Neuro-meta-roteador desafia limite teórico das comunicações por fibra óptica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/01/2025

Conceito do neuro-meta-roteador e sua aplicação em comunicação de fibra óptica de alta capacidade. A metassuperfície é treinada por uma rede neural.
[Imagem: Yu Zhao a et al. - 10.1016/j.eng.2024.11.012]

Neuro-meta-roteador

Neuro-meta-roteador parece ser alguma coisa "da hora", mesmo que não saibamos para o que serve. E é mesmo da hora, e serve para nada menos do que criar uma nova tecnologia mais avançadas para a transferência de dados através das fibras ópticas que já temos espalhadas por todo o mundo.

Nada mais bem-vindo, principalmente depois que a computação em nuvem e, mais recentemente, a inteligência artificial, fizeram explodir a demanda pela transmissão de informações, fazendo a comunicação óptica se aproximar do limite de Shannon - é um limite teórico máximo, estabelecido por Claude Shannon (1916-2001) para a taxa de transmissão de dados em um canal com ruído.

Temos usado vários truques para nos aproximarmos desse limite, como as técnicas de multiplexação por divisão de espaço, especialmente em fibras de poucos modos (FMFs), mas desenvolver multiplexadores e demultiplexadores de modo ideal com desempenho, escalabilidade e compatibilidade com as versões anteriores continua sendo um desafio a ser vencido.

Yu Zhao e colegas de várias instituições estão propondo agora uma saída para esse gargalo: Integrar metassuperfícies, aquelas superfícies artificiais capazes de lidar com as ondas de modo que nenhum material natural consegue, com técnicas de aprendizado profundo por redes neurais, para criar um sistema todo novo de comunicação por fibra óptica.

O resultado é o neuro-meta-roteador, um roteador de metassuperfície que manipula os dados usando uma rede neural.

Foi um rendimento excepcional para uma tecnologia de ponta ainda nos primeiros testes.
[Imagem: Yu Zhao a et al. - 10.1016/j.eng.2024.11.012]

Metassuperfície com rede neural

Apesar do nome marcante, o neuro-meta-roteador contém uma única metassuperfície, sem nenhuma tecnologia de compensação ou dispositivos de correlação. Ainda assim, ele permite a comunicação pela técnica de multiplexação de divisão de modo de canal duplo e de divisão de modo duplo.

O mecanismo de funcionamento é bastante engenhoso. Os modos de fibra funcionam como endereços de IP (Protocolo de Internet), com cada modo transportando um conjunto de informações. A estrutura algorítmica da rede neural se alinha com o processador de roteamento, e a capacidade de modulação da metassuperfície corresponde ao protocolo de roteamento.

Essa configuração permite a transmissão organizada e eficiente de múltiplos conjuntos de informações em canais independentes.

Para otimizar a distribuição de fase da metassuperfície, a equipe empregou uma rede neural. Eles usaram várias transformações espaciais dos campos de modo, como translação de posição, rotação angular e divergência de fase, para aprimorar as capacidades de tolerância ao alinhamento e antibloqueio do neuro-meta-roteador. O processo de treinamento usou um algoritmo de descida de gradiente estocástico e funções de perda cuidadosamente projetadas para reduzir o ruído de fundo e a diafonia entre os modos.

A intenção agora é ampliar o equipamento, para submetê-lo a testes mais próximos das exigências do mundo real.
[Imagem: Yu Zhao a et al. - 10.1016/j.eng.2024.11.012]

Validação

A equipe caprichou na validação experimental do seu roteador super-mega-blaster. A metassuperfície mostrou-se capaz de fazer divisão espacial entre os dois modos das fibras de poucos modos (FMFs) com divisão precisa, diafonia mínima e uma robustez aceitável.

Também foi construído um sistema de comunicação óptica baseado inteiramente no neuro-meta-roteador, o que serviu para demonstrar uma capacidade de transmissão de até 100 gigabits por segundo (Gbps) para canais duplos e uma taxa de erro da ordem de 10^-4. O sistema foi capaz até mesmo de transmitir simultaneamente e independentemente dois conjuntos de imagens diferentes, comprovando ainda mais sua praticidade e flexibilidade.

Esta tecnologia não apenas oferece uma solução promissora para comunicação por fibra óptica de alta velocidade e alta capacidade, como também abre caminho para desenvolvimentos futuros: Há espaço, ao menos teoricamente, para ampliação da capacidade do neuro-meta-roteador para um número maior de modos, e há potencial para incorporar outros esquemas de multiplexação, como multiplexação por polarização e multiplexação por divisão de comprimento de onda.

Mais tópicos