Numerical Investigation of a 3D End-Firing Antenna Array Based on Two-Photon Polymerization on Thin-Film Lithium Niobate for Optical Beam Steering
यह शोध पत्र एक संख्यात्मक रूप से जांचे गए 3D एंड-फायरिंग एंटेना ऐरे को प्रस्तुत करता है जिसे थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट पर टू-फोटॉन पॉलीमराइजेशन के माध्यम से निर्मित किया गया है, जो सॉलिड-स्टेट ऑप्टिकल फेज़्ड ऐरे के लिए उच्च ट्रांसमिशन दक्षता और व्यापक द्वि-आयामी बीम स्टीयरिंग क्षमताएं प्राप्त करता है।
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एक विशाल, अदृश्य टॉर्च की बीम को बिना हिलाए नियंत्रित करने की कल्पना करें। यह ऑप्टिकल फेज़्ड एरेज़ (OPAs) का जादू है। एक OPA को एक एकल दर्पण के रूप में नहीं, बल्कि छोटे प्रकाश उत्सर्जकों (emitters) के एक विशाल समूह या 'कोरस' के रूप में सोचें। यदि आप कोरस के हर गायक को ठीक एक ही समय पर अपना स्वर शुरू करने के लिए कहें, तो ध्वनि (या प्रकाश) सीधे आगे की ओर जाएगी। लेकिन यदि आप बाईं ओर के गायकों को दाईं ओर वालों की तुलना में एक मामूली सेकंड पहले शुरू करने के लिए कहें, तो ध्वनि या प्रकाश की पूरी बीम दाईं ओर झुक जाएगी। इन सूक्ष्म उत्सर्जकों के समय (timing) में बदलाव करके, आप बिना किसी चलते हुए गियर या भारी दर्पण के, एक लेजर बीम को आकाश में कहीं भी तुरंत निर्देशित कर सकते हैं। यह तकनीक सेल्फ-ड्राइविंग कार सेंसर (LiDAR) और सुपर-फास्ट इंटरनेट जैसी चीजों के लिए एक 'होली ग्रेल' (अत्यधिक वांछित लक्ष्य) है, क्योंकि यह छोटी, ठोस और अविश्वसनीय रूप से तेज़ है। हालाँकि, इन प्रकाश समूहों (choirs) को बनाना कठिन है। आमतौर पर, आपको उन्हें इतना चौड़ा बनाने के बीच चुनाव करना पड़ता है कि वे आकाश के बड़े हिस्से को देख सकें, या उन्हें इतना तेज़ बनाने के बीच कि वे तेज़ चलती कार को ट्रैक कर सकें, लेकिन शायद ही कभी दोनों।
यह शोध पत्र इन प्रकाश समूहों को बनाने का एक चतुर नया तरीका पेश करता है जो दो बहुत अलग दुनियाओं को मिलाता है: एक सुपर-फास्ट इलेक्ट्रॉनिक सामग्री जिसे थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट (TFLN) कहा जाता है और एक 3D-प्रिंटेड पॉलीमर संरचना। शोधकर्ता, डेविड ट्रोप और बोरिस डेसिएटोव, एक विशिष्ट समस्या को हल करना चाहते थे: पारंपरिक प्रकाश एंटेना आमतौर पर चिप के किनारे पर सपाट होते हैं, जो उन्हें केवल एक दिशा में स्टीयर करने तक सीमित कर देते हैं (जैसे एक लाइटहाउस जो बाएं और दाएं घूमता है)। ऊपर और नीचे तथा बाएं और दाएं देखने के लिए, आपको आमतौर पर जटिल, सपाट ग्रिड की आवश्यकता होती है जो बनाने में कठिन होते हैं और बहुत अधिक प्रकाश खो देते हैं। लेखकों ने पूछा: "क्या होगा यदि हम एंटेना को हवा में ऊपर उठा सकें, जैसे 3ề 3D टावर, ताकि हम उन्हें एक ग्रिड में सघन रूप से पैक कर सकें?"
इसे करने के लिए, उन्होंने टू-फोटॉन पॉलीमराइजेशन (2PP) नामक तकनीक का उपयोग किया। इसकी कल्पना एक हाई-टेक 3D प्रिंटर के रूप में करें जो एक विशेष तरल प्लास्टिक से सीधे सिलिकॉन चिप की सतह पर सूक्ष्म, अदृश्य पुल बना सकता है। टीम ने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की जहाँ प्रकाश एक फ्लैट वेवगाइड के माध्यम से चिप से यात्रा करता है, फिर इन 3D-प्रिंटेड पॉलीमर "टावरों" को सौंप दिया जाता है जो हवा में ऊपर उठते हैं। ये टावर उत्सर्जक के रूप में कार्य करते हैं। ऊपर उठाए जाने के कारण, उन्हें एक सघन, द्वि-आयामी ग्रिड (25 x 25 एरे) में एक-दूसरे के रास्ते में आए बिना व्यवस्थित किया जा सकता है।
उनके कंप्यूटर सिमुलेशन के परिणाम काफी उत्साहजनक हैं। उन्होंने पाया कि यह हाइब्रिड डिज़ाइन अविश्वसनीय रूप से कुशल है। उनके डिजिटल परीक्षणों में, सिस्टम ने चिप से 3D एंटीना तक के ट्रांज़िशन के माध्यम से 89.5% प्रकाश भेजने में सफलता प्राप्त की, जो इतने जटिल हैंडऑफ के लिए एक बहुत ही उच्च स्कोर है। यह प्रणाली 1.4 से 1.6 µm की रंगों (वेवलेंथ) की एक विस्तृत श्रृंखला में अच्छी तरह से काम करती है, जो इंटरनेट और सेंसिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक "टेलीकॉम" रेंज का हिस्सा है।
जब उन्होंने बीम को स्टीयर करने का सिमुलेशन किया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। एरे एक विस्तृत क्षेत्र को स्कैन करने में सक्षम था, जो 24.9° × 22.8° का फील्ड ऑफ व्यू कवर करता है। इसे समझने के लिए, यह उपकरण को हिलाए बिना आकाश के एक बड़े हिस्से को स्कैन करने के लिए पर्याप्त कोण है। बीम स्वयं तीक्ष्ण (sharp) थी, जिसकी चौड़ाई लगभग 1.7° थी, जिसका अर्थ है कि यह किसी विशिष्ट लक्ष्य की ओर सटीक रूप से इशारा कर सकती है। महत्वपूर्ण बात यह है कि चूंकि यह प्रणाली लिथियम नियोबेट सामग्री का उपयोग करती है, इसलिए यह बीम की दिशा को बिजली की गति से—संभावतः नैनोसेकंड में—बदल सकती है, जो गर्मी पर निर्भर पुरानी विधियों की तुलना में बहुत तेज़ है।
यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि आपको रेंज के लिए गति का त्याग करने की आवश्यकता है या आप सपाट, एक-आयामी एरे तक ही सीमित हैं। एंटेना को ऊपर उठाकर, उन्होंने "एंड-फायर" लाभ (जहाँ प्रकाश एक ट्यूब के अंत से कुशलतापूर्वक बाहर निकलता है) को बनाए रखा और साथ ही दो आयामों में स्टीयर करने की क्षमता भी प्राप्त की। हालांकि, यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि ये निष्कर्ष वर्तमान में कठोर संख्यात्मक सिमुलेशन (numerical simulations) पर आधारित हैं। लेखकों ने अभी तक वास्तविक दुनिया में इन नंबरों को साबित करने के लिए लैब में पूर्ण 25x25 एरे नहीं बनाया है, हालांकि उन्होंने यह साबित करने के लिए एक छोटा 2x2 संस्करण सफलतापूर्वक प्रिंट किया है कि 3D प्रिंटिंग तकनीक काम करती है। वे सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण कॉम्पैक्ट, हाई-स्पीड LiDAR और ऑप्टिकल संचार प्रणालियों को बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम हो सकता है, जो चिप-आधारित ऑप्टिक्स और मुक्त स्थान (free space) के बीच के अंतर को पाटता है जहाँ हमें प्रकाश भेजना होता है।
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