Microcomb-driven parallel coherent detection and communication enabled by a power-free optical phased array
यह शोध पत्र एक ऑल-सॉलिड-स्टेट, अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट सिस्टम प्रस्तुत करता है जो सिलिकॉन नाइट्राइड माइक्रोकोम्ब और एक ज़ीरो-पावर ऑप्टिकल फेज़्ड एरे का लाभ उठाकर हाई-फ्रेम-रेट LiDAR और मल्टी-यूज़र नेटवर्क के लिए समानांतर कोहेरेंट डिटेक्शन, फ्री-स्पेस ऑप्टिकल कम्युनिकेशन, और एकीकृत डिटेक्शन-एंड-कम्युनिकेशन को एक साथ सक्षम बनाता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ देखने वाली मशीनें और बात करने वाली मशीनें अब अलग-अलग, भारी उपकरण नहीं, बल्कि एकीकृत, सूक्ष्म प्रणालियाँ हैं जो एक साथ दोनों कार्य करने में सक्षम हैं। दशकों से, वह तकनीक जो स्वयं-चालित कारों को अपने परिवेश को "देखने" की अनुमति देती है और वह तकनीक जो वायरलेस रूप से डेटा की विशाल मात्रा प्रसारित करती है, दोनों ही एक ही मौलिक उपकरण पर निर्भर रही हैं: प्रकाश। हालाँकि, प्रकाश का उपयोग करने वाली पारंपरिक प्रणालियाँ एक बड़ी बाधा से जूझती रही हैं। परिवेश को स्कैन करने या एक साथ कई लोगों को डेटा भेजने के लिए, इंजीनियरों को आमतौर पर उन यांत्रिक भागों का उपयोग करना पड़ता था जो बीम को निर्देशित करने के लिए भौतिक रूप से घूमते थे, या उन्हें दर्जनों अलग-अलग लेजर लगाने पड़ते थे, जिससे सिस्टम महंगा, भारी और स्केल करने में कठिन हो जाता था। लंबे समय से सपना यह रहा है कि एक ऐसा सिस्टम बनाया जाए जो बिना किसी चलते हुए भाग के, एक ही सूक्ष्म चिप से, एक ही समय में कई दिशाओं में प्रकाश की कई बीमों को प्रोजेक्ट कर सके।
झेजियांग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस सपने को हकीकत बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक नए प्रकार के उपकरण का निर्माण और परीक्षण किया है जो एक विशेष प्रकाश स्रोत को एक अद्वितीय एंटीना एरे के साथ जोड़ता है ताकि एक ऐसा सिस्टम बनाया जा सके जो एक साथ वस्तुओं का पता लगा सके और कई उपयोगकर्ताओं के साथ संचार कर सके। उनका मुख्य नवाचार एक "माइक्रोकोम्ब" (microcomb) है, जो एक ऐसा प्रकाश स्रोत है जो स्वाभाविक रूप से एक साथ कई अलग-अलग रंगों का प्रकाश उत्पन्न करता है, जो एक एकल लेजर की तरह कार्य करता है जिसे समानांतर बीमों के इंद्रधनुष में विभाजित किया गया है। इन बीमों को लक्षित करने के लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स या मोटरों का उपयोग करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने एक सिलिकॉन-आधारित चिप डिजाइन की है जो प्रकाश के प्राकृतिक गुणों और चिप के आकार का उपयोग करके प्रत्येक रंग के प्रकाश को अलग दिशा में भेजती है। यह दृष्टिकोण बीम को निर्देशित करने के लिए ऊर्जा-खपत करने वाले इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे सिस्टम को बीम स्टीयरिंग के लिए शून्य ऊर्जा खपत के साथ संचालित करने की अनुमति मिलती है।
शोधकर्ताओं ने इस तकनीक का प्रदर्शन करने के लिए एक इतनी छोटी चिप बनाई जिसे उंगली के पोर पर रखा जा सकता है, जिसका माप केवल 1.8 गुणा 4.0 मिलीमीटर है। इस सूक्ष्म सतह पर, उन्होंने सूक्ष्म वेवगाइड्स और ग्रेटिंग एंटेना की एक श्रृंखला व्यवस्थित की जो एक निष्क्रिय स्टीयरिंग तंत्र के रूप में कार्य करते हैं। जब माइक्रोकोम्ब से आने वाला बहु-रंगीन प्रकाश चिप में प्रवेश करता है, तो विभिन्न रंग स्वाभाविक रूप से अलग हो जाते हैं और उन्हें विशिष्ट कोणों पर हवा में भेजा जाता है, जिससे प्रकाश के धब्बों का एक ग्रिड बनता है। क्योंकि चिप एक दर्पण डिजाइन का उपयोग करती है, यह डिवाइस के आकार को बढ़ाए बिना इन धब्बों की संख्या को प्रभावी रूप से दोगुना कर देती है। अपने प्रयोगों में, टीम ने दिखाया कि यह सेटअप 22.3 डिग्री गुणा 9.1 डिग्री के क्षेत्र को कवर करने वाला दृश्य क्षेत्र (field of view) उत्पन्न कर सकता है, जिसमें अंतरिक्ष के सैकड़ों अलग-अलग स्थानों को संबोधित करने के लिए पर्याप्त विशिष्ट बिंदु हैं। बीम तीक्ष्ण और केंद्रित थे, जिसमें अनचाहे क्षेत्रों में बहुत कम प्रकाश फैला, जिससे यह सिद्ध हुआ कि सिस्टम विभिन्न लक्ष्यों के बीच स्पष्ट रूप से अंतर कर सकता है।
इस प्रणाली के व्यावहारिक मूल्य का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो महत्वपूर्ण कार्यों को एक साथ करने के लिए इसका उपयोग किया: दूरी मापना और डेटा भेजना। दूरी मापने के लिए, उन्होंने एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जहाँ प्रकाश समय के साथ आवृत्ति (frequency) में थोड़ा बदल जाता है। एक "U" आकार के लक्ष्य और एक सपाट बोर्ड से इस प्रकाश को परावर्तित करके, सिस्टम प्रत्येक वस्तु की दूरी को उच्च सटीकता के साथ गणना करने में सक्षम था। परिणामों ने दिखाया कि सिस्टम लगभग आधे मीटर दूर स्थित U-आकार के लक्ष्य को पीछे स्थित बोर्ड से स्पष्ट रूप से अलग कर सका। साथ ही, उन्होंने एक ही प्रकाश बीम एरे का उपयोग कई रिसीवरों को उच्च गति वाला डेटा भेजने के लिए किया। एक प्रूफ-ऑफ-कॉसेप्ट प्रदर्शन में, उन्होंने एक साथ ग्यारह अलग-अलग उपयोगकर्ताओं को डिजिटल जानकारी प्रसारित की, जिसमें प्रत्येक उपयोगकर्ता को डेटा की एक अलग स्ट्रीम प्राप्त हुई। सिग्नल की गुणवत्ता इतनी मजबूत थी कि उसे स्पष्ट रूप से पढ़ा जा सकता था, जो यह दर्शाता है कि सिस्टम बिना बीमों के एक-दूसरे में हस्तक्षेप किए उच्च-गति संचार को संभाल सकता है।
शायद सबसे सम्मोहक प्रदर्शन इन दोनों कार्यों को एक एकल, एकीकृत प्रक्रिया में एकीकृत करना था। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि प्रकाश का वही सेट एक सेंसर और एक संचार लिंक दोनों के रूप में कार्य कर सकता है। इस परिदृश्य में, प्रकाश बीमों को कई उपयोगकर्ताओं की दूरी का पता लगाने के साथ-साथ उन्हें डेटा देने के लिए भेजा गया। सिस्टम ने सफलतापूर्वक चार अलग-अलग उपयोगकर्ताओं की दूरी को मापा और साथ ही उन्हें डेटा भी पहुँचाया, जहाँ रिसीवर सेंसर के लिए लक्ष्य और संदेश के प्राप्तकर्ता दोनों के रूप में कार्य कर रहे थे। यह दोहरी क्षमता सुझाव देती है कि भविष्य में एक एकल, कॉम्पैक्ट डिवाइस एक रोबोट को नेविगेट करने के लिए "आंखें" और अन्य मशीनों से बात करने के लिए "आवाज" प्रदान कर सकता है, और वह भी भारी, बिजली की खपत करने वाले घटकों के बिना।
इस प्रयोग की सफलता एक ऐसे डिजाइन पर टिकी है जो पिछले प्रयासों से मौलिक रूप से भिन्न है। शुरुआती सिस्टमों में अक्सर हर एक एंटीना के लिए प्रकाश के चरण (phase) को समायोजित करने के लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों की आवश्यकता होती थी, जो काफी ऊर्जा की खपत करता था और जिसमें जटिल वायरिंग की आवश्यकता होती थी। यह नया डिजाइन उन आवश्यकताओं को पूरी तरह से दरकिनार कर देता है। चिप के भीतर प्रकाश द्वारा तय किए जाने वाले पथ की लंबाई और एंटेना के बीच की दूरी को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, शोधकर्ताओं ने सुनिश्चित किया कि प्रकाश बाहर निकलते समय स्वाभाविक रूप से सही पैटर्न बनाता है। बीम को स्टीयर करने के लिए यह "शून्य शक्ति" वाला दृष्टिकोण इस प्रणाली को न केवल सरल और सस्ता बनाता है, बल्कि अधिक विश्वसनीय भी बनाता है, क्योंकि इसमें कोई चलते हुए भाग या विफल होने वाले इलेक्ट्रॉनिक सर्किट नहीं हैं। संपूर्ण उपकरण का निर्माण मानक विनिर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके किया गया था, जो यह सुझाव देता है कि इसे बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकता है।
हालांकि वर्तमान प्रोटोटाइप माइक्रोकोम उत्पन्न करने के लिए प्रयोगशाला प्रकाश स्रोत का उपयोग करता है, शोधकर्ता बताते हैं कि आगे का मार्ग उसी चिप पर प्रकाश स्रोत को सीधे एकीकृत करने की ओर है। यह एक पूरी तरह से आत्मनिर्भर इकाई बनाएगा, जिससे बाहरी कनेक्शनों की आवश्यकता समाप्त हो जाएगी और आकार तथा बिजली की आवश्यकताओं में और कमी आएगी। टीम ने यह भी पहचाना कि चिप पर प्रकाश की शक्ति को बढ़ाने के लिए एम्पलीफायर जोड़ने से इस प्रणाली की सीमा बढ़ सकती है, जिससे यह लंबी दूरी के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाएगी। ये संभावित सुधार संकेत देते हैं कि इस तकनीक को स्वायत्त वाहनों से लेकर स्मार्ट सिटी इंफ्रास्ट्रक्चर तक सब कुछ में शामिल किया जा सकता है।
यहाँ प्रस्तुत कार्य इस क्षेत्र में हर चुनौती को हल करने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह लागत और जटिलता की पारंपरिक कमियों के बिना समानांतर पहचान और संचार प्राप्त करने का एक स्पष्ट और प्रमाणित तरीका प्रदान करता है। एक एकल, निष्क्रिय चिप द्वारा सैकड़ों प्रकाश बीमों को एक साथ प्रबंधित करने की क्षमता प्रदर्शित करके, शोधकर्ताओं ने सभी-ठोस-अवस्था (all-solid-state) प्रणालियों के विकास के लिए एक नया द्वार खोल दिया है। परिणाम पुष्टि करते हैं कि एक एकीकृत, अत्यंत-लघु प्लेटफॉर्म का उपयोग करके उच्च-फ्रेम-रेट सेंसिंग और उच्च-क्षमता संचार करना संभव है। जैसे-जैसे यह तकनीक परिपक्व होगी, यह बुद्धिमान प्रणालियों के दुनिया को देखने और बातचीत करने के तरीके को बदलने का वादा करती है, जिससे देखने और बोलने के जटिल कार्य को एक सहज, कुशल संचालन में बदल दिया जाएगा।
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