Lithography-free in situ photonic inverse design
यह शोध पत्र एक थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट फ्री-फॉर्म प्रोग्रामेबल डिवाइस का उपयोग करके फोटोनिक इनवर्स डिज़ाइन के लिए एक लिथोग्राफी-मुक्त दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है जिसे विविध, उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल कार्यों—जैसे कि मोड परम्यूटेशन, डीमल्टीप्लेक्सिंग और मैट्रिक्स-वेक्टर गुणन—को करने के लिए इन सीटू (in situ) प्रशिक्षित किया जा सकता है, जिससे कई अनुप्रयोगों में फैब्रिकेशन लागत कम होती है और निश्चित, पारंपरिक इनवर्स-डिज़ाइन किए गए उपकरणों की सीमाओं को दूर किया जा सके।
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सूक्ष्म प्रकाश सर्किट (tiny light circuits) की दुनिया में, इंजीनियर लंबे समय से एक निराशाजनक विरोधाभास का सामना कर रहे हैं। प्रकाश के साथ किसी विशिष्ट कार्य को करने वाला उपकरण बनाने के लिए, जैसे कि विभिन्न रंगों को छाँटना या संकेतों को रूट करना, वे आमतौर पर 'इनवर्स डिजाइन' (inverse design) नामक एक विधि पर भरोसा करते हैं। यह दृष्टिकोण एक चिप के लिए आदर्श आकार की गणना करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग करता है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर इतनी जटिल और गैर-सहज संरचनाएं बनती हैं जिन्हें एक इंसान कभी नहीं बना सकता था। हालाँकि, जब वास्तविक निर्माण की बात आती है, तो यह विधि एक कठिन दीवार से टकरा जाती है। कंप्यूटर सिमुलेशन कभी भी पूरी तरह से सटीक नहीं होता; निर्माण की सूक्ष्म कमियां और भौतिक दुनिया की अव्यवस्थित वास्तविकता डिजिटल योजना और वास्तविक उपकरण के बीच एक अंतर पैदा कर देती है। जब चिप अंततः बनाई जाती है, तो यह अक्सर कंप्यूटर द्वारा किए गए अनुमान से खराब प्रदर्शन करती है। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियरों को फिर से शुरुआत करनी पड़ती है, एक नया चिप बनाना पड़ता है, उसका परीक्षण करना पड़ता है, और फिर से प्रयास करना पड़ता है। यह चक्र धीमा, महंगा है, और इसका अर्थ यह है कि एक बार चिप बन जाने के बाद, उसका कार्य हमेशा के लिए निर्धारित हो जाता है। यदि आपको एक अलग कार्य चाहिए, तो आपको एक नया चिप चाहिए।
कॉर्नेल यूनिवर्सिटी और NTT रिसर्च के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस चक्र को तोड़ने का एक तरीका खोज लिया है। एक डिजिटल सिमुलेशन को बनाने से पहले उसे पूर्ण बनाने की कोशिश करने के बजाय, उन्होंने पहले एक एकल, लचीला चिप बनाया और फिर लैब में ही उसे विभिन्न कार्य करने के लिए सिखाया। उन्होंने लिथियम नियोबेट (lithium niobate) नामक एक विशेष क्रिस्टल की एक पतली परत बनाई, जिसमें बिजली के संपर्क में आने पर प्रकाश को मोड़ने के तरीके को बदलने की अनूठी क्षमता होती है। इस स्लैब को एक प्रकाश-संवेदनशील सामग्री से ढककर, वे सतह पर प्रकाश के एक पैटर्न को चमकाकर इसके माध्यम से बहने वाली बिजली को नियंत्रित कर सकते थे। इसने उन्हें चिप की पूरी सतह को लगभग दस हजार सूक्ष्म क्षेत्रों के एक प्रोग्राम करने योग्य परिदृश्य (programmable landscape) में बदलने की अनुमति दी, जिनमें से प्रत्येक प्रकाश के गुजरने वाले पथ को बदलने में सक्षम था।
शोधकर्ताओं ने फिर एक प्रक्रिया का उपयोग किया जिसे वे "इन सीटू" (in situ) इनवर्स डिजाइन कहते हैं। डिवाइस का कंप्यूटर पर सिमुलेशन करने और यह उम्मीद करने के बजाय कि यह काम करेगा, उन्होंने भौतिक चिप को एक ऑप्टिकल सेटअप में रखा और उसे सीखने दिया। उन्होंने एक विशिष्ट कार्य को परिभाषित करने के लिए चिप पर प्रकाश का एक विशेष पैटर्न प्रोजेक्ट किया, जैसे कि प्रकाश की विभिन्न बीमों को छाँटना या संख्याओं को गुणा करना। सिस्टम ने मापा कि प्रकाश वास्तव में कैसे बाहर आ रहा है, वांछित परिणाम के साथ तुलना की, और फिर कंप्यूटर का उपयोग करके यह गणना की कि वांछित लक्ष्य के करीब पहुँचने के लिए प्रोजेक्ट किए गए प्रकाश पैटर्न को कैसे समायोजित किया जाए। मापने और समायोजित करने का यह लूप वास्तविक समय में हुआ, जिससे डिवाइस को केवल कुछ मिनटों में एक विशिष्ट कार्य के लिए एकदम सही कॉन्फ़िगरेशन खोजने में मदद मिली। क्योंकि चिप को स्थायी खांचों (grooves) के साथ उकेरा नहीं गया है, बल्कि प्रकाश द्वारा पुन: प्रोग्राम किया जाता है, इसलिए शोधकर्ता एक ही भौतिक हार्डवेयर पर एक कार्य को मिटा सकते थे और एक बिल्कुल नया कार्य लिख सकते थे।
टीम ने इस दृष्टिकोण की शक्ति को प्रदर्शित करने के लिए अपने एकल डिवाइस को विभिन्न प्रकार के फोटोनिक टूल्स में बदल दिया। उन्होंने इसे एक स्विच के रूप में प्रोग्राम किया जो चार या आठ अलग-अलग प्रकाश बीमों को पुनर्व्यवस्थित कर सकता था, उन्हें एक इनपुट से एक विशिष्ट आउटपुट तक उच्च सटीकता के साथ ले जा सकता था। उन्होंने इसे हर्मिट-गॉसियन मोड (Hermite–Gaussian modes) के रूप में ज्ञात प्रकाश पैटर्न के विभिन्न प्रकारों को अलग करने के लिए भी सिखाया, एक ऐसा कार्य जिसके लिए एक समर्पित, कस्टम-निर्मित चिप की आवश्यकता होती है। एक अन्य प्रयोग में, उन्होंने डिवाइस को रैंडम मैट्रिसेस का उपयोग करके मैट्रिक्स-वेक्टर गुणन (matrix-vector multiplication) करने के लिए कॉन्फ़िगर किया, जो ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के लिए एक आवश्यक गणितीय ऑपरेशन है। डिवाइस ने ये कार्य बहुत कम त्रुटि के साथ किए, जिससे अनचाहे सिग्नल लीकेज, जिसे क्रॉसटॉक (crosstalk) कहा जाता है, को चार-बीम पुनर्व्यवस्था के लिए नकारात्मक सत्ताईस डेसिबल (negative twenty-seven decibels) के स्तर तक कम रखा गया।
केवल प्रकाश को पुनर्व्यवस्थित करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे प्रकाश के विभिन्न रंगों, या तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के अनुसार डिवाइस के व्यवहार को नियंत्रित कर सकते हैं। उन्होंने चिप को इस तरह प्रोग्राम किया कि वह 1500 नैनोमीटर या 1600 नैनोमीटर पर प्रकाश होने पर भी समान रूप से कार्य करे, जिससे एक ऐसा डिवाइस बना जो रंग परिवर्तनों के प्रति मजबूत (robust) है। इसके विपरीत, उन्होंने इसे 1310 नैनोमीटर के प्रकाश को 1550 नैनोमीटर के प्रकाश से अलग करने वाले स्प्लिटर के रूप में कार्य करने के लिए भी प्रोग्राम किया, जिससे प्रत्येक रंग एक अलग आउटपुट पर भेजा जा सके। यह दोहरी क्षमता सिद्ध करती है कि एक ही भौतिक स्लैब को या तो रंग के अंतर को अनदेखा करने या उसका लाभ उठाने के लिए ढाला जा सकता है, जो पूरी तरह से उस प्रकाश पैटर्न पर निर्भर करता है जो उस पर प्रोजेक्ट किया गया है।
यह कार्य फोटोनिक्स के भविष्य के लिए एक नया मार्ग सुझाता है, जहाँ चिप बनाने में किया गया निवेश एक एकल कार्य पर व्यर्थ नहीं जाता है। हजारों अलग-अलग कामों के लिए थोड़े अलग चिप्स बनाने के बजाय, एक ही डिवाइस का निर्माण किया जा सकता है, उसका लक्षण वर्णन (characterization) किया जा सकता है, और फिर मांग पर किसी भी संख्या में कार्यों को करने के लिए उसे पुनर्गठित किया जा सकता है। हालांकि वर्तमान प्रोटोटाइप एक प्रयोगशाला उपकरण है जिसे संचालित करने के लिए बाहरी लेजर और कैमरों की आवश्यकता होती है, शोधकर्ता इन सिस्टमों को तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल बनाने का एक स्पष्ट मार्ग बताते हैं। सामग्रियों और प्रकाश को प्रोजेक्ट करने के तरीके में सुधार करके, उनका मानना है कि ये प्रोग्राम करने योग्य स्लैब अंततः अब की तुलना में हजारों गुना तेज़ गति से काम कर सकेंगे, जिससे वे डेटा केंद्रों और ऑप्टिकल न्यूरल नेटवर्क जैसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए व्यवहार्य बन जाएंगे। मुख्य बात यह है कि पारंपरिक चिप निर्माण की कठोर, एकमुश्त प्रकृति अब एक आवश्यकता नहीं है; प्रकाश को अब एक एकल सतह पर आकार और पुन: आकार दिया जा सकता है, जिससे एक स्थिर हार्डवेयर एक गतिशील, बहुउद्देशीय उपकरण में बदल जाता है।
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