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Tricouplers for nulling interferometry with photonic integrated circuits

यह शोध पत्र भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित नलिंग इंटरफेरोमेट्री मिशनों के लिए आवश्यक सटीक, अक्रोमैटिक स्टार्लाइट सप्रेशन प्राप्त करने हेतु फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट ट्राइकौपलर की क्षमता की जांच करता है, जो अगली पीढ़ी के एक्सोप्लैनेट वेधशालाओं के विकास का समर्थन करने के लिए प्रयोगशाला सेटिंग्स में उनकी नलिंग क्षमताओं को प्रदर्शित करता है और क्रोमैटिक प्रभावों को अभिलक्षणित करता है।

मूल लेखक: Anusha Pai Asnodkar, Nemanja Jovanovic, Harry-Dean Kenchington Goldsmith, Ahmed Sanny, Yoo Jung Kim, Hani Nejadriahi, Isabelle Rivera, Michael P. Fitzgerald, Dimitri Mawet, Pradip Gatkine

प्रकाशित 2026-07-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Anusha Pai Asnodkar, Nemanja Jovanovic, Harry-Dean Kenchington Goldsmith, Ahmed Sanny, Yoo Jung Kim, Hani Nejadriahi, Isabelle Rivera, Michael P. Fitzgerald, Dimitri Mawet, Pradip Gatkine

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

रात के आकाश की कल्पना एक विशाल, जगमगाते मंच के रूप में करें जहाँ तारे चकाचौंध कर देने वाली चमकदार स्पॉटलाइट हैं और ग्रह छाया में अपनी पंक्तियाँ फुसफुसाने की कोशिश करने वाले शर्मीले, छोटे अभिनेता हैं। लंबे समय तक, हमारे टेलीस्कोप उन लोगों की तरह रहे हैं जो जेट इंजन के बगल में खड़े होकर चूहे की चीख सुनने की कोशिश कर रहे हों; तारे की चमक इतनी अधिक होती है कि वह हमें पास में छिपे हुए धुंधले, चट्टानी संसारों या विशाल गैस ग्रहों को देखने ही नहीं देती। ये छिपे हुए संसार महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे इस बात के रहस्य रखते हैं कि ग्रहों का निर्माण कैसे होता है और क्या वे कभी जीवन का समर्थन कर सकते हैं। इसे हल करने के लिए, खगोलशास्त्री "नलिंग इंटरफेरोमीटर" (nulling interferometers) नामक एक नए प्रकार के "सुपर-कैमरों" का निर्माण कर रहे हैं। इन्हें एक जासूसों की टीम के रूप में सोचें जो केवल प्रकाश को देखते ही नहीं हैं; बल्कि वे प्रकाश की तरंगों को एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से मिलाकर तारे की चमक को सक्रिय रूप से रद्द कर देते हैं, जैसे ब्रह्मांड के लिए शोर-रद्द करने वाले (noise-canceling) हेडफ़ोन। यदि वे तरंगों को पूरी तरह से रद्द करने में सफल हो जाते हैं, तो तारा गायब हो जाता है, और धुंधला ग्रह दिखाई देने लगता है। लेकिन बड़े, भारी दर्पणों और लेंसों के साथ इन मशीनों का निर्माण करना कठिन है क्योंकि वे झटकों, तापमान परिवर्तन और गलत संरेखण (misalignment) के प्रति संवेदनशील होते हैं। यहीं पर एक नई तकनीक जिसे "फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट्स" (PICs) कहा जाता है, काम आती है। कल्पना करें कि एक पूरे प्रयोगशाला के दर्पणों और लेंसों को कांच और सिलिकॉन से बने एक नाखून के आकार के छोटे चिप पर सिकोड़ दिया गया है। ये चिप्स मजबूत, छोटे हैं, और इनका बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है, जो ग्रह खोजने वाले उपकरणों की अगली पीढ़ी बनाने का एक आशाजनक तरीका प्रदान करते हैं।

आप जो शोध पत्र पढ़ने जा रहे हैं, वह इन छोटे चिप्स पर एक विशिष्ट, चतुर घटक का अन्वेषण करता है जिसे "ट्राइकौपलर" (tricoupler) कहा जाता है। आप एक ट्राइकौपलर को प्रकाश के तीन लेन वाले राजमार्ग के रूप में देख सकते हैं। एक मानक सेटअप में, आप दो लेन को मिलते हुए देख सकते हैं, लेकिन इस उपकरण में तीन लेन हैं जो पूरी तरह से सममित (symmetrical) हैं। वैज्ञानिकों ने इसे इस तरह से डिज़ाइन किया है कि यदि आप दो बाहरी लेन में एक विशिष्ट समय अंतर (एक $\pi$ फेज शिफ्ट) के साथ प्रकाश भेजते हैं, तो प्रकाश की तरंगें आपस में टकराती हैं और बीच वाली लेन में पूरी तरह से रद्द हो जाती हैं, जिससे एक "नल" (null) या अंधेरे का क्षेत्र बन जाता है। यही वह जादू है जिसकी आवश्यकता तारे को छिपाने के लिए होती है। शोधकर्ताओं ने इन चिप्स का परीक्षण प्रयोगशाला में 1.55 $\mu$ m की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर प्रकाश का उपयोग करके किया है (जो इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम में है, जो खगोल विज्ञान में उपयोग किए जाने वाले H-बैंड के समान है)। वे यह देखना चाहते थे कि क्या ये छोटे, सपाट, प्लेनर ट्राइकौपलर वास्तव में गहरे, अंधेरे नल बना सकते हैं और क्या वे न केवल एक रंग के, बल्कि रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला (ब्रॉडबैंड लाइट) में ऐसा कर सकते हैं।

टीम ने पाया कि ये ट्राइकौपलर वास्तव में अपने काम में बहुत अच्छे हैं। एक एकल रंग के प्रकाश (मोनोक्रोमैटिक) का उपयोग करके किए गए परीक्षणों में, उन्होंने एक विशेष प्रकार के प्रकाश ध्रुवीकरण (polarization) को फ़िल्टर करते समय लगभग -53.9 dB का "नल डेप्थ" (null depth) प्राप्त किया (जो $4.1 \times 10^{-6}$ का अनुपात है)। इसका अर्थ है कि उन्होंने उस विशिष्ट लेन में तारे के प्रकाश को 99.9996% तक सफलतापूर्वक ब्लॉक कर दिया। बिना विशेष फिल्टर के भी, वे -28 से -32 dB के आसपास की गहराई तक पहुँच गए। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है, जो यह सुझाव देती है कि ट्राइकौपलर का मूल डिज़ाइन अच्छी तरह से काम करता है और चिप का सपाट, प्लेनर आकार तारे के प्रकाश के रद्दीकरण प्रभाव को खराब नहीं करता है। उन्होंने यह भी खोजा कि एक "क्रॉसिंग" जोड़ने से, जहाँ वेवगाइड्स एक-दूसरे को काटते हैं, उनके प्रदर्शन में कोई खास व्यवधान नहीं आया, जो एक अच्छी खबर है क्योंकि इसका मतलब है कि वे प्रदर्शन खोए बिना इन छोटे चिप्स पर अधिक जटिल, भीड़भाड़ वाले सर्किट बना सकते हैं।

हालांतु, यह कहानी अभी तक पूर्ण विजय की नहीं है। जब वैज्ञानिकों ने वास्तविक दुनिया की स्थितियों का अनुकरण करने के लिए रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला (ब्रॉडबैंड लाइट) का उपयोग किया, तो "अंधेरा" उतना गहरा नहीं था, जो लगभग -30 dB के आसपास रहा। शोध पत्र सुझाव देता है कि इसके मुख्य अपराधी वे "थर्मो-ऑप्टिक फेज मॉड्युलेटर्स" (TOPMs) नहीं हैं जिनका उपयोग प्रकाश के समय को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है, बल्कि वे स्वयं हैं। ये मॉड्युलेटर चिप के एक छोटे हिस्से को गर्म करके काम करते हैं ताकि यह बदला जा सके कि प्रकाश कितनी तेज़ी से यात्रा करता है। समस्या यह है कि यह हीटिंग प्रभाव प्रकाश के रंग के आधार पर अलग-अलग तरह से बदलता है। लेखकों ने मापा कि पूर्ण रद्दीकरण बनाने के लिए आवश्यक वोल्टेज रंग बदलने के साथ बदल जाता है, जिससे स्पेक्ट्रम में "नल" धुंधला हो जाता है। उन्होंने दिखाया कि यह क्रोमैटिक प्रभाव उस हीटर तकनीक की अंतर्निहित विशेषता है जिसका वे उपयोग कर रहे हैं, न कि ट्राइकौपलर डिज़ाइन की कोई खामी।

शोधकर्ताओं ने कुछ अन्य संभावित समस्याओं को भी खारिज कर दिया। उन्होंने पाया कि ट्राइकौपलर "इंटेंसिटी इम्बैलेंस" (तीव्रता असंतुलन) के प्रति आश्चर्यजनक रूप से मजबूत हैं, जिसका अर्थ है कि भले ही दोनों तरफ से आने वाला प्रकाश चमक में बिल्कुल समान न हो, फिर भी उपकरण एक बहुत गहरा नल बना सकता है। उन्होंने यह भी पुष्टि की कि वेवगाइड क्रॉसिंग प्रकाश को इस तरह से नहीं बिखेरते जिससे प्रयोग खराब हो जाए। हालाँकि, उन्होंने पाया कि ये उपकरण ध्रुवीकरण (polarization) के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं। तथ्य यह है कि एक पोलराइजेशन फिल्टर जोड़ने पर नल की गहराई नाटकीय रूप से बढ़ गई, जो बताता है कि चिप प्रकाश तरंगों के विभिन्न "अभिविन्यास" (orientations) के साथ अलग तरह से व्यवहार करती है (बाइरिफ्रिंजेंस/birefringence), जो बिना इस फिल्टर के नल को कितना गहरा हो सकता है, इसकी सीमा तय करता है।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि फोटोनिक ट्राइकौपलर एक्सोप्लैनेट खोजने के लिए कॉम्पैक्ट, उच्च-कंट्रास्ट वाले उपकरण बनाने के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली उपकरण हैं। उपकरण डिज़ाइन के अनुसार ऑन-एक्सिस स्टार्लाइट के लिए अक्रोमैटिक (रंग-स्वतंत्र) नल सफलतापूर्वक बनाते हैं, लेकिन उनका वास्तविक दुनिया का प्रदर्शन वर्तमान में नियंत्रण के लिए उपयोग किए जाने वाले हीटिंग तत्वों की रंग-निर्भर प्रकृति के कारण बाधित है। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य के सुधारों को ऐसे "अक्रोमैटिक" फेज शिफ्टर्स बनाने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होगी जो सभी रंगों के लिए एक ही तरह से काम करें, और शायद ऐसे सर्किट डिजाइन करने की आवश्यकता होगी जो विभिन्न ध्रुवीकरणों को अलग-अलग संभाल सकें। हालाँकि उन्होंने हर समस्या को हल नहीं किया है, लेकिन उन्होंने यह सिद्ध कर दिया है कि मूल विचार काम करता है, जो इन चिप्स के अधिक जटिल, मल्टीप्लेक्स नेटवर्क के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है जो एक दिन हमें दूर के सितारों की परिक्रमा करने वाली पृथ्वी जैसी दुनिया को देखने में मदद कर सकते हैं।

तकनीकी सारांश: फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट्स के साथ नलिंग इंटरफेरोमेट्री के लिए ट्राइकौपलर

समस्या विवरण
पारंपरिक एक्सोप्लैनेट डिटेक्शन तकनीकें (ट्रांजिट, रेडियल वेलोसिटी और डायरेक्ट इमेजिंग) सौर मंडल के समान गैस दिग्गजों और रहने योग्य-क्षेत्र वाले स्थलीय ग्रहों को देखने में संघर्ष करती हैं। ये वस्तुएं अक्सर उन कक्षीय पृथक्करणों पर स्थित होती हैं जहाँ ट्रांजिट की संभावना कम होती है, रेडियल वेलसिटी सिग्नल कमजोर होते हैं, और कोरोनोग्राफ के इनर वर्किंग एंगल से नीचे कोणीय पृथक्करण होता है। लॉन्ग-बेसलाइन नलिंग इंटरफेरोमेट्री, ऑन-एक्सिस स्टार्लाइट को दबाकर धुंधले ग्रहीय संकेतों का पता लगाने के लिए एक समाधान प्रदान करती है। हालांकि, आवश्यक कंट्रास्ट प्राप्त करने के लिए उत्कृष्ट बीम कॉम्बिनेशन और ऑप्टिकल पाथ लेंथ नियंत्रण की आवश्यकता होती है। पारंपरिक बल्क-ऑप्टिक आर्किटेक्चर एलाइनमेंट त्रुटियों, थर्मल ड्रिफ्ट और मैकेनिकल परटर्बेशन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते जा रहे हैं। जबकि फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट्स (PICs) टेलीकम्युनिकेशंस की प्रगति का लाभ उठाते हुए एक कॉम्पैक्ट, स्केलेबल और स्थिर विकल्प प्रदान करते हैं, उनका वर्तमान डिजाइन और विनिर्माण परिशुद्धता एक्सोप्लैनेट इंस्ट्रूमेंटेशन की कठोर आवश्यकताओं के लिए अपर्याप्त है। विशेष रूप से, PIC-आधारित उपकरणों की नलिंग क्षमताओं, विशेष रूप से उनके अक्रोमैटिक प्रदर्शन और सक्रिय घटकों द्वारा पेश किए गए क्रोमैटिक प्रभावों के प्रति संवेदनशीलता को कैरेक्टराइज करने की आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने सिलिका-ऑन-सिलिकॉन प्लेटफॉर्म पर लिथोग्राफिक रूप से निर्मित फोटोनिक ट्राइकौपलर के नलिंग प्रदर्शन की जांच की। ये उपकरण Ge-डोपेड $SiO_2$ वेवगाइड कोर के साथ 2% इंडेक्स कंट्रास्ट वाले हैं। प्रायोगिक सेटअप में शामिल था:

डिवाइस आर्किटेक्चर: अध्ययन में सिंगल-इनपुट डिवाइस का उपयोग किया गया जहाँ एकीकृत Y-स्प्लिटर ऑन-चिप दो कोहेरेंट इनपुट उत्पन्न करते हैं ताकि दो टेलीस्कोप एपर्चर का अनुकरण किया जा सके। मुख्य घटकों में पैसिव स्प्लिटर (Y-स्प्लिटर, वेवलेंथ इंडिपेंडेंट कपलर [WINCs], और 2x2 मल्टीमोड इंटरफेरोमीटर [MMIs]) और सक्रिय डिवाइस शामिल थे जिनमें तीव्रता मिलान के लिए 1x2 मैक-ज़ेहंडर इंटरफेरोमीटर (MZIs) और बीम कॉम्बिनेशन के लिए ट्राइकौपलर शामिल थे।
सक्रिय नियंत्रण: वेवगाइड्स के अपवर्तनांक (refractive index) को बदलकर स्थानीय रूप से हीटिंग उत्पन्न करने और फेज शिफ्ट करने के लिए थर्मो-ऑप्टिक फेज मॉड्यूलेटर्स (TOPMs) का उपयोग किया गया। वोल्टेज नियंत्रण को एक मल्टीचैनल कंट्रोलर के माध्यम से प्रबंधित किया गया था, और चिप को तापमान स्थिरीकरण के लिए एक थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TEC) पर माउंट किया गया था।
प्रायोगिक मोड: डेटा दो मोड में प्राप्त किया गया था:
1. मोनोक्रोमैटिक फोटोमेट्री: 1590 nm लेजर और एक Xenics कैमरा का उपयोग करके सभी आउटपुट को एक साथ मापना। स्कैटरिंग कंटामिनेशन को कम करने और नलिंग पोर्ट को आइसोलेट करने के लिए पोलराइज़र और पिनहोल मास्क का उपयोग करके पोलराइजेशन फिल्टरिंग लागू की गई।
2. ब्रॉडबैंड स्पेक्ट्रल मॉनिटरिंग: एक सुपरल्यूमिनसेंट डायोड सोर्स और एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम एनालाइज़र (OSA) का उपयोग करके H-बैंड (~1550 nm) में स्पेक्ट्रल प्रदर्शन को मापना।
डिवाइस वेरिएंट्स: तीन विशिष्ट ट्राइकौपलर कॉन्फ़िगरेशन का परीक्षण किया गया: एक 1x3 ट्राइकौपलर, एक 1x5 ट्राइकौपलर, और एक 76° वेवगाइड क्रॉसिंग वाला 1x5 ट्राइकौपलर, ताकि क्रॉसिंग्स के प्रभाव का मूल्यांकन किया जा सके।

प्रमुख योगदान

पैसिव स्प्लिटिंग का कैरेक्टराइजेशन: लेखकों ने Y-स्प्लिटर, WINCs, और 2x2 MMIs की क्रोमैटिसिटी का मूल्यांकन किया, यह पहचानते हुए कि Y-स्प्लिटर बैंडपास के दौरान सबसे अधिक अक्रोमैटिक 50:50 स्प्लिटिंग प्रदान करते हैं।
ट्राइकौपलर नलिंग वैलिडेशन: अध्ययन ने बीम कॉबाइनर के रूप में प्लेनर ट्राइकौपलर का प्रयोगात्मक रूप से सत्यापन किया, जो ऑन-एक्सिस स्टार्लाइट के लिए अक्रोमैटिक नल्स बनाने में सक्षम हैं जबकि ऑफ-एक्सिस प्लैनेट लाइट को गुजरने देते हैं।
क्रोमैटिक सीमाओं का विश्लेषण: कार्य ने TOPMs द्वारा पेश की गई क्रोमैटिक गिरावट को मात्रात्मक रूप से निर्धारित किया। ट्राइकौपलर सर्किट्स के वेवलेंथ-डिपेंडेंट नुल वोल्टेज की 1x2 MZIs के साथ तुलना करके, लेखकों ने इंटरफेरोमेट्रिक सर्किट के बजाय फेज शिफ्टर की अंतर्निहित क्रोमैटिसिटी को अलग किया।
वेवगाइड क्रॉसिंग प्रभाव: एक वेवगाइड क्रॉसिंग के समावेश वाले 1x5 डिवाइस ने प्रदर्शित किया कि ऐसे क्रॉसिंग्स नुल डेप्थ को महत्वपूर्ण रूप से कम नहीं करते हैं, जो भविष्य के PICs में कॉम्पैक्ट, जटिल रूटिंग की व्यवहार्यता का समर्थन करता है।

परिणाम

मोनोक्रोमैटिक प्रदर्शन: मोनोक्रोमैटिक लाइट (1590 nm) में, उपकरणों ने -28.6 dB (1x3 डिवाइस) से -32.0 dB (क्रॉसिंग के साथ 1x5) तक नुल डेप्थ प्राप्त की।
पोलराइजेशन प्रभाव: 1x5 डिवाइस के साथ पोलराइजेशन फिल्टरिंग लागू करने पर महत्वपूर्ण सुधार देखा गया, जिससे -53.9 dB ( $4.1 \times 10^{-6}$ ) का नुल डेप्थ प्राप्त हुआ। यह इंगित करता है कि अनफिल्टर्ड मेजरमेंट्स में डिवाइस बायरेफ्रिजेंस, जो ऑर्थोगोनल पोलराइजेशन स्टेट्स के लिए अलग-अलग नुल कंडीशन पैदा करता है, एक सीमित कारक था।
ब्रॉडबैंड प्रदर्शन: पॉलीक्रोमैटिक नुल डेप्थ्स लगभग -30 dB पर मोनोक्रोमैटिक मेजरमेंट्स के सुसंगत थे। हालांकि, एक नुल प्राप्त करने के लिए इष्टतम वोल्टेज वेवलेंथ के साथ बदल गया।
क्रोमैटिसिटी विश्लेषण: अध्ययन में पाया गया कि हीटर पावर के साथ नुल वोल्टेज का ढलान ( $dV^2/d\lambda$ ) बढ़ता है। हीटर पावर ( $V^2$ ) द्वारा सामान्यीकृत होने पर, MZI और ट्राइकौपलर दोनों डिवाइसों के ढलान एक लगभग स्थिर मान ( $1/\lambda$ ) पर सिमट गए। यह पुष्टि करता है कि देखा गया क्रोमैटिक डिग्रेडेशन मुख्य रूप से थर्मो-ऑप्टिक फेज शिफ्टर्स की अंतर्निहित वेवलेंथ डिपेंडेंसी से संचालित होता है, न कि स्वयं ट्राइकौपलर आर्किटेक्चर से।
इंटेंसिटी सेंसिटिविटी: सबसे गहरे पोलराइजेशन-फिल्टर्ड नल्स के लिए, नुल डेप्थ इंटेंसिटी इम्बैलेंस के प्रति अत्यधिक संवेदनशील थी, जो इष्टतम सेटिंग्स से 0.2 V के विचलन के साथ 1–2 ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड तक गिर गई।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि इंटीग्रेटेड फोटोनिक ट्राइकौपलर कॉम्पैक्ट, ब्रॉडबैंड नलिंग इंटरफेरोमेट्री के लिए एक आशाजनक प्लेटफॉर्म प्रदान करते हैं, जो -55 dB के करीब मोनोक्रोमैटिक नुल डेप्थ और 200 nm बैंडपास पर $\lesssim$ -30 dB के पॉलीक्रोमैटिक नुल डेप्थ प्राप्त करने में सक्षम हैं। ये परिणाम हाल ही में अल्ट्राफास्ट लेजर इनस्क्रिप्शन द्वारा निर्मित 3D बीम कॉबाइनर्स के प्रदर्शन के तुलनीय हैं, और कुछ मामलों में उससे बेहतर भी हैं।

लेखक विनम्रतापूर्वक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि ट्राइकौपलर आर्किटेक्चर स्वाभाविक रूप से अक्रोमैटिक है, वर्तमान ब्रॉडबैंड प्रदर्शन थर्मो-ऑप्टिक फेज शिफ्टर्स के क्रोमैटिक रिस्पॉन्स और डिवाइस बायरेफ्रिजेंस द्वारा सीमित है। यह कार्य भविष्य के उच्च-कंट्रास्ट इंस्ट्रूमेंट्स, जैसे कि हैबिटेबल वर्ल्ड्स ऑब्जर्वेटरी के लिए एक आधार स्थापित करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि वेवगाइड क्रॉसिंग्स को प्रदर्शन हानि के बिना एकीकृत किया जा सकता है और यह पहचानते हुए कि नुल डेप्थ को और बेहतर बनाने के लिए अक्रोमैटिक फेज शिफ्टर्स और इंटेंसिटी मॉड्यूलेटर्स की आवश्यकता है। प्रस्तुत सिंगल-इनपुट कैरेक्टराइजेशन भविष्य के दो-इनपुट इंटरफेरोमेट्रिक ऑपरेशन्स के लिए एक अग्रदूत के रूप में कार्य करता है जो एक साथ नलिंग और वेवफ्रंट सेंसिंग को सक्षम करेगा।

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