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Many-mode grating couplers by avoiding undesired couplings

यह शोध पत्र कई-मोड ग्रेटिंग कपलर के लिए एक डिज़ाइन सिद्धांत प्रस्तावित करता है जो आवश्यक कपलिंग को बढ़ाने के बजाय अवांछित क्रॉस-कपलिंग को दबाने को प्राथमिकता देता है, जिससे यह पता चलता है कि ऐसा दृष्टिकोण कॉम्पैक्ट 3D उपकरणों में सैकड़ों से हजारों मोड्स के कुशल युग्मन को सक्षम बनाता है, जो पिछले डिजाइनों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार का प्रतिनिधित्व करता है।

मूल लेखक: Nazar Pyvovar, Hao Li, Zhaowei Dai, Owen D. Miller

प्रकाशित 2026-05-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Nazar Pyvovar, Hao Li, Zhaowei Dai, Owen D. Miller

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

यहाँ सरल भाषा और रचनात्मक उपमाओं का उपयोग करके शोध पत्र (paper) का स्पष्टीकरण दिया गया है।

मुख्य विचार: "ट्रैफिक जाम" की समस्या

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा राजमार्ग (highway) बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो एक व्यस्त शहर (मुक्त स्थान/free space, जहाँ प्रकाश सभी दिशाओं में यात्रा करता है) को एक विशिष्ट सेट अंडरग्राउंड टनल (एक कंप्यूटर चिप) से जोड़ता है।

अतीत में, इंजीनियर एक टोल बूथ (ग्रेटिंग कपलर) बना सकते थे जो एक विशिष्ट सड़क से एक विशिष्ट टनल में कारों को बहुत कुशलता से जाने देता था। लेकिन क्या होगा यदि आप चाहते हैं कि सैकड़ों अलग-अलग सड़कों से कारें एक ही समय में सैकड़ों अलग-अलग टनल में प्रवेश करें?

यह शोध पत्र तर्क देता है कि सबसे बड़ी समस्या राजमार्ग को ट्रैफिक संभालने के लिए पर्याप्त चौड़ा बनाने की नहीं है। समस्या है क्रॉस-टॉक (cross-talk)।

यदि आप एक साथ बहुत अधिक लेन खोलने की कोशिश करते हैं, तो सड़क A की कारें गलती से टनल B में जा सकती हैं, या सड़क C की कारें टनल D में फंस सकती हैं। गलत कारों का गलत टनल में जाने वाला यह "ट्रैफिक जाम" दक्षता को खराब कर देता है। लेखकों ने टोल बूथ को इस तरह से डिजाइन करने का तरीका खोजा है जिससे सड़क A की कारें केवल टनल A में ही जाएँ, भले ही एक साथ सैकड़ों सड़कें खुली हों।

समाधान: दुर्घटना से बचने के तीन तरीके

लेखकों ने इस "गलत मोड़" वाले ट्रैफिक को रोकने के तीन मुख्य तरीके पहचाने हैं:

1. "जादुई चाबी" का तरीका (Trivial Couplings)
कभी-कभी, समस्या की ज्यामिति (geometry) इतनी सरल होती है कि एक एकल डिज़ाइन फीचर एक मास्टर की (master key) की तरह काम करता है। 3D में (जैसे प्रकाश की एक सपाट शीट), एक विशिष्ट पैटर्न स्वाभाविक रूप से प्रकाश के कई कोणों को उनके सही टनल में निर्देशित कर सकता है, जिसके लिए प्रत्येक के लिए जटिल निर्देशों की आवश्यकता नहीं होती है। शोध पत्र इसे "ट्रिवियल" कपलिंग कहता है। यह एक गोलचक्कर (roundabout) की तरह है जहाँ ट्रैफिक बिना ट्रैफिक लाइट के स्वाभाविक रूप से सही दिशा में बहता है।

2. "नो-गो ज़ोन" का तरीका (गलतियों को बाहर धकेलना - Pushing Errors Out)
कल्पना कीजिए कि राजमार्ग के पास एक सुरक्षा घेरा (fence) है। यदि कोई कार गलत मोड़ लेने की कोशिश करती है, तो वह घेरे से टकराती है और रुक जाती है। लेखकों ने महसूस किया कि यदि आप अलग-अलग "लेन" (फ्रीक्वेंसी और कोणों) को सही दूरी पर रखते हैं, तो कोई भी आकस्मिक गलत मोड़ एक "वर्जित क्षेत्र" (forbidden zone) से टकराएगा जहाँ वे अस्तित्व में ही नहीं रह सकते। वे घेरे से टकराकर गायब हो जाएंगे, जिससे सही ट्रैफिक अकेला रह जाएगा। यह तब सबसे अच्छा काम करता है जब उपयोग की गई सामग्रियों का "अपवर्तनांक" (refractive index) उच्च हो (एक फैंसी तरीका यह कहने का कि सामग्री प्रकाश को मजबूती से मोड़ती है, जिससे एक बड़ा सुरक्षा क्षेत्र बनता है)।

3. "नॉइज़-कैंसलिंग" का तरीका (बहु-परतीय डिज़ाइन - Multilayer Designs)
यदि आप घेरे से गलत मोड़ों को नहीं रोक सकते, तो आप राजमार्ग की दूसरी परत का उपयोग उन्हें रद्द करने के लिए कर सकते हैं। यह नॉइज़-कैंसलिंग हेडफ़ोन की तरह है। यदि पहली परत एक "गलत मोड़" का संकेत बनाती है, तो दूसरी परत को ठीक विपरीत संकेत बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। जब वे मिलते हैं, तो वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिससे केवल सही ट्रैफिक बचता है। शोध पत्र सिद्ध करता है कि $N$ विभिन्न कार्यों को संभालने के लिए, आपको आमतौर पर इस "नॉइज़-कैंसलिंग" डिज़ाइन के कम से कम $2N$ परतों की आवश्यकता होती है।

परिणाम: कुछ लेन से लेकर एक सुपरहाइवे तक

2D में (सपाट, 1D पैटर्न):
इसे एक सिंगल-लेन सड़क के रूप में सोचें। लेखकों ने इन सड़कों को डिजाइन करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि कुछ परतों के साथ, आप एक साथ लगभग 5 से 10 अलग-अलग प्रकाश धाराओं (streams of light) को उच्च दक्षता के साथ सफलतापूर्वक निर्देशित कर सकते हैं। यह उनके गणित के साथ पूरी तरह मेल खाता है।

3D में (सपाट, 2D पैटर्न):
यही वह जगह है जहाँ जादू होता है। क्योंकि आप पैटर्न को एक रेखा के बजाय एक वृत्त (जैसे पिज्जा) में व्यवस्थित कर सकते हैं, इसलिए आपके पास खेलने के लिए बहुत अधिक "दिशाएं" होती हैं।

दावा: उन्होंने एक ऐसा उपकरण डिजाइन किया (कंप्यूटर पर सिम्युलेट किया गया) जो रेत के कण के आकार ( $100\lambda \times 100\lambda$ ) का है।
उपलब्धि: यह एकल-परतीय उपकरण मुक्त स्थान से चिप में 150 से अधिक अलग-अलग प्रकाश धाराओं को निर्देशित कर सकता है।
दक्षता: डिज़ाइन को पूर्ण रूप से सटीक बनाए बिना भी (एक सरलीकृत "सिंगल-स्कैटरिंग" मॉडल का उपयोग करते हुए), उन्होंने 2% से 10% की दक्षता प्राप्त की।
तुलना: इतने सारे मोड (लगभग 2,000) को जोड़ने के पिछले प्रयासों के परिणामस्वरूप मात्र 0.04% की दक्षता मिली थी। लेखकों का डिज़ाइन केवल "गलत मोड़ों" से बचकर एक क्रम-परिमाण सुधार (order-of-magnitude improvement) (10x से 100x बेहतर) प्रदान करता है।

उन्होंने पूर्ण, विस्तृत भौतिकी सिमुलेशन के साथ एक छोटा संस्करण ( $20\lambda \times 20\lambda$ ) भी टेस्ट किया। इस छोटे उपकरण ने लगभग 100 मोड को 4% से ऊपर की दक्षता के साथ सफलतापूर्वक जोड़ा।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

शोध पत्र सुझाव देता है कि इन "अवांछित कपलिंग्स" (यानी ट्रैफिक जाम) से बचकर, हम ऐसे उपकरणों तक स्केल कर सकते हैं जो सैकड़ों या हजारों मोड को संभाल सकते हैं।

लेखक विशेष रूप से उल्लेख करते हैं कि यह तकनीक नए द्वार खोल सकती है:

उच्च-परिशुद्धता मेट्रोलॉजी (High-precision metrology) (अत्यधिक सटीक मापने के उपकरण)।
ऑप्टिकल कंप्यूटिंग (Optical computing) (ऐसे कंप्यूटर जो बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करते हैं)।
फोटोनिक इंटरकनेक्ट्स (Photonic interconnects) (कंप्यूटर चिप्स के लिए तेज़ कनेक्शन)।
टेलीकम्युनिकेशंस (Telecommunications) (फाइबर ऑप्टिक्स के माध्यम से अधिक डेटा भेजना)।

निचोड़ (The Bottom Line)

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उसने अभी तक एक भौतिक उपकरण बनाया है जो यह कर सके। इसके बजाय, यह सैद्धांतिक नियम और कंप्यूटर सिमुलेशन प्रदान करता है जो यह सिद्ध करते हैं कि यह संभव है। वे दिखाते हैं कि यदि आप "टोल बूथ" को सही ढंग से डिजाइन करते हैं ताकि कारों को गलत मोड़ लेने से रोका जा सके, तो आप एक ऐसा राजमार्ग बना सकते हैं जो एक साथ सैकड़ों लेन के ट्रैफिक को संभाल सके, जो पहले असंभव या अत्यंत अक्षम माना जाता था।

यहाँ Pyvovar et al. के शोध पत्र "Many-mode grating couplers by avoiding undesired couplings" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

ग्रेटिंग कपलर (Grating couplers), मुक्त स्थान (free space) या ऑप्टिकल फाइबर और एकीकृत फोटोनिक वेवगाइड्स (integrated photonic waveguides) के बीच प्रकाश को जोड़ने के लिए आवश्यक इंटरफेस हैं। जबकि एकल-कार्य वाले कपलर (एक मोड को एक मोड से जोड़ना) अच्छी तरह से समझे गए हैं और उच्च दक्षता प्राप्त कर सकते हैं, मेनी-मोड कपलर (सैकड़ों से हजारों स्वतंत्र मोड को एक साथ जोड़ने वाले) एक महत्वपूर्ण बाधा का सामना करते हैं: अवांछित क्रॉस-कपलिंग (undesired cross-couplings)।

चुनौती: मल्टी-मोड परिदृश्यों में, विभिन्न इनपुट/आउटपुट मोड युग्मों को जोड़ने के लिए आवश्यक कई फेज-मैचिंग स्थितियाँ अनिवार्य रूप से "क्रॉस-टॉक" (cross-talk) उत्पन्न करती हैं। एक ग्रेटिंग जो मोड A को वेवगाइड A से जोड़ने के लिए डिज़ाइन की गई है, वह अनजाने में मोड A को वेवगाइड B से, या मोड B को वेवगाइड A से भी जोड़ देती है।
वर्तमान सीमाएँ: मेनी-मोड कपलिंग के पिछले प्रयासों के परिणामस्वरूप मोड की संख्या बढ़ने के साथ दक्षता में भारी गिरावट (अक्सर <1% औसत) देखी गई है। साहित्य ने यह सुझाव दिया है कि उच्च दक्षता और उच्च मोड संख्या उच्च दक्षता के साथ मौलिक रूप से असंगत है क्योंकि ये अपरिहार्य हस्तक्षेप प्रभाव (interference effects) मौजूद रहते हैं।
लक्ष्य: लेखक उच्च-दक्षता वाली कपलिंग के लिए सैद्धांतिक सिद्धांत और डिज़ाइन रणनीतियाँ स्थापित करने का लक्ष्य रखते हैं, जो इस धारणा का खंडन करती हैं कि मोड संख्या बढ़ने के साथ दक्षता कम होनी ही चाहिए।

2. कार्यप्रणाली और सैद्धांतिक ढांचा (Methodology and Theoretical Framework)

यह शोध पत्र क्रॉस-कपलिंग समस्या को हल करने के लिए सैद्धांतिक स्केलिंग लॉ (scaling laws), कंप्यूटेशनल इनवर्स डिज़ाइन (inverse design), और परटर्बेटिव विश्लेषण (perturbative analysis) के संयोजन का उपयोग करता है।

मुख्य सिद्धांत: अवांछित कपलिंग से बचना

लेखक पहचानते हैं कि उच्च दक्षता की कुंजी केवल वांछित स्कैटरिंग-मैट्रिक्स तत्वों को बढ़ाना नहीं है, बल्कि सक्रिय रूप से अवांछित क्रॉस-कपलिंग को दबाना या उससे बचना है। वे तीन प्राथमिक रणनीतियाँ प्रस्तावित करते हैं:

"ट्रिवियल" (Trivial) कपलिंग का लाभ उठाना: उन परिदृश्यों का उपयोग करना जहाँ ग्रेटिंग का एक एकल स्थानिक फूरियर घटक (spatial Fourier component) एक साथ कई फेज-मैचिंग स्थितियों को संतुष्ट करता है (जैसे, 3D में मोड की एक रेखा को जोड़ना)।
स्पेक्ट्रल/कोणीय अलगाव (Spectral/Angular Isolation): सिस्टम को इस तरह डिज़ाइन करना कि अवांछित कपलिंग फ्री-स्पेस रेडिएशन कॉन्टिनम (लाइट कोन) से बाहर हो जाए। यदि मोमेंटम मिसमैच पर्याप्त बड़ा है, तो ऊर्जा इन अवांछित प्रसारित होने वाले मोडों में स्कैटर नहीं हो सकती।
मल्टीलेयर विनाशकारी हस्तक्षेप (Multilayer Destructive Interference): अवांछित कपलिंग पथों के लिए विनाशकारी हस्तक्षेप (destructive interference) उत्पन्न करने के लिए विशिष्ट फेज शिफ्ट के साथ ग्रेटिंग की कई परतों का उपयोग करना, जबकि वांछित कपलिंग के लिए रचनात्मक हस्तक्षेप (constructive interference) बनाए रखना।

सैद्धांतिक स्केलिंग नियम (Theoretical Scaling Laws)

2D (ट्रांसलेशन-इनवेरिएंट) कपलर: लेखक व्युत्पन्न करते हैं कि एकल-परत 2D कपलर के लिए, जुड़ी हुई आवृत्तियों की संख्या अपवर्तनांक ( $n_{core}$ ) द्वारा कड़ाई से सीमित है। उच्च अपवर्तनांक वेवगाइड मोड और कॉन्टिनम के बीच अधिक अलगाव की अनुमति देते हैं, जिससे अधिक मोड संभव होते हैं। वे सिद्ध करते हैं कि वास्तविक सामग्रियों ( $n \leq 4$ ) के लिए, एक एकल परत क्रॉस-टॉक के बिना केवल ~5 मोड ही सहारा दे सकती है।
मल्टीलेयर स्केलिंग: 2D सीमाओं को दूर करने के लिए, वे मल्टीलेयर डिज़ाइन के लिए एक प्रतिबंध व्युत्पन्न करते हैं। $N_{fun}$ लक्षित कार्यों (कपलिंग्स) को बिना क्रॉस-टॉक के करने के लिए, डिज़ाइन करने योग्य परतों की संख्या ( $N_{layers}$ ) को $N_{layers} \geq 2N_{fun}$ को संतुष्ट करना चाहिए (डिग्री ऑफ फ्रीडम बनाम बाधाओं के आधार पर)। हालांकि, संख्यात्मक परिणाम बताते हैं कि गैर-परटर्बेटिव डिज़ाइन इसे $N_{layers} \approx N_{fun}$ के साथ प्राप्त कर सकते हैं।
3D कपलर: 3D में, अज़ीमुथल डिग्री ऑफ फ्रीडम (azimuthal degree of freedom) एक एकल फूरियर घटक को मोड की एक पूरी रेखा को जोड़ने की अनुमति देती है (ट्रिवियल कपलिंग)। फूरियर घटकों के बीच कोणीय पृथक्करण को अधिकतम करके, लेखक व्युत्पन्न करते हैं कि 16 फूरियर घटकों को बिना क्रॉस-टॉक के एक एकल परत में पैक किया जा सकता है। कुल मोड संख्या $N_{total} \propto N_q \cdot NA \cdot (k L_{coupler})$ के रूप में स्केल होती है।

कंप्यूटेशनल दृष्टिकोण

इनवर्स डिज़ाइन (Inverse Design): 2D परिदृश्यों के लिए पारगम्यता वितरण (permittivity distributions) को अनुकूलित करने और स्केलिंग लॉ को मान्य करने के लिए उपयोग किया गया।
परटर्बेटिव सिंगल-स्कैटरिंग सन्निकटन (Perturbative Single-Scattering Approximation): बड़े 3D उपकरणों ( $100\lambda \times 100\lambda$ ) के लिए उपयोग किया गया जहाँ पूर्ण-तरंग सिमुलेशन (full-wave simulation) गणनात्मक रूप से अत्यधिक कठिन है। वे कपलिंग की रैखिक स्वतंत्रता सुनिश्चित करने के लिए फूरियर गुणांकों को अनुकूलित करके स्कैटरिंग मैट्रिक्स ( $S$ ) की रैंक को अधिकतम करते हैं।
फुल-वेव सिमुलेशन (Full-Wave Simulation): छोटे 3D उपकरणों ( $20\lambda \times 20\lambda$ ) के लिए उपयोग किया गया ताकि यह सत्यापित किया जा सके कि परटर्बेटिव डिज़ाइन को परटर्बेशन स्ट्रेंथ बढ़ाकर उच्च दक्षता तक स्केल किया जा सकता है।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

क्रॉस-कपलिंग को प्राथमिक बाधा के रूप में पहचानना: यह शोध पत्र ध्यान को "कपलिंग दरों को बढ़ाने" से हटाकर "क्रॉस-टॉक से बचने" पर केंद्रित करता है, जो बहु-कार्यात्मक फोटोनिक्स के लिए एक नया सैद्धांतिक दृष्टिकोण प्रदान करता है।
मोड संख्या के लिए स्केलिंग लॉ:
- स्थापित किया कि 2D सिंगल-लेयर कपलर ~5 मोड तक सीमित हैं।
- प्रदर्शित किया कि 3D सिंगल-लेयर कपलर अज़ीमुथल आयाम और "ट्रिवियल" कपलिंग का लाभ उठाकर सैद्धांतिक रूप से सैकड़ों मोड का समर्थन कर सकते हैं।
उच्च-दक्षता वाले मेनी-मोड कपलर के लिए डिज़ाइन रणनीति: उच्च दक्षता को बड़े पैमाने पर प्राप्त करने के लिए ट्रिवियल कपलिंग, कॉन्टिनम आइसोलेशन और मल्टीलेयर इंटरफेरेंस को संयोजित करने वाला एक ढांचा प्रस्तावित किया।
प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट डिज़ाइन:
- 2D: 4–8 मोड के लिए >90% दक्षता प्राप्त करने वाले इनवर्स-डिज़ाइन किए गए कपलर।
- 3D (परटर्बेटिव): एक $100\lambda \times 100\lambda$ डिज़ाइन जो >150 मोड को 2–10% दक्षता के साथ जोड़ता है (सामूहिक क्रम-परिमाण सुधार)।
- 3D (फुल-वेव): एक $20\lambda \times 20\lambda$ डिज़ाइन जो व्यक्तिगत मोड के लिए >100 मोड और >4% की औसत दक्षता (13% तक शिखर) प्रदर्शित करता है, जो यह पुष्टि करता है कि सिंगल-स्कैटरिंग सन्निकटन स्केलेबल उच्च-दक्षता व्यवहार की भविष्यवाणी करता है।

4. परिणाम (Results)

2D प्रदर्शन: कम्प्यूटेशनल इनवर्स डिज़ाइन ने पुष्टि की कि उच्च-दक्षता कपलिंग के लिए आवश्यक न्यूनतम मोटाई और परतों की संख्या लक्षित कार्यों ( $N_{fun}$ ) के साथ रैखिक रूप से स्केल करती है। 8 परतों वाले डिज़ाइनों ने 4–8 मोड को >90% दक्षता के साथ सफलतापूर्वक जोड़ा।
3D प्रदर्शन (बड़े पैमाने पर): $100\lambda \times 100\lambda$ डिवाइस के लिए एक परटर्बेटिव डिज़ाइन ने 150 स्वतंत्र मोड को 2–10% दक्षता के साथ सफलतापूर्वक जोड़ा। महत्वपूर्ण रूप से, S-मैट्रिक्स ने शून्य अवांछित कपलिंग दिखाई, जो यह सिद्ध करता है कि डिवाइस का आकार बढ़ाने से दक्षता रैखिक रूप से बढ़ेगी।
3D प्रदर्शन (फुल-वेव): चार घुमावदार आवधिक ग्रेटिंग्स (rotated periodic gratings) को ओवरले करके निर्मित $20\lambda \times 20\lambda$ डिवाइस ने व्यक्तिगत मोड के लिए 6.6% से 13.1% के बीच कपलिंग दक्षता प्राप्त की। S-मैट्रिक्स के सिंगुलर वैल्यू डिकम्पोजिशन (SVD) ने 100 रैखिक रूप से स्वतंत्र कपलिंग की पुष्टि की जिनकी दक्षता 4% से ऊपर थी।
तुलना: ये परिणाम पिछले अत्याधुनिक मेनी-मोड कपलरों (जो आमतौर पर उच्च मोड संख्या के लिए 0.04% या उससे कम औसत दक्षता रिपोर्ट करते थे) की तुलना में एक क्रम-परिमाण (order-of-magnitude) का सुधार दर्शाते हैं।

5. महत्व और प्रभाव (Significance and Impact)

स्केलेबिलिटी: यह शोध पत्र दक्षता से समझौता किए बिना दर्जनों से हजारों मोड तक फ्री-स्पेस-टू-चिप कपलिंग को स्केल करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
अनुप्रयोग: यह तकनीक निम्नलिखित के लिए महत्वपूर्ण है:
- उच्च-परिशुद्धता मेट्रोलॉजी (High-Precision Metrology): जटिल वेवफ्रंट सेंसिंग को सक्षम बनाना।
- ऑप्टिकल कंप्यूटिंग: बड़े पैमाने पर समानांतर डेटा प्रोसेसिंग और न्यूरल नेटवर्क को सुगम बनाना।
- फोटोनिक इंटरकनेक्ट्स और टेलीकॉम: उच्च-आयामी डेटा ट्रांसमिशन और मोड-डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग का समर्थन करना।
सैद्धांतिक सत्यापन: यह कार्य सैद्धांतिक सीमाओं और व्यावहारिक डिज़ाइन के बीच के अंतर को पाटता है, यह दिखाते हुए कि 3D में "आकस्मिक" या "ट्रिवियल" कपलिंग एक सीमा नहीं बल्कि मोड घनत्व बढ़ाने के लिए एक शक्तिशाली संसाधन है।
भविष्य की दृष्टि: लेखक सुझाव देते हैं कि प्रभावी बड़े पैमाने के संख्यात्मक सिमुलेशन टूल (जैसे, GPU-त्वरित सॉल्वर) और मजबूत इनवर्स डिज़ाइन के साथ, उच्च-दक्षता वाले मेनी-मोड कपलर निकट हैं, जो संभावित रूप से एकीकृत फोटोनिक सर्किट के साथ प्रकाश के इंटरफेस करने के तरीके में क्रांति ला सकते हैं।