Reconfigurable microwave photonic Fano filters based on optical Kerr microcombs

आधुनिक संचार की दुनिया में, संकेत प्रकाश की गति से यात्रा करते हैं, जो फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से विशाल मात्रा में डेटा ले जाते हैं। इस प्रवाह को समझने के लिए, इंजीनियरों को इन संकेतों को छाँटना होता है, यानी उपयोगी जानकारी को शोर (नॉइज़) से अलग करना होता है। यह छँटाई फिल्टरों द्वारा की जाती है, जो छलनी की तरह काम करते हैं, जो विशिष्ट आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) को गुजरने देते हैं जबकि अन्य को रोक देते हैं। दशकों से, इन फिल्टरों को इलेक्ट्रॉनिक सर्किट का उपयोग करके बनाया जाता रहा है, लेकिन जैसे-जैसे डेटा की गति आसमान छूने लगी है, पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स संघर्ष करने लगे हैं, क्योंकि वे एक ऐसी दीवार से टकरा रहे हैं जहाँ वे संकेतों को पर्याप्त तेजी से या पर्याप्त सटीकता के साथ प्रोसेस नहीं कर पाते। इसे दूर करने के लिए, वैज्ञानिकों ने स्वयं प्रकाश की ओर रुख किया है, जिससे 'माइक्रोवेव फोटोनिक्स' नामक एक क्षेत्र का जन्म हुआ। इस दृष्टिकोण में, माइक्रोवेव संकेतों को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश का उपयोग किया जाता है, जो अगली पीढ़ी के रडार और संचार प्रणालियों द्वारा आवश्यक विशाल बैंडविड्थ को संभालने का मार्ग प्रदान करता है। इस क्षेत्र में एक विशेष रूप से आशाजनक प्रकार का फिल्टर 'फानो फिल्टर' (Fano filter) है, जिसका नाम उस भौतिक विज्ञानी के नाम पर रखा गया है जिन्होंने पहली बार इसके अद्वितीय आकार का वर्णन किया था। मानक फिल्टरों के विपरीत, जिनका वक्र चिकना और सममित (सिमेट्रिकल) होता है, एक फानो फिल्टर का प्रोफाइल तीक्ष्ण और एक तरफ झुका हुआ होता है जिसमें अचानक गिरावट आती है। यह ढलान अत्यंत मूल्यवान है क्योंकि यह बहुत करीब स्थित आवृत्तियों के बीच अत्यधिक सटीक भेदभाव करने की अनुमति देता है, जो संकेतों की तुरंत और सटीक पहचान करने के लिए एक आवश्यक क्षमता है।

अपनी क्षमता के बावजूद, इन तीक्ष्ण, पुनर्गठित (reconfigurable) फानो फिल्टरों को बनाना एक कठिन चुनौती रही है। पिछले तरीके सूक्ष्म ऑप्टिकल रेज़ोनेटर (optical resonators) के व्यवहार की नकल करने के लिए प्रकाश की एक एकल किरण (single beam) का उपयोग करते थे, जो कि ऐसी संरचनाएं हैं जो प्रकाश को एक लूप में कैद करती हैं। हालांकि ये रेज़ोनेटर वांछित तीक्ष्ण आकार उत्पन्न कर सकते हैं, लेकिन उन्हें नियंत्रित करना बेहद कठिन होता है। उनका प्रदर्शन अक्सर एक विशिष्ट भौतिक डिजाइन में बंधा होता है, जिसका अर्थ है कि यदि कोई इंजीनियर फिल्टर के आकार को बदलना चाहता है या इसे किसी अन्य आवृत्ति के लिए ट्यून करना चाहता है, तो उन्हें अक्सर उपकरण को भौतिक रूप से बदलना पड़ता है या यह स्वीकार करना पड़ता है कि सेटिंग्स निश्चित हैं। इसके अलावा, ये ऑप्टिकल रेज़ोनेटर तापमान परिवर्तन और निर्माण संबंधी खामियों के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिन्हें स्थिर रहने के लिए निरंतर, नाजुक समायोजन की आवश्यकता होती है। परिणाम स्वरूप एक समझौता (trade-off) रहा है: इंजीनियर या तो एक तीक्ष्र फिल्टर प्राप्त कर सकते थे, या एक लचीला फिल्टर, लेकिन शायद ही कभी दोनों को एक साथ प्राप्त कर पाते थे।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन फिल्टरों को बनाने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है जो इस समझौते को तोड़ता है। एक एकल प्रकाश किरण और एक निश्चित रेज़ोनेर पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने 'ऑप्टिकल माइक्रोकॉम्ब' (optical microcomb) नामक एक विशेष प्रकाश स्रोत का उपयोग किया। एक कंघी की कल्पना करें जिसमें सैकड़ों छोटे, समान रूप से दूरी पर स्थित दांत हैं; इस मामले में, "दांत" प्रकाश की अलग-अलग रेखाएं हैं, जिनमें से प्रत्येक का रंग थोड़ा अलग है। शोधकर्ताओं ने इस कॉम्ब को एक बहु-चैनल उपकरण के रूप में उपयोग किया, जहाँ प्रकाश की प्रत्येक रेखा सिग्नल के लिए एक अलग पथ के रूप में कार्य करती है। इन कई पथों के माध्यम से माइक्रोवेव सिग्नल को एक साथ भेजकर, और फिर प्रत्येक पथ की शक्ति और समय को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे एक ऐसा फिल्टर रिस्पॉन्स तैयार करने में सक्षम रहे जो पूरी तरह से फानो फिल्टर के तीक्ष्र, एक तरफ झुके हुए आकार की नकल करता है। यह दृष्टिकोण, जिसे 'ट्रांसवर्सल फिल्टर सिस्टम' कहा जाता है, शोधकर्ताओं को सॉफ्टवेयर के माध्यम से पूरी तरह से फिल्टर के व्यवहार को प्रोग्राम करने की अनुमति देता है। वे बिना किसी हार्डवेयर को छुए, प्रकाश पथों के गुणांकों (coefficients) को पुन: प्रोग्राम करके फिल्टर के आकार, उसकी तीक्ष्क्षता और उसके केंद्र की आवृत्ति को बदल सकते हैं।

टीम ने प्रयोगशाला में इस प्रणाली का परीक्षण किया और पाया कि इसने उल्लेखनीय सटीकता के साथ प्रदर्शन किया। वे फिल्टर के ड्रॉप-ऑफ की तीक्ष्णता को लगभग 33.8 डेसीबल प्रति गीगाहर्ट्ज़ तक पहुँचाने में सक्षम रहे, जो एक माप है कि फिल्टर अवांछित संकेतों को कितनी तेजी से रोकता है। उन्होंने लगभग 25.7 डेसीबल प्रति गीगाहर्ट्ज़ की स्लोप रेट भी मापी, जो यह दर्शाती है कि फिल्टर संकेतों को गुजरने देने के लिए कितनी तीव्रता से ऊपर उठता है। ये संख्याएं पिछले तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो ऐसी तीक्ष्णता का स्तर प्रदान करती हैं जो इतनी लचीलेपन के साथ पहले प्राप्त करना कठिन था। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे फिल्टर की तीन मुख्य विशेषताओं को स्वतंत्र रूप से ट्यून कर सकते थे: इसकी विषमता (asymmetry), इसके रेजोनेंस की चौड़ाई, और इसकी केंद्र आवृत्ति। पहले की प्रणालियों में, एक विशेषता को बदलने से अक्सर दूसरी विशेषता विकृत हो जाती थी, लेकिन यहाँ, शोधकर्ता प्रत्येक को उच्च सटीकता के साथ अलग से समायोजित कर सकते थे। उदाहरण के लिए, वे केवल ऑप्टिकल शेपर को भेजे जाने वाले डिजिटल निर्देशों को अपडेट करके, बिना अपनी स्थिति बदले फिल्टर के आकार को अधिक एकतरफा बना सकते थे या इसके बैंडविड्थ को चौड़ा कर सकते थे।

इस नए सिस्टम की स्थिरता एक अन्य प्रमुख निष्कर्ष है। चूंकि यह फिल्टर किसी एकल ऑप्टिकल रेज़ोनेटर के नाजुक संरेखण (alignment) पर निर्भर नहीं करता है, इसलिए यह तापमान के बदलाव या मामूली कंपन के प्रति बहुत कम संवेदनशील है। शोधकर्ताओं ने कई घंटों तक सिस्टम चलाया और देखा कि फिल्टर का प्रदर्शन लगभग अपरिवर्तित रहा, जो एक मजबूती को प्रदर्शित करता है जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। हालांकि वर्तमान सेटअप फाइबर ऑप्टिक केबल और लेजर जैसे अलग-अलग घटकों का एक संग्रह उपयोग करता है, जो इसे कुछ हद तक बड़ा बनाता है, लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत ऐसी तकनीक पर आधारित है जो तेजी से लघु रूप (miniaturized) में आ रही है। माइक्रोकॉम्ब का उपयोग "टैप्स" या सिग्नल पथों की एक विशाल संख्या प्रदान करता है, जो इतने सटीक फिल्टर को बनाने के लिए आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जैसे-जैसे इन पथों की संख्या बढ़ती है, फिल्टर और भी सटीक होता जाता है, जो आदर्श गणितीय आकार के करीब पहुँच जाता है।

यह कार्य सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए एक नया तकनीकी मार्ग खोलता है, जो निश्चित ऑप्टिकल रेज़ोनेटर के कठोर प्रतिबंधों से हटकर एक लचीले, सॉफ्टवेयर-परिभाषित दृष्टिकोण की ओर बढ़ता है। यह सिद्ध करके कि एक माइक्रोकॉम्ब-चालित प्रणाली इन जटिल फिल्टर आकारों को उच्च गति और स्थिरता के साथ संश्लेषित कर सकती है, शोधकर्ताओं ने भविष्य की संचार और सेंसिंग प्रौद्योगिकियों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान किया है। फिल्टर को चलते-फिरते (on the fly) पुनर्गठित करने की क्षमता का अर्थ है कि एक ही उपकरण विभिन्न कार्यों के अनुकूल हो सकता है, जो भौतिक रूप से पुनर्निर्माण की आवश्यकता के बिना रडार डिटेक्शन से लेकर उच्च-गति डेटा ट्रांसमिशन तक सब कुछ संभाल सकता है। परिणाम बताते हैं कि पिछले तरीकों की सीमाओं को पार कर लिया गया है, जो फानो फिल्टर की तीव्र प्रदर्शन क्षमता और आधुनिक तकनीक की गतिशील मांगों के लिए आवश्यक अनुकूलन क्षमता का एक बहुमुखी समाधान प्रदान करता है।