyczna.
Co niezwykle istotne z rynkowego punktu widzenia, zespół udowodnił w symulacjach i doświadczeniach, iż ich mikroskopijne nakładki mogą z powodzeniem działać także przy innych długościach fali, w tym 980, 1310 i 1550 nanometrów. A to właśnie te wartości stanowią kręgosłup dzisiejszej komercyjnej komunikacji światłowodowej.
Każda innowacja, która pozwala pełniej wykorzystać światło jako nośnik informacji, to krok w stronę wydajniejszych sieci i bez opóźnień komunikujących się ze sobą maszyn. Wynalazek badaczy z Politechniki Warszawskiej to doskonały przykład technologii, która ma ogromne szanse wyjść z uczelnianych laboratoriów prosto do centrów danych największych technologicznych gigantów.
