JNCASR च्या शास्त्रज्ञांनी सिलिकॉन चिपवरील अभियांत्रिकी अडथळ्यातून टेराहर्ट्झ लहरी १ ते ३ टक्के हानीसह पार केल्या आणि १०० Gbit/s पर्यंत डेटा वाहिला, हे ६G सर्किटच्या दिशेने एक पाऊल

बेंगळुरूमधील जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर ॲडव्हान्स्ड सायंटिफिक रिसर्चच्या (JNCASR) संशोधकांनी एक सिलिकॉन चिप बनवली आहे, ज्यावर टेराहर्ट्झ लहरी जाणीवपूर्वक ठेवलेला अडथळा सुमारे १ ते २ टक्के हानीसह पार करतात. क्रमाने दुसरा अडथळा ठेवला तर हानी सुमारे २ ते ३ टक्क्यांवर जाते. तीन चाचणी उपकरणांपैकी एकावर, म्हणजे एका शाखेत अडथळा असलेल्या पॉवर स्प्लिटरवर, चिपने प्रति सेकंद १०० गिगाबिट वेगाने डेटा वाहिला. JNCASR ही विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभागाची (DST) स्वायत्त संस्था आहे. या विभागाने हा निकाल ४ नोव्हेंबर २०२६ रोजी पत्र सूचना कार्यालयामार्फत (PIB) जाहीर केला. हे काम ‘ॲडव्हान्स्ड मटेरियल्स’ या नियतकालिकात प्रकाशित झाले आहे.

चिप काय करते

टेराहर्ट्झ लहरी वर्णपटात मायक्रोवेव्ह आणि अवरक्त प्रकाश यांच्या मध्ये येतात. PIB च्या निवेदनानुसार भविष्यातील सहाव्या पिढीचे (६G) वायरलेस जाळे या वारंवारता वापरेल अशी अपेक्षा आहे, कारण त्या मोठी बँडविड्थ देतात. अशा लहरी लहान सर्किटमध्ये फिरवणे हीच अवघड गोष्ट आहे: वेव्हगाइडमधील (लहरीला मार्ग दाखवणारी वाहिनी) वळणे, जोड आणि अचानक होणारे बदल संकेताचा काही भाग विखुरतात किंवा परत फेकतात.

गटाच्या JNCASR वरील स्वतःच्या संशोधन पानावरही हीच समस्या मांडली आहे. तीक्ष्ण वळणे किंवा दोष यांच्यावर होणारी परावर्तन आणि विखुरण्याची हानी हा चिपवरील टेराहर्ट्झ उपकरणांसमोरचा अडथळा असल्याचे त्यात म्हटले आहे. गटाचे उत्तर आहे टोपोलॉजिकल फोटोनिक्स. ही प्रकाशशास्त्राची अशी शाखा आहे, ज्यात दोन वेगवेगळ्या रचनेच्या भागांमधील सीमेवरून जाणारी लहर काही प्रकारच्या मागे विखुरण्याला दाद देत नाही.

त्रिकोणी छिद्रे आणि भूमितीचा अडथळा

चमूने सिलिकॉनच्या पट्टीवर त्रिकोणी छिद्रे कोरली. त्यांची मांडणी ग्राफीनच्या मधाच्या पोळ्यासारख्या जाळीची नक्कल करते. छिद्रांचा आकार थोडा वेगळा असलेले दोन भाग एका सीमेवर भेटतात आणि टेराहर्ट्झ लहरी त्या सीमेवरून प्रवास करतात. मग संशोधकांनी वेव्हगाइडच्या एका छोट्या टप्प्यात छिद्रांचे आकार बदलून अडथळा तयार केला.

टोपोलॉजिकल नसलेल्या पारंपरिक वेव्हगाइडमध्ये तुलनेने असा अडथळा संक्रमण लक्षणीयरीत्या कमी करतो, असे PIB चे निवेदन सांगते. JNCASR च्या चिपवर अडथळ्याची ताकद क्रिस्टलच्या वैशिष्ट्यपूर्ण जोडणी ताकदीपेक्षा कमी राहिली तोवर संक्रमण अडथळ्याविना असलेल्या पातळीच्या जवळ राहिले. अडथळा केवळ छिद्रांच्या भूमितीने ठरत असल्याने निवेदन याला व्यावहारिक रचनानियम म्हणते.

निवेदन एका आकृतीच्या शीर्षकात मूळ परिणामाचे नाव फोटोनिक क्लाइन टनेलिंग असे देते. क्लाइन विरोधाभास म्हणजे सापेक्षतावादी कणांचे उंच अडथळ्यांतून परिपूर्ण पार होणे, असे भौतिकशास्त्रज्ञ ओळखतात. फिजिकल रिव्ह्यू लेटर्समधील २०२२ चा एक शोधनिबंध ग्राफीनच्या अपवादात्मक वाहक गुणधर्मांना तोच कारणीभूत असल्याचे सांगतो. २०१७ च्या एका प्रीप्रिंटमध्ये फोटोनिक टोपोलॉजिकल इन्सुलेटरमध्ये प्रकाशासाठी एकमार्गी क्लाइन टनेलिंगचे वर्णन आधीच केले होते. फिजिकल रिव्ह्यू लेटर्समधील शोधनिबंधाने द्विमितीय फोटोनिक प्रणालीत परिपूर्ण क्लाइन संक्रमण नोंदवले, पण त्यात चिपऐवजी अणूंची वाफ वापरली होती.

तीन उपकरणे, तीन डेटा दर

तिन्ही उपकरणे उच्च रोधकतेच्या सिलिकॉनवर तयार केली गेली. निवेदन त्याचे वर्णन प्रस्थापित सेमीकंडक्टर उत्पादनाशी सुसंगत असे करते. ३१० ते ३६० GHz मधील मोजमापे सिम्युलेशनशी जवळून जुळली. निवेदनानुसार:

• क्रमाने दोन अडथळे: उच्च गतीच्या डेटा चाचणीत ४८ Gbit/s.
• चार तीक्ष्ण वळणे आणि मध्यभागी एक अडथळा असलेला ओमेगा आकाराचा मार्ग: ६० Gbit/s.
• दोन शाखांपैकी एकीत अडथळा असलेला पॉवर स्प्लिटर: QAM-32 मॉड्युलेशन वापरून १०० Gbit/s. ही अशी पद्धत आहे जी संकेताच्या आयाम आणि प्रावस्थेत माहिती कोरते.

स्प्लिटरमध्ये दोन्ही बाहेर पडणारे संकेत जवळजवळ सारखे होते, यावरून अडथळ्याचा संक्रमणावर फारसा परिणाम झाला नाही असे निवेदन मानते. १०० Gbit/s वेगाने ५ गिगाबाइटचा हाय-डेफिनिशन चित्रपट तत्त्वतः अर्ध्या सेकंदापेक्षा कमी वेळात हस्तांतरित करता येईल, असेही निवेदनात जोडले आहे.

यामागची प्रयोगशाळा

हा अभ्यास JNCASR चे सहायक प्राध्यापक डॉ. अभिषेक कुमार यांच्या नेतृत्वाखाली झाला; ते तिथल्या मेटा ऑप्टिक्स प्रयोगशाळेचे प्रमुख आहेत. JNCASR मधील समीना मुल्ला आणि संग्राम कुमार साधू हे संयुक्त पहिले लेखक आहेत. निवेदनात नावे घेतलेले सहकारी आयआयएसईआर कोलकाता, आयआयटी मुंबई, सिंगापूरमधील A*STAR ची इन्स्टिट्यूट ऑफ मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, तसेच फ्रान्समधील लिल विद्यापीठ आणि CNRS येथील आहेत; JNCASR चे इतर संशोधकही त्यात आहेत.

कुमार यांच्या JNCASR प्रोफाइलनुसार त्यांनी २०१६ मध्ये आयआयएसईआर कोलकाता येथे एकात्मिक BS-MS पूर्ण केले, २०२० मध्ये सिंगापूरच्या नानयांग टेक्नॉलॉजिकल युनिव्हर्सिटीतून भौतिकशास्त्र आणि उपयोजित भौतिकशास्त्रात पीएच.डी. घेतली आणि सिंगापूरच्या सेंटर फॉर डिसरप्टिव्ह फोटोनिक टेक्नॉलॉजीजमध्ये ६G उपकरणांसाठी सिलिकॉन टोपोलॉजिकल टेराहर्ट्झ फोटोनिक्सवर पोस्टडॉक्टरल काम केले. ते ऑगस्ट २०२३ मध्ये JNCASR मध्ये रुजू झाले.

नवी चिप सिलिकॉनवरील टेराहर्ट्झ कामाच्या एका रांगेतील आहे. २०१९ मध्ये यिहाओ यांग आणि त्यांच्या सात सहलेखकांनी, ज्यांत रंजन सिंग यांचाही समावेश आहे, एका प्रीप्रिंटमध्ये संपूर्ण सिलिकॉन चिपवर व्हॅली-ध्रुवित टोपोलॉजिकल वहन नोंदवले: दहा तीक्ष्ण वळणांतून संपूर्ण संक्रमण आणि वळवलेल्या डोमेन भिंतीतून १० Gbit/s वर त्रुटीविरहित संवाद. २०२२ मध्ये कुमार हे नेचर कम्युनिकेशन्समधील एका शोधनिबंधाचे पहिले लेखक होते; त्यात एकल वाहिनीवरील १६० Gbit/s दुवा आणि सिलिकॉन डीमल्टिप्लेक्सर नोंदवला गेला, ज्यात ४० Gbit/s संकेत वेगळे केले गेले आणि विनासंक्षेप हाय-डेफिनिशन व्हिडिओ रिअल टाइममध्ये प्रवाहित केला गेला. त्या शोधनिबंधातील सहयोगी लिल विद्यापीठाची PhLAM प्रयोगशाळा नमूद करते की वेब ऑफ सायन्स त्याला हॉट पेपर म्हणून नोंदवते, म्हणजे भौतिकशास्त्रातील पहिल्या ०.१ टक्के शोधनिबंधांत त्याचे उद्धरण होते. कुमार हे २०२४ मध्ये नेचर कम्युनिकेशन्समध्ये आलेल्या, टोपोलॉजिकल वेव्हगाइडमधील संथ प्रकाशावरील शोधनिबंधाचेही पहिले लेखक होते.

६G कुठवर आले आणि चमूचा पुढचा बेत

आंतरराष्ट्रीय दूरसंचार संघ पुढच्या पिढीला IMT-2030 म्हणतो. त्याच्या रेडिओसंवाद अभ्यास गटाने मे २०२४ मध्ये १०० GHz च्या वरच्या पट्ट्यांतील मोबाइल तंत्रज्ञानाच्या तांत्रिक व्यवहार्यतेवर अहवाल प्रकाशित केला, आणि ६ नोव्हेंबर २०२६ रोजी त्याच्या पानावर नमूद आहे की उमेदवार रेडिओ तंत्रज्ञानांचे प्रस्ताव फेब्रुवारी २०२७ ते फेब्रुवारी २०२९ या काळात स्वीकारले जातील. JNCASR ची ३१० ते ३६० GHz वरील मोजमापे ITU च्या अहवालात समाविष्ट असलेल्या १०० GHz वरील श्रेणीत येतात. ITU हेही सांगते की त्याच्या किमान गरजा प्रत्यक्ष वापरातील हमी दिलेली कामगिरी दर्शवत नाहीत.

JNCASR चा निकाल चिपवरील सर्किट घटकांचे प्रयोगशाळेतील प्रात्यक्षिक आहे, जाळे नाही. भारताचे स्वतःचे ६G काम, ज्यात भारत ६G अलायन्सच्या ऑक्टोबर २०२६ मधील इंडिया मोबाइल काँग्रेसमधील परिसंवादाचाही समावेश आहे, जाळे आणि मानके यांच्याशी संबंधित आहे. या प्रयत्नाच्या घटक टोकाला ही चिप आहे, आणि सिलिकॉन प्रस्थापित चिप उत्पादनाला साजेसे आहे हा निवेदनातील मुद्दा तिला भारताच्या सेमीकंडक्टर फॅब शर्यतीत वर्णन केलेल्या कारखान्यांशी जोडतो. मोजलेली हानी आणि डेटा दर इतरत्र पुन्हा मिळवले गेले आहेत का, हे निवेदन सांगत नाही.

निवेदनानुसार चमूचा पुढचा टप्पा अडथळे विद्युत, औष्णिक किंवा यांत्रिक पद्धतीने समायोजित करणे हा आहे, ज्यामुळे एकच उपकरण मागणीनुसार संकेत एका मार्गावरून दुसऱ्या मार्गावर वळवू शकेल. केवळ छिद्रांची भूमिती बदलून तयार केलेला अडथळा प्रति सेकंद १०० गिगाबिट वेगाने पार केला जाणे, हा परिणाम टेराहर्ट्झ चिपसाठी उपयुक्त रचना साधन बनू शकतो असे सुचवतो, असे कुमार यांचे निवेदनात उद्धृत म्हणणे आहे.