Highly Reconfigurable Microwave Photonic All-Pass Filters based on Optical Microcombs

वायरलेस संचार की अदृश्य दुनिया में, संकेत ऊर्जा की तरंगों के रूप में यात्रा करते हैं, जो फोन कॉल से लेकर रडार इमेज तक सब कुछ ले जाते हैं। इन संकेतों को उपयोगी बनाने के लिए, इंजीनियरों को उन्हें आकार देना होता है, अक्सर उनके समय (timing) या फेज़ (phase) को समायोजित करके—जो कि एक तरंग के अपने चक्र में सटीक स्थिति के लिए एक तकनीकी शब्द है। एक तरंग की कल्पना समुद्र की एक लुढ़कती लहर के रूप में करें; फेज़ को बदलने का अर्थ है उस लहर के शिखर (crest) को उसकी ऊंचाई बदले बिना थोड़ा आगे या पीछे खिसकाना। सिग्नल की शक्ति को बदले बिना समय को नियंत्रित करने की यह क्षमता आधुनिक तकनीकों जैसे रडार सिस्टम और फेज़्ड एरे एंटेना के लिए महत्वपूर्ण है, जो भौतिक भागों को हिलाने के बजाय ऊर्जा की किरणों को इलेक्ट्रॉनिक रूप से निर्देशित करते हैं। दशकों से, ऐसे उपकरण बनाना जो उच्च सटीकता और लचीलेपन के साथ इस नाजुक समय समायोजन को कर सकें, एक चुनौती रही है। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक तरीके गति और बैंडविड्थ में संघर्ष करते हैं, जबकि पुराने ऑप्टिकल तरीके अक्सर सिग्नल लॉस से जूझते हैं या एक बार बनने के बाद आसानी से पुनर्गठित होने की क्षमता नहीं रखते।

स्विनबर्न यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के एक शोधकर्ता ने अब एक विशेष उपकरण जिसे 'ऑप्टिकल माइक्रोकॉम्ब' कहा जाता है, का उपयोग करके इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। यह उपकरण प्रकाश की एक एकल किरण उत्पन्न करता है जो दर्जनों अलग-अलग, समान रूप से दूरी पर स्थित रंगों में विभाजित हो जाती है, ठीक वैसे ही जैसे एक कंघी के दांत होते हैं। इन कई रंगों को अलग-अलग चैनलों के रूप में उपयोग करके, शोधकर्ता ने एक ऐसा फिल्टर बनाया जो माइक्रोवेव संकेतों को उल्लेखनीय नियंत्रण के साथ आकार दे सकता है। उन्होंने दिखाया कि यह प्रणाली 'ऑल-पास फिल्टर' बना सकती है, जो सिग्नल को कमजोर किए बिना उसके समय को बदल देती है। शोधकर्ता ने सफलतापूर्वक इस फिल्टर के संस्करण बनाए और परीक्षण किए जो केवल सॉफ्टवेयर सेटिंग्स बदलकर, भौतिक भागों को बदले बिना, तुरंत पुन: प्रोग्राम (reprogram) किए जा सकते थे। यह दृष्टिकोण सिग्नल के समय में सटीक समायोजन करने की अनुमति देता है, जिससे एक ट्रिलियनवें सेकंड (पिकोसेकंड) तक का विलंब (delay) प्राप्त होता है, जबकि सिग्नल की शक्ति लगभग स्थिर रहती है।

इस कार्य का मूल एक ऐसी प्रणाली में निहित है जो प्रकाश और रेडियो तरंगों को एक साथ जोड़ती है, जिसे माइक्रोवेव फोटोनिक्स कहा जाता है। केवल एक प्रकाश किरण पर निर्भर रहने के बजाय, शोधकर्ता ने माइक्रोवेव संकेतों को आकार देने के लिए माइक्रोकॉम्ब का उपयोग करके एक ट्रांसवर्सल फिल्टर बनाया। इस सेटअप में, माइक्रोकॉम्ब के विभिन्न रंग व्यक्तिगत 'टैप्स' या चैनलों के रूप में कार्य करते हैं। प्रत्येक चैनल आने वाले माइक्रोवेव सिग्नल की एक प्रति ले जाता है, लेकिन एक विशिष्ट भार (weight) और अपने पड़ोसियों की तुलना में एक सूक्ष्म विलंब के साथ। जब इन विलंबित प्रतियों को वापस एक साथ लाया जाता है और पहचाना जाता है, तो वे एक नए सिग्नल के रूप में संयोजित होते हैं जिसका एक विशिष्ट टाइमिंग प्रोफाइल होता है। इस डिजाइन की बुद्धिमत्ता यह है कि प्रत्येक रंग चैनल को दिए गए भार को सॉफ्टवेयर के माध्यम से समायोजित करके, शोधकर्ता फिल्टर के व्यवहार को पूरी तरह से बदल सकता है। वे भौतिक हार्डवेयर को छुए बिना विभिन्न प्रकार के फिल्टरों के बीच स्विच कर सकते हैं, उस केंद्र आवृत्ति (center frequency) को बदल सकते हैं जहाँ समय का बदलाव सबसे अधिक होता है, या यह बदल सकते हैं कि समय का बदलाव कितनी तीव्रता से होता है।

इस अवधारणा को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ता ने एक प्रयोगात्मक सेटअप तैयार किया जो एक निरंतर लेजर बीम से शुरू हुआ। इस बीम को प्रवर्धित (amplify) किया गया और एक छोटे रिंग रेज़ोनेटर में भेजा गया, जो कांच का एक सूक्ष्म लूप है जिसने प्रकाश को कैद किया और गैर-रेखीय अंतःक्रियाओं (nonlinear interactions) के माध्यम से माइक्रोकॉम्ब उत्पन्न किया। परिणामी प्रकाश में मानक दूरसंचार रेंज के भीतर 90 अलग-अलग रेखाएं शामिल थीं, जो एक जटिल फिल्टर बनाने के लिए पर्याप्त चैनल प्रदान करती थीं। चूंकि माइक्रोकॉम्ब से प्रारंभिक प्रकाश की चमक पूरी तरह से समान नहीं थी, इसलिए शोधकर्ता ने सभी रंगों में पावर लेवल को समतल करने के लिए एक स्पेक्ट्रल शेपर का उपयोग किया। इसने यह सुनिश्चित किया कि प्रत्येक चैनल अंतिम सिग्नल में समान योगदान दे। इस समतल प्रकाश को फिर प्रवर्धित किया गया और एक मॉड्यूलेटर में भेजा गया, जहाँ फ़िल्टर किए जाने वाले माइक्रोवेव सिग्नल को प्रकाश पर अंकित किया गया।

सिग्नल फिर ऑप्टिकल फाइबर के एक लंबे कॉइल से होकर गुजरा, जिसने विभिन्न रंग चैनलों के बीच एक सटीक विलंब पेश किया। यही विलंब फिल्टर के संचालन की कुंजी है; यह सुनिश्चित करता है कि सिग्नल की प्रतियां डिटेक्टर पर थोड़े अलग समय पर पहुंचें, जिससे उन्हें एक नियंत्रित तरीके से एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) करने की अनुमति मिले। अंत में, एक बैलेंस्ड फोटोडिटेक्टर ने विभिन्न चैनलों से संकेतों को संयोजित किया, जिससे प्रकाश को वापस एक विद्युत माइक्रोवेव सिग्नल में बदल दिया गया। शोधकर्ता ने इस प्रणाली का परीक्षण करने के लिए इसे 'फर्स्ट-ऑर्डर' और 'सेकंड-ऑर्डर' फिल्टर के रूप में प्रोग्राम किया, जो सिग्नल को आकार देने के विभिन्न स्तरों के जटिलता को दर्शाते हैं।

अपने प्रयोगों में, शोधकर्ता ने पाया कि सिस्टम ने उच्च सटीकता के साथ प्रदर्शन किया। फर्स्ट-ऑर्डर फिल्टर के लिए, उन्होंने सिग्नल आयाम (amplitude) में लगभग 1.95 डेसिबल का अधिकतम अंतर प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि सिग्नल की शक्ति बहुत स्थिर रही, जबकि लगभग 580 पिकोसेकंड का अधिकतम ग्रुप डिले प्राप्त किया गया। अधिक जटिल सेकंड-ऑर्डर फिल्टर के लिए, आयाम का उतार-चढ़ाव भी लगभग 2.01 डेसिबल के समान कम था, लेकिन सिस्टम ने लगभग 1,740 पिकोसेकंड का बहुत बड़ा विलंब प्राप्त किया। इन परिणामों ने पुष्टि की कि फिल्टर सिग्नल की शक्ति को विकृत किए बिना उसके फेज़ को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकता है। इसके अलावा, शोधकर्ता ने प्रदर्शित किया कि वे फिल्टर के गुणों को स्वतंत्र रूप से या एक साथ ट्यून कर सकते हैं। वे केवल टैप गुणांकों (tap coefficients) के भार को पुन: प्रोग्राम करके फिल्टर की केंद्र आवृत्ति को बदल सकते थे या फेज़ ट्रांज़िशन की तीव्रता को समायोजित कर सकते थे। इस लचीलेपन ने उन्हें विभिन्न आवृत्तियों पर फिल्टर को स्थानांतरित करते समय भी निरंतर प्रदर्शन बनाए रखने की अनुमति दी, जो पारंपरिक हार्डवेयर-आधारित फिल्टरों के साथ करना कठिन है।

यह अध्ययन पिछले तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण लाभ को उजागर करता है। पुराने दृष्टिकोण अक्सर निष्क्रिय ऑप्टिकल फिल्टरों पर निर्भर थे, जैसे कि माइक्रो-रिंग रेज़ोनेटर, जो अपनी भौतिक संरचना द्वारा सीमित होते हैं। उन फिल्टरों के व्यवहार को बदलने के लिए आमतौर पर भौतिक समायोजन या थर्मल ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है, जो धीमी और कम सटीक हो सकती है। इसके विपरीत, माइक्रोकॉम्ब-संचालित प्रणाली उच्च स्तर की पुनर्गठन क्षमता (reconfigurability) प्रदान करती है। शोधकर्ता ने दिखाया कि केवल सॉफ्टवेयर निर्देशों को बदलकर, वे फिल्टर ऑर्डर को बदल सकते हैं, केंद्र आवृत्ति को समायोजित कर सकते हैं और विलंब विशेषताओं को संशोधित कर सकते हैं। यह क्षमता अधिक बहुमुखी और गतिशील सिग्नल प्रोसेसिंग प्रणालियों की ओर एक मार्ग का सुझाव देती है। शोधकर्ता ने उल्लेख किया कि हालांकि उनके वर्तमान सेटअप में फाइबर कॉइल और अलग लेजर जैसे असतत घटकों का उपयोग किया गया था, पूरे सिस्टम को एक सिंगल चिप पर एकीकृत किया जा सकता है। ऐसा एकीकरण आकार, वजन और बिजली की खपत को कम करेगा, जिससे यह उन्नत रडार और उच्च गति संचार जैसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए अधिक व्यावहारिक बन जाएगा।

शोधकर्ता ने अपने दृष्टिकोण की सीमाओं को भी संबोधित किया। उन्होंने देखा कि सिग्नल का आयाम पूरी तरह से सपाट नहीं था, जिसमें छोटी लहरें (ripples) देखी गईं जो पिछले कुछ अध्ययनों में देखी गई लहरों से थोड़ी अधिक थीं। उन्होंने इसका श्रेय अपने तरीके की अंतर्निहित प्रकृति को दिया, जो एक आदर्श प्रतिक्रिया का अनुमान लगाने के लिए सीमित संख्या में चैनलों का उपयोग करता है, साथ ही शोर और प्रयोगात्मक घटकों की खामियों को भी जिम्मेदार ठहराया। हालांकि, उन्होंने पाया कि चैनलों या 'टैप्स' की संख्या बढ़ाने से इन लहरों में काफी कमी आई, जिससे प्रदर्शन आदर्श के करीब पहुँच गया। उन्होंने यह भी नोट किया कि उनकी प्रणाली स्वाभाविक रूप से अन्य ऑप्टिकल फिल्टरों में पाई जाने वाली स्थिरता की समस्याओं से बचती है, क्योंकि यह कई अनुनाद गुहाओं (resonant cavities) को संरेखित करने पर निर्भर नहीं है। उनके द्वारा उपयोग किए गए 'सॉलिटन-क्रिस्टल माइक्रोकॉम्ब' ने लंबे समय तक स्थिर संचालन प्रदर्शित किया है, जो बताता है कि यह प्रणाली दीर्घकालिक उपयोग के लिए विश्वसनीय हो सकती है।

यह कार्य प्रकाश का उपयोग करके माइक्रोवेव संकेतों को नियंत्रित करने की क्षमता में एक महत्वपूर्ण प्रगति है। ऑप्टिकल माइक्रोकॉम्ब्स के अद्वितीय गुणों का लाभ उठाकर, शोधकर्ता ने एक ऐसा फिल्टर बनाया है जो उच्च-प्रदर्शन वाला और अत्यधिक लचीला है। हार्डवेयर को बदले बिना फिल्टर की प्रतिक्रिया को प्रोग्राम करने की क्षमता गतिशील सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए नई संभावनाएं खोलती है। जैसे-जैसे यह तकनीक परिपक्व होगी और एकीकृत चिप समाधानों की ओर बढ़ेगी, यह भविष्य के संचार और सेंसिंग सिस्टम की जटिल समय आवश्यकताओं को प्रबंधित करने के लिए एक मानक उपकरण बन सकती है। फर्स्ट-ऑर्डर और सेकंड-ऑर्डर दोनों फिल्टरों का प्रदर्शन, और उनके मापदंडों का सफल ट्यूनिंग, इस क्षेत्र में आगे के विकास के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है।