Achieving precision in measuring birefringence characteristics of a periodically-poled Lithium Niobate waveguide

कांच या क्रिस्टल के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश हमेशा एक ही, अपरिवर्तनीय गति से नहीं चलता है। इसकी गति प्रकाश के रंग और उस पदार्थ के माध्यम से उसके द्वारा लिए गए मार्ग पर निर्भर करती है, जिसे अपवर्तनांक (refractive index) के रूप में जाना जाता है। आधुनिक प्रकाशिकी (optics) की दुनिया में, जहाँ वैज्ञानिक सूचना ले जाने के लिए सूक्ष्म सर्किट बनाते हैं या क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए कणों के जोड़े उत्पन्न करते हैं, इस गति को अत्यधिक सटीकता के साथ जानना अत्यंत महत्वपूर्ण है। यदि गति थोड़ी भी गलत होती है, तो इन कणों को बनाने या हेरफेर करने के लिए आवश्यक सूक्ष्म समय-निर्धारण विफल हो जाता है। दशकों से, शोधकर्ता यह अनुमान लगाने के लिए कि प्रकाश इन सामग्रियों के भीतर कैसे व्यवहार करता है, गणितीय सूत्रों पर भरोसा करते आए हैं, लेकिन वे सूत्र क्रिस्टल के बड़े, ठोस ब्लॉकों के लिए लिखे गए थे। जब प्रकाश को एक सूक्ष्म चैनल में दबा दिया जाता है, जैसा कि आधुनिक उपकरणों में होता है, तो नियम थोड़े बदल जाते हैं, और पुराने अनुमान अविश्वसनीय हो सकते हैं। यह अनिश्चितता संचार और कंप्यूटिंग के भविष्य के लिए सटीक उपकरण बनाने के प्रयास में एक बड़ी बाधा बन जाती है।

जर्मन एयरोस्पेस सेंटर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सिद्धांत के आधार पर अनुमान लगाने के बजाय, एक कार्यशील उपकरण के भीतर सीधे प्रकाश के व्यवहार को मापकर इस समस्या को हल करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के वेवगाइड (waveguide) पर ध्यान केंद्रित किया, जो लिथियम नियोबेट (Lithium Niobate) नामक क्रिस्टल में उकेरा गया एक छोटा सा चैनल है, जो फोटॉन के जोड़े उत्पन्न करने के लिए एक पसंदीदा सामग्री है। ये फोटॉन जोड़े क्वांटम प्रौद्योगिकियों के निर्माण खंड हैं, लेकिन उनकी गुणवत्ता पूरी तरह से क्रिस्टल के भीतर प्रकाश तरंगों के सटीक समय और गति पर निर्भर करती है। शोधकर्ताओं को यह जानने की आवश्यकता थी कि एक रंग का प्रकाश दूसरे की तुलना में कितना धीमा चलता है, जिसे द्विफचरता (birefringence) कहा जाता है, अपने सूक्ष्म चैनल की सीमाओं के भीतर।

इस उत्तर को प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने अपने छोटे क्रिस्टल चैनल को एक संगीत वाद्ययंत्र की तरह माना। उन्होंने चैनल के सिरों को अत्यधिक परावर्तक दर्पणों (mirrors) से ढंक दिया, जिससे एक रेसोनेटर (resonator) बन गया जहाँ प्रकाश हजारों बार आगे-पीछे उछलता है। जब उन्होंने इस सेटअप के माध्यम से एक लेजर को प्रवाहित किया, तो प्रकाश स्वयं के साथ हस्तक्षेप (interfere) करने लगा, जिससे स्पेक्ट्रम में चमकीले और गहरे शिखरों (peaks) का एक जटिल पैटर्न बना, ठीक वैसे ही जैसे एक तार वाले गिटार के तार को छेड़ने पर उठने वाली स्थिर तरंगें (standing waves) बनती हैं। इन शिखरों को एक-एक करके गिनने के बजाय, जो कि अपूर्ण हो सकता है, टीम ने फूरियर ट्रांसफॉर्म (Fourier transform) नामक एक गणितीय उपकरण का उपयोग किया। यह तकनीक समय के लिए एक प्रिज्म की तरह कार्य करती है, जो सिग्नल को अलग करके एक एकल चक्कर में तय की गई दूरी को सटीक रूप से प्रकट करती है। प्रकाश की यात्रा के पैटर्न का विश्लेषण करके, वे ऑप्टिकल पाथ लेंथ (optical path length) को सोलह मानक विचलन (standard deviations) से अधिक की सटीकता के साथ निर्धारित कर सके, जो निश्चितता का एक ऐसा स्तर है जिसमें त्रुटि की लगभग कोई गुंजाइश नहीं है।

परिणामों ने क्रिस्टल के साधारण अक्ष (ordinary axis) और असाधारण अक्ष (extraordinary axis) के साथ यात्रा करने वाले प्रकाश की गति में एक स्पष्ट अंतर प्रकट किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि समूह अपवर्तनांक (group refractive index), जो प्रकाश के पल्स की गति को निर्धारित करता है, साधारण दिशा के लिए 2.242 और असाधारण दिशा के लिए 2.160 था। यह अंतर, या द्विफचरता (birefringence), 0.081 मापा गया। जब उन्होंने इन वास्तविक-दुनिया के मापों की तुलना बल्क क्रिस्टल के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक गणितीय मॉडलों से की, तो उन्हें एक उल्लेखनीय विसंगति मिली। पुराने सूत्र सूक्ष्म वेवगाइड की विशिष्ट ज्यामिति को ध्यान में नहीं रखते थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि केवल सिद्धांत पर भरोसा करना इन एकीकृत उपकरणों के लिए पर्याप्त नहीं है। प्रत्यक्ष माप ने दिखाया कि चैनल में प्रकाश का व्यवहार उसी सामग्री के बड़े ब्लॉक की तुलना में भिन्न था।

इस सटीक माप के साथ, टीम उस फोटॉन जोड़े की कई महत्वपूर्ण विशेषताओं की भविष्यवाणी कर सकी जिसे उनका उपकरण उत्पन्न करेगा। उन्होंने गणना की कि दो प्रकार के प्रकाश पल्स के बीच का समय अंतर, जिसे विभेदक समूह विलंब (differential group delay) कहा जाता है, 1.4 पिकोसेकंड (picoseconds) है। उन्होंने प्रकाश की बैंडविड्थ भी निर्धारित की, जिसे 320 गीगाहर्ट्ज़ पाया गया, और प्रकाश आवृत्तियों के समूहों के बीच एक विशिष्ट अंतराल 178 गीगाहर्ट्ज़ पहचाना। ये संख्याएँ केवल अमूर्त मान नहीं हैं; ये उनके द्वारा उत्पन्न क्वांटम प्रकाश की गुणवत्ता और उपयोगिता को परिभाषित करती हैं। यह अध्ययन दर्शाता है कि एक सरल, रैखिक ऑप्टिकल माप तकनीक का उपयोग करके, वैज्ञानिक जटिल सिमुलेशन की आवश्यकता को दरकिनार कर सकते हैं और बेहतर क्वांटम उपकरणों को डिजाइन करने के लिए आवश्यक सटीक डेटा प्राप्त कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण एकीकृत ऑप्टिकल सर्किट के प्रदर्शन को ट्यून करने के लिए एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक सैद्धांतिक सन्निकटन के बजाय मापे गए यथार्थ की नींव पर निर्मित हो।