फ़ोनॉनिक्स में नई अंतर्दृष्टि अगले‑पीढ़ी के संचार उपकरणों को पुनः परिभाषित कर सकती है

इंटरनेट ने विश्व भर में अपने पंख फैला दिए हैं, कुछ लोग महसूस कर सकते हैं कि संचार बूम के दिन समाप्त हो गए हैं। कुछ लोग यह भी सोच सकते हैं कि संचार उपकरणों, समाधानों और सेवाओं के उद्योग क्षेत्र में अब और कुछ हासिल करने को नहीं बचा।

यह सत्य है कि यदि हम उद्योग को केवल उसकी अनुमानित वृद्धि प्रतिशत से आंकें, तो यह न्यूनतम लग सकता है। लेकिन यह केवल इसलिए है क्योंकि जिस आधार बाजार आकार पर हम वृद्धि की गणना करते हैं, वह अत्यधिक बड़ा है। प्रक्षेपणों के अनुसार, वैश्विक संचार सेवाओं का बाजार US$1.5 trillion to US$1.6 trillion 2024 से 2028 के बीच बढ़ेगा।

बहु‑ट्रिलियन डॉलर के बाजार में वृद्धि केवल इस क्षेत्र में लगातार होने वाले ब्रेकथ्रू नवाचारों के माध्यम से ही संभव है। एक ऐसा समाधान फ़ोनॉनिक्स का उपयोग करके छोटे, शक्तिशाली संचार उपकरण बनाता है। नीचे, हम उस नवाचार पर चर्चा करेंगे, जो एरिज़ोना विश्वविद्यालय, वायंट कॉलेज ऑफ़ ऑप्टिकल साइंसेज़, और सैंडिया नेशनल लैबोरेटरीज़ के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित किया गया है।

फ़ोनॉनिक्स का उपयोग करके वायरलेस संचार में अगली क्रांति

नवाचार और उसकी विशिष्टताओं पर विस्तार से चर्चा करने से पहले, आइए फ़ोनॉनिक्स को समझने की कोशिश करें, वैज्ञानिक समुदाय फ़ोनॉनिक्स को इस प्रकार परिभाषित करता है: फ़ोनॉनिक्स को इस प्रकार परिभाषित करता है “एक उभरता हुआ क्षेत्र जो पारंपरिक और कृत्रिम रूप से संरचित दोनों सामग्रियों में अंतर्निहित यांत्रिक गति की प्रकृति को स्पष्ट करने और इस ज्ञान का उपयोग करके सामग्री या संरचना/डिवाइस स्तर या दोनों पर भौतिक प्रतिक्रिया की सीमाओं को विस्तारित करने का प्रयास करता है।”

जबकि मूल वैज्ञानिक परिभाषा समझने में कठिन लग सकती है, फ़ोटॉनिक्स के साथ तुलना इसे सरल बना देती है। फ़ोटॉनिक्स प्रकाश तकनीक को आगे बढ़ाने के लिए फोटॉनों का उपयोग करता है। उसी तरह, फ़ोनॉनिक्स फ़ोनॉनों का उपयोग करता है, जो भौतिक कण हैं और लगभग अनसुनी उच्च आवृत्ति पर सामग्री के माध्यम से यांत्रिक कंपन को प्रसारित करते हैं।

जिस शोध पर हम चर्चा कर रहे हैं, उसमें वैज्ञानिक अत्यधिक विशिष्ट अर्धचालक और पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री को मिलाकर फ़ोनॉनों के बीच विशाल गैर‑रेखीय अंतःक्रियाएँ उत्पन्न कर सके। बाद में, उन्होंने फ़ोनॉनों के लिए एम्प्लीफायर लागू किए—उसी सामग्री से बने—ताकि अधिक कुशल, शक्तिशाली और छोटे वायरलेस उपकरण, जैसे स्मार्टफ़ोन और डेटा ट्रांसमीटर, बनाए जा सकें।

अल्बुकेर्की, न्यू मैक्सिको में एरिज़ोना कॉलेज ऑफ़ ऑप्टिकल साइंसेज़ और सैंडिया नेशनल लैबोरेटरीज़ में संयुक्त पदधारी अध्ययन के वरिष्ठ लेखक मैट एइचेनफ़ील्ड के अनुसार:

“बहुत से लोग आश्चर्यचकित हो सकते हैं यह सुनकर कि उनके सेल फोन के अंदर लगभग 30 फ़िल्टर होते हैं जिनका एकमात्र काम रेडियो तरंगों को ध्वनि तरंगों में और फिर वापस बदलना होता है।”

अब, बहुत छोटे फ़ोनॉनिक्स सामग्री को लागू करने से इन कई फ़िल्टरों की आवश्यकता को कम करना संभव हो जाएगा, क्योंकि एक फ़ोनॉन बीम दूसरी बीम की आवृत्ति बदल सकता है।

यह उपलब्धि शोधकर्ताओं की इस दृष्टि के अनुरूप है कि ट्रांज़िस्टर‑आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स के बजाय ध्वनिक तरंग तकनीकों से रेडियो फ़्रीक्वेंसी सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए आवश्यक सभी घटकों का उत्पादन किया जाए। परिणामस्वरूप सब कुछ एक ही चिप पर फिट हो जाएगा, जो मानक माइक्रोप्रोसेसर के निर्मित होने के तरीके के अनुकूल होगा।

उनके नवाचार के संभावित प्रभाव को और विस्तार से बताते हुए, एइचेनफ़ील्ड ने कहा:

“अब, आप रेडियोफ़्रीक्वेंसी फ्रंट‑एंड प्रोसेसर के आरेख में प्रत्येक घटक की ओर इशारा कर सकते हैं और कह सकते हैं, ‘हां, मैं इन सभी को ध्वनिक तरंगों के साथ एक ही चिप पर बना सकता हूं। हम ध्वनिक डोमेन में पूरी प्रणाली बनाने के लिए तैयार हैं।'”

एक ही चिप प्राप्त करके और सब कुछ उसमें फिट करके, संचार उपकरणों और गैजेट्स को 100 गुना छोटा किया जा सकता है, एइचेनफ़ील्ड का अनुमान है।

पिछले वर्ष मिशिगन विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने समान शोध किया, जहाँ उन्होंने नैनोस्केल मोटाई वाले फ़ेरोइलेक्ट्रिक अर्धचालक का उपयोग करके एक नई प्रकार का पुनः‑कॉन्फ़िगर करने योग्य ट्रांज़िस्टर विकसित किया।

फ़ेरोइलेक्ट्रिक हाई इलेक्ट्रॉन मोबिलिटी ट्रांज़िस्टर (FeHEMT) से स्मार्टफ़ोन पर संचार उपकरणों को छोटा करना

FeHEMT की प्रमुख विशेषता जो इसे HEMT से बेहतर बनाती है, वह यह है कि यह विद्युत ध्रुवीकरण को बनाए रख सकता है, जो चुंबकत्व के विद्युत संस्करण के समान है। ट्रांज़िस्टर में व्यवहारिक लचीलापन जोड़ते हुए, ये अर्धचालक सकारात्मक और नकारात्मक दोनों सिरे के बीच स्विच कर सकते हैं।

चूंकि FeHEMT पुनः‑कॉन्फ़िगर करने योग्य है, यह कई उपकरणों के रूप में कार्य कर सकता है। एकल एम्प्लीफायर कई एम्प्लीफायरों के कार्य को पूरा कर सकता है, प्रत्येक गतिशील नियंत्रण के लिए तैयार। यह गुण शोधकर्ताओं को उपकरण के सर्किट क्षेत्र को घटाने और लागत तथा ऊर्जा खपत को कम करने की अनुमति देता है।

FeHEMT से HEMT में परिवर्तन में गहन वैज्ञानिक अन्वेषण और कई परीक्षण, जांच और प्रयोग शामिल थे। अर्धचालक एल्यूमीनियम नाइट्राइड को स्कैंडियम के साथ मिश्रित करके बनाया गया था। नाइट्राइड‑आधारित पहला फ़ेरोइलेक्ट्रिक अर्धचालक बनना इसे अगली पीढ़ी के अर्धचालक, गैलियम नाइट्राइड के साथ सहजता से एकीकृत करने में सक्षम बनाता है। आउटपुट सिलिकॉन की तुलना में 100 गुना तक गति प्राप्त कर सकता था। यह न केवल उच्च गति वाला था, बल्कि अत्यधिक कुशल और कम लागत वाला भी था।

इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग में शोध वैज्ञानिक और इस शोध के सह‑संबंधित लेखक पिंग वांग ने कहा:

“HEMT में फ़ेरोइलेक्ट्रिसिटी जोड़ने से हम स्विचिंग को तेज़ बना सकते हैं। यह उच्च गेन के साथ बहुत कम ऊर्जा खपत को सक्षम कर सकता है, जिससे उपकरण अधिक कुशल बनते हैं।”

परिवर्तनकारी क्षमता वाले सटीक संचार हार्डवेयर बनाने के एक अन्य उदाहरण में, मिशिगन विश्वविद्यालय की इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग शोध टीम ने पहला मिलीमीटर‑स्केल ट्रांसमीटर और एंटीना बनाया जो ‘ब्लूटूथ लो एनर्जी के साथ आसानी से संवाद कर सके।’ब्लूटूथ लो एनर्जी के साथ आसानी से संवाद कर सके।

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पहले मिलीमीटर‑स्केल ट्रांसमीटर और एंटीना का निर्माण

प्रोफ़ेसर डेविड वेंज़लोफ़ ने टीम और शोध का नेतृत्व किया और अंततः पहला मिलीमीटर‑स्केल डिवाइस विकसित किया जो ब्लूटूथ लो एनर्जी के साथ सटीक संचार कर सकता है। ट्रांसमीटर और एंटीना ट्रांसमिशन के दौरान केवल 606 माइक्रोवॉट, अर्थात 0.6 मिलीवॉट की शक्ति खपत करते हैं। सिस्टम ने इस पैमाने को प्राप्त किया क्योंकि एम्प्लीफायर को अनावश्यक या दोहरावदार बना दिया गया, जिससे ऑसिलेटर और एंटीना का एक अनोखा संयोजन बनाया गया।

आविष्कार की संभावनाओं को समझाते हुए, प्रोफ़ेसर वेंज़लोफ़ ने कहा:

“वायरलेस कनेक्टिविटी बाधा को हटाने से जो भविष्य के शोध दिशा‑निर्देश खुलेंगे, उनके लिए मैं उत्साहित हूँ!”

यह उपलब्धि IoT क्षेत्र में नए मार्ग खोलेंगे और इसकी अपनाने की क्षमता को काफी बढ़ाएगी।

यह आविष्कार विश्वविद्यालय की प्रमुख नवाचार, मिशिगन माइक्रो मोटे (M3), जो विश्व का पहला मिलीमीटर‑स्केल कंप्यूटर है, के लिए भी महत्वपूर्ण था। ऐसे ट्रांसमीटर को M3 में शामिल करने से सामान्य स्मार्टफ़ोन के साथ संचार अधिक कुशल हो जाएगा।

इसके उपयोगिता को समझाते हुए, वेंज़लोफ़ ने कहा:

“यह रेडियो M3 स्टैक में पहला मानक‑अनुपालन संचार जोड़ता है। यह हमें M3 उपकरणों को तेज़ी से तैनात करने और सीधे स्मार्टफ़ोन से कनेक्ट करके सेंसर डेटा को क्लाउड तक आसानी से पहुँचाने में सक्षम बनाता है।”

ऐसी उत्कृष्ट शोध अगली पीढ़ी के संचार मानकों में क्रांति लाएगी। वैश्विक कंपनियां भविष्य के लिए संचार उपकरण तैयार करने में शोध और संसाधनों में निवेश करती हैं। ये कंपनियां इन अध्ययनों और प्रयोगों से अत्यधिक लाभ उठा सकती हैं। नीचे के भागों में, हम ऐसी कुछ कंपनियों पर चर्चा करेंगे।

#1. Nokia

Nokia के पास संचार उपकरणों का एक विस्तृत पोर्टफ़ोलियो है। जब उल्लेखनीय स्थान अनुकूलन की बात आती है, तो एक उत्पाद श्रृंखला जो अलग दिखती है वह है AirScale Small Cells।

Nokia के पास उद्योग का सबसे व्यापक छोटे‑सेल पोर्टफ़ोलियो है, जिसमें रेडियो सभी तैनाती परिदृश्यों में मोबाइल नेटवर्क ऑपरेटरों और उद्यमों को समर्थन देने के लिए अनुकूलित हैं। इन्हें AirScale Shikra रेडियो के नाम से भी जाना जाता है, और ये मिलीमीटर वेव रेडियो और इनडोर समाधान के लिए पिको रेडियो के रूप में उपलब्ध हैं।

Shikra रेडियो छोटे और स्वतंत्र या जुड़े हुए दोनों रूप में तैनात करने में आसान हैं, उनके छोटे‑सेल‑अनुकूलित बेसबैंड यूनिट नेटवर्क रोल‑आउट को तेज़ करने में मदद करते हैं। उनके कॉम्पैक्ट स्वरूप के कारण, mmWave रेडियो विभिन्न स्थानों पर तैनाती के लिए तैयार हैं, जिसमें घनी शहरी क्षेत्रों, शॉपिंग एरिया, खेल एरीना और अन्य बड़े सार्वजनिक स्थल शामिल हैं जहाँ अत्यधिक क्षमता मुख्य आवश्यकता है। 

Pico रेडियो एक इनडोर समाधान है जो विभिन्न उद्यम उपयोग मामलों को पूरा करता है, कई रेडियो एक्सेस तकनीकों और लचीले नेटवर्क कॉन्फ़िगरेशन को समर्थन देता है। Nokia के पास सभी‑इन‑एक छोटे‑सेल समाधान भी हैं जिनके लिए अलग बेसबैंड यूनिट की आवश्यकता नहीं होती और जो इनडोर और आउटडोर दोनों के लिए सरल प्लग‑एंड‑प्ले इंस्टॉलेशन और तैनाती लचीलापन प्रदान करते हैं।

वित्तीय वर्ष 2023 के लिए, Nokia ने वार्षिक राजस्व EUR 22.258 बिलियन की रिपोर्ट की, जो पिछले वित्तीय वर्ष के EUR 24.91 बिलियन से उल्लेखनीय गिरावट है। ऑपरेटिंग लाभ भी FY 23 और FY 22 के बीच EUR 3.109 बिलियन से घटकर EUR 2.375 बिलियन हो गया।

#2. Motorola Solutions

Motorola भविष्यवादी, परिष्कृत और अत्याधुनिक संचार उपकरणों को विश्व में प्रस्तुत करने में अग्रणी रहा है। एक उपकरण जो इस शोध से विशेष रूप से लाभान्वित हो सकता है और सीमाओं को और आगे धकेल सकता है, वह Motorola का TLK 25 पहनने योग्य संचार उपकरण है। इसका वजन केवल 73 ग्राम है और आयाम 3.2×1.9×0.7 हैं।

मूल रूप से, TLK 25 एक पहनने योग्य WAVE PTX डिवाइस है जो वॉकी‑टॉकी की पुश‑टू‑टॉक क्षमताओं से आगे जाता है। ये उपकरण कॉम्पैक्ट, टिकाऊ और एक सहज वॉइस असिस्टेंट से सुसज्जित हैं। डिवाइस में Wi‑Fi कनेक्टिविटी है और जब Wi‑Fi उपलब्ध नहीं होता तो राष्ट्रीय LTE का उपयोग करता है। इसका सहज वॉइस असिस्टेंट संचार, डिवाइस सेटिंग्स, सुरक्षा सुविधाओं, स्थिति, सूचनाओं और अलर्ट तक हैंड‑फ़्री पहुँच प्रदान करता है।

Motorola की TLK 25 उत्पाद श्रृंखला अपनी कॉम्पैक्टनेस और सीमित सुविधाओं पर फलती‑फूलती है। इन उपकरणों को उन शोध और ट्रांसमिशन समाधान से अत्यधिक लाभ होगा जो उन्हें और अधिक सुगम और कुशल बनाते हैं।

2023 की चौथी तिमाही में, Motorola Solutions ने शुद्ध बिक्री (MSI ) US$2.85 बिलियन की रिपोर्ट की, जबकि 2023 के पूरे वर्ष की राजस्व लगभग US$10 बिलियन थी। वर्ष 2023 के ऑपरेटिंग आय US$2.784 बिलियन तक बढ़ी, जो 2022 में US$2.368 बिलियन थी।

आधुनिक विश्व में संचार उपकरणों की भूमिका

मानव सभ्यता के लिए अपने प्रभावी संचार के साधनों और उपकरणों के बिना सही ढंग से कार्य करना कठिन होगा। अगली पीढ़ी के संचार उपकरणों को भविष्य के लिए अधिक अपनाने योग्य बनाने हेतु कई गुण विकसित करने होंगे।

उदाहरण के लिए, इन उपकरणों को सबसे कठोर परिस्थितियों को झेलने के लिए तैयार होना चाहिए। उनको इतना कुशल होना चाहिए कि इस क्षेत्र में अब तक हासिल किए गए सभी नवाचारों को समायोजित कर सकें, विशेष रूप से आवाज़, वीडियो और डेटा फ़ीड को एक साथ संभालने में।

इन सभी सेवाओं को प्रदान करते हुए, इन उपकरणों को अपनी अखंडता से समझौता नहीं करना चाहिए। जिम्मेदारी से निर्मित AI एनालिटिक्स का उपयोग करने वाले परिष्कृत सुरक्षा सिस्टमों के साथ, यह अब चुनौती नहीं है।

हालांकि, इन सभी गुणों और सुविधाओं के होने से ऐसा कुछ नहीं बनना चाहिए जो बहुत जगह घेरता हो, जल्दी गरम हो, या निर्माण में महंगा हो।

अगली पीढ़ी के संचार उपकरण इन पहलुओं को ध्यान में रखते हुए विकसित होंगे। पहले ही नई तकनीकी प्रतिमान उभरे हैं जो इस विकास को तेज़ करेंगे। उदाहरण के लिए, Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi जैसी तकनीकों के बारे में बहुत चर्चा है, जहाँ डेटा ट्रांसमिशन प्रकाश के माध्यम से होता है न कि रेडियो तरंगों से, और तीव्रता में छोटे समायोजन के साथ उच्च गति से।

ये समाधान बहुत उच्च गति प्रदान करते हैं, जो पारंपरिक संचार की बैंडविड्थ क्षमताओं से आगे हैं। चूंकि वे पारंपरिक मोड से आगे हैं, सुरक्षा और विश्वसनीयता के उन्नत मानकों को हासिल किया जा सकता है। शोधकर्ता मानते हैं कि ऐसे समाधान सैन्य के लिए आदर्श होंगे।

डेटा ट्रांसमिशन हार्डवेयर के अलावा, सेंसर तकनीकों के क्षेत्र में भी बहुत प्रगति हुई है। ये तकनीकें मौजूदा IoT और ऑटोमेशन समर्थन बुनियादी ढांचे को अपडेट करने में मदद करेंगी।

ASSIA Inc. द्वारा प्रस्तुत डेटा के अनुसार, मार्च 2024 की शुरुआत से ही संयुक्त राज्य में PC/फ़ोन अपलोड ट्रैफ़िक में वृद्धि 80% तक पहुँच सकती है। दुनिया COVID‑19 महामारी से पहले की तुलना में अधिक वर्चुअल हो गई है। वेबकैम, PC और लैपटॉप लगातार वीडियो स्ट्रीम चला रहे हैं। स्वास्थ्य सेवाओं, शिक्षा और अन्य आपातकालीन सेवाओं की डिलीवरी भी अधिक वर्चुअल हो गई है। इन स्थितियों से निपटने के लिए अधिक स्थान‑अनुकूल और कुशल उपकरणों की आवश्यकता होगी। उन्हें 5G‑तैयार भी होना चाहिए।

संगठन और कंपनियों को अगली पीढ़ी के संचार को अधिक कुशल और लागत‑प्रभावी बनाने में संसाधनों और शोध में निवेश जारी रखना चाहिए।

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