Artificial Anisotropy Induced Bound States in the Continuum for Integrated Photonic Waveguide
यह शोध पत्र एकीकृत फोटोनिक वेवगाइड्स के लिए एक नया डिज़ाइन प्रतिमान प्रस्तुत करता है जो पारंपरिक बाउंड स्टेट्स इन द कॉन्टिनम (BICs) की ज्यामितीय सीमाओं को पार करने के लिए सबवेवलेंथ-ग्रेटिंग मेटामटेरियल्स के माध्यम से कृत्रिम ऑप्टिकल अनिसोट्रॉपी का उपयोग करता है, जिससे एक विस्तृत डिज़ाइन स्पेस में रेडिएशन और फील्ड लीकेज पर लचीला, नियत नियंत्रण सक्षम होता है।
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
प्रकाश आमतौर पर अनुमानित तरीकों से व्यवहार करता है। जब यह एक पारदर्शी सामग्री के माध्यम से यात्रा करता है, तो यह एक सीधी रेखा में चलता है जब तक कि यह किसी सीमा (boundary) से नहीं टकरा जाता, जहाँ यह या तो वापस उछलता है या बाहर निकल जाता है। एकीकृत फोटोनिक्स (integrated photonics) की दुनिया में, जो सूचना ले जाने के लिए नैनो चिप्स के माध्यम से प्रकाश को निर्देशित करने का विज्ञान है, यह रिसाव एक बड़ी समस्या है। इंजीनियर प्रकाश को संकीर्ण चैनलों के भीतर कैद करने के लिए बहुत प्रयास करते हैं, लेकिन भौतिकी के नियम अक्सर प्रकाश को आसपास की सामग्री में विकिरणित (radiate) होने से रोकने के लिए इसे सीमित रखना कठिन बना देते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस नियम के एक अजीब अपवाद के बारे में जानते रहे हैं, एक ऐसी घटना जहाँ प्रकाश पूरी तरह से कैद हो सकता है भले ही वह ऊर्जा अवस्थाओं के ऐसे स्पेक्ट्रम में स्थित हो जो उसे बाहर निकलने की अनुमति देती है। इस विरोधाभासी अवस्था को 'बाउंड स्टेट इन द कॉन्टिनम' (bound state in the continuum) कहा जाता है। यह एक ऐसी लहर की तरह है जो तूफान के बीच में मौजूद है लेकिन कभी गीली नहीं होती। हालांकि इस अवधारणा को अतीत में प्रदर्शित किया गया है, लेकिन इसे बनाना एक कठोर और कठिन प्रक्रिया रही है, जिसमें चिप के भौतिक आकार को अत्यधिक सटीकता के साथ ट्यून करने की आवश्यकता होती थी। यदि आयाम (dimensions) थोड़े भी गलत होते, तो प्रकाश निकल जाता और जाल विफल हो जाता।
हारबिन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और शंघाईटेक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस ट्रैपिंग तंत्र को बहुत अधिक लचीला और मजबूत बनाने का एक तरीका खोज लिया है। केवल चिप की ज्यामिति (geometry) की सटीकता पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने कृत्रिम ऑप्टिकल एनिसोट्रॉपी (artificial optical anisotropy) का उपयोग करके एक नई विधि पेश की है। इसे समझने के लिए, कल्पना करें कि प्रकाश जिस सामग्री के माध्यम से यात्रा करता है वह एक समान ब्लॉक नहीं है, बल्कि कुछ ऐसा है जो प्रकाश के चलने की दिशा के आधार पर अलग तरह से प्रतिक्रिया करता है। शोधकर्ताओं ने यह प्रभाव प्रकाश चैनल के चारों ओर सिलिकॉन में सूक्ष्म, दोहराते रहने वाले पैटर्न उकेरकर बनाया। ये पैटर्न इतने छोटे हैं कि प्रकाश व्यक्तिगत रेखाओं को देख नहीं पाता; इसके बजाय, वह एक विशेष गुणों वाली इंजीनियर की गई चिकनी सामग्री को देखता है। इन सूक्ष्म पैटर्न के अंतराल और अभिविन्यास (orientation) को समायोजित करके, वैज्ञानिक चैनल के आकार को बदले बिना यह नियंत्रित कर सके कि प्रकाश आसपास की सामग्री के साथ कैसे संपर्क करता है। यह दृष्टिकोण डिजाइन प्रक्रिया को कठोर आकारों को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने के खेल से बदलकर सामग्री के आंतरिक चरित्र को ट्यून करने की एक अधिक तरल प्रक्रिया में बदल देता है।
शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार का वेवगाइड बनाया, जो प्रकाश के लिए एक चैनल है, जिसमें एक केंद्रीय कोर के चारों ओर इस इंजीनियर की गई सामग्री की दो परतें होती हैं। एक मानक सेटअप में, कोर के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश स्वाभाविक रूप से आसपास की परतों में लीक हो जाएगा क्योंकि आसपास की सामग्री प्रकाश की कुछ प्रकार की तरंगों को कोर में मौजूद प्रकाश के समान गति पर अस्तित्व में रहने की अनुमति देती है। गति का यह मिलान आमतौर पर प्रकाश को बाहर निकलने का कारण बनता है। हालाँकि, टीम ने पाया कि अपने कृत्रमिक पैटर्न का उपयोग करके, वे इस व्यवस्था को कर सकते हैं कि बाहर निकलने वाली प्रकाश तरंगें एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द (cancel) कर दें। जब प्रकाश कोर और आसपास की परत के बीच की सीमा से टकराता है, तो यह ऐसी तरंगों में विभाजित हो जाता है जो अलग-अलग दिशाओं में यात्रा करती हैं। आसपास की सामग्री को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित किया कि विभाजित तरंगें विपरीत चरणों (phases) के साथ वापस कोर में आएँ, जिससे वे प्रभावी रूप से एक-दूसरे को मिटा दें। यह विनाशकारी हस्तक्षेप (destructive interference) प्रकाश को बाहर निकलने से रोकता है, जिससे प्रकाश को कोर के भीतर कैद कर लिया जाता है, भले ही वह ऐसी सामग्री से घिरा हो जो उसे बाहर निकलने की अनुमति देती है।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह काम करता है, टीम ने एक सिलिकॉन चिप पर उपकरण बनाए और उनका लेजर प्रकाश के साथ परीक्षण किया। उन्होंने अलग-अलग पैटर्न वाले परिवेशी परतों के साथ दो सेट वेवगाइड बनाए। पहले सेट में, पैटर्न चैनल के दोनों ओर सममित (symmetrical) रूप से संरेखित थे। जब उन्होंने गुजरने वाले प्रकाश को मापा, तो उन्होंने पाया कि चैनल की अधिकांश चौड़ाई के लिए, प्रकाश नष्ट हो गया, जैसा कि अपेक्षित था। लेकिन दो बहुत ही विशिष्ट चौड़ाई पर, नुकसान नाटकीय रूप से कम हो गया, और प्रकाश लगभग बिना किसी रिसाव के यात्रा करता रहा। एक पैटर्न के लिए, यह तब हुआ जब चैनल 750 नैनोमीटर चौड़ा था और फिर 1500 नैनोमीटर पर। एक अलग पैटर्न के लिए, कम-हानि वाले बिंदु 700 नैनोमीटर और 1450 नैनोमीटर पर स्थानांतरित हो गए। इस बदलाव ने सिद्ध किया कि शोधकर्ता केवल आसपास के पैटर्न के डिजाइन को बदलकर ठीक से नियंत्रित कर सकते थे कि प्रकाश कहाँ कैद होगा, बजाय इसके कि वे एक निश्चित आकार तक सीमित रहें। कैद हुआ प्रकाश प्रति सेंटीमीटर एक डेसिबल से कम के नुकसान के साथ यात्रा कर रहा था, जो दक्षता का एक स्तर है जो पुष्टि करता है कि प्रकाश सफलतापूर्वक सीमित किया गया था।
टीम ने यह भी पता लगाया कि जब उन्होंने डिजाइन की समरूपता (symmetry) को तोड़ा तो क्या हुआ। पिछले प्रयासों में, असममित जाल (asymmetric traps) बनाने के लिए वैज्ञानिकों को चैनल के दोनों पक्षों को भौतिक रूप से अलग बनाना पड़ता था, जो निर्माण के लिए कठिन था। यहाँ, शोधकर्ताओं ने बस एक तरफ के दूसरे पक्ष के सापेक्ष सूक्ष्म पैटर्न को घुमा दिया। इस छोटे से बदलाव ने बताया कि प्रकाश एक तरफ दूसरी तरफ की तुलना में कैसे अलग तरह से व्यवहार करता है। परिणाम यह था कि प्रकाश दोनों तरफ पूरी तरह से रद्द नहीं हुआ। इसके बजाय, प्रकाश एक तरफ दूसरी तरफ की तुलना में अधिक लीक हुआ, जिससे एक नियंत्रित, असममित प्रवाह बना। इसने उन्हें लीक होने वाले प्रकाश की मात्रा को नियंत्रित करने की अनुमति दी, जिससे उपकरण एक परिवर्तनशील रिसाव (variable leak) बन गया। उन्होंने पाया कि घुमाव के कोण को बदलकर, वे नुकसान को कुछ डेसिबल से लेकर दस डेसिबल से अधिक तक समायोजित कर सकते थे, जिससे उन्हें चिप से प्रकाश के निकलने को प्रबंधित करने के लिए एक नया उपकरण मिला।
यह कार्य ऐसे फोटोनिक उपकरण बनाने का एक नया तरीका सुझाता है जो वर्तमान तकनीक की तुलना में अधिक अनुकूलनीय हैं। इन कैद अवस्थाओं (trapped states) को एक एकल, कठोर ज्यामिति में बंधे बिना बनाने की क्षमता का अर्थ है कि इंजीनियर ऐसे चिप बना सकते हैं जो विनिर्माण त्रुटियों के प्रति अधिक सहिष्णु और उनके कार्य में अधिक बहुमुखी हों। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे आकार की एक विस्तृत श्रृंखला में इन ट्रैप्स को बना सकते हैं और प्रकाश बिना अधिक ऊर्जा खोए उनके माध्यम से यात्रा कर सकता है। उन्होंने यह भी दिखाया कि कैद किए गए प्रकाश को नियंत्रित, दिशात्मक तरीके से लीक किया जा सकता है। ये निष्कर्ष उन्नत सेंसर और संचार उपकरणों के लिए द्वार खोलते हैं जो प्रकाश को उस स्तर की सटीकता के साथ हेरफेर कर सकते हैं जो पहले प्राप्त करना कठिन था। प्रकाश चैनल के आसपास की सामग्री को एक निष्क्रिय कंटेनर के बजाय एक प्रोग्राम करने योग्य तत्व के रूप में मानकर, शोधकर्ताओं ने अगली पीढ़ी के एकीकृत फोटोनिक उपकरणों को डिजाइन करने के लिए एक सामान्य ढांचा स्थापित किया है।
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