Frequency-agile integrated mid-infrared electro-optic comb

प्रकाश का मध्य-अवरक्त (mid-infrared) क्षेत्र एक छिपी हुई दुनिया है जहाँ अणु अपनी सबसे विशिष्ट भाषा बोलते हैं। जबकि वह प्रकाश जिसे हम अपनी आँखों से देखते हैं या रिमोट कंट्रोल में उपयोग किया जाने वाला अवरक्त प्रकाश छोटी तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर स्थित होता है, मध्य-अवरक्त लगभग तीन से चौदह माइक्रोमीटर तक फैला हुआ है। इस सीमा में, वे रासायनिक बंधन जो अणुओं को एक साथ जोड़ते हैं, ऐसी आवृत्तियों पर कंपन करते हैं जो प्रकाश को उल्लेखनीय विशिष्टता के साथ अवशोषित करती हैं। पानी की एक बूंद, मीथेन का एक झोंका, या किसी प्रदूषक का एक अंश यहाँ एक अद्वितीय फिंगरप्रिंट छोड़ देता है, जो इस स्पेक्ट्रल रेंज को पदार्थों की पहचान करने के लिए अत्यधिक संवेदनशीलता के साथ स्वर्ण मानक बनाता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस शक्ति का उपयोग कॉम्पैक्ट, पोर्टेबल सेंसर बनाने के लिए करना चाहते थे जो वास्तविक समय में पर्यावरणीय गैसों से लेकर जैविक मार्करों तक सब कुछ पहचान सकें। हालाँकि, एक ऐसा प्रकाश स्रोत बनाना जो इन सूक्ष्म संकेतों को देखने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हो और इतना छोटा हो कि एक चिप पर फिट हो सके, एक कठिन चुनौती रही है। पारंपरिक उपकरण अक्सर बहुत बड़े, बहुत अधिक बिजली खपत करने वाले, या उन कई अलग-अलग तरंग दैर्ध्यों को कवर करने में असमर्थ होते हैं जिनकी आवश्यकता कई विभिन्न अणुओं को एक साथ देखने के लिए होती है।

ETH ज्यूरिख के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया प्रकार का प्रकाश स्रोत बनाया है जो इस अंतर को पाटता है, जिससे एक कॉम्पैक्ट डिवाइस तैयार हुआ है जो सीधे सिलिकॉन-आकार की चिप पर मध्य-अवरक्त प्रकाश का एक विस्तृत स्पेक्ट्रम उत्पन्न करने में सक्षम है। उनका कार्य, जो हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में प्रदर्शित किया गया है, एक विधि को दर्शाता है जिसमें निकट-अवरक्त (near-infrared) प्रकाश की एक स्थिर, निरंतर बीम और टेलीकॉम-बैंड प्रकाश की एक अलग, तेजी से झिलमिलाती बीम को लिया जाता है और उन्हें मध्य-अवरक्त आवृत्तियों की एक नई, ट्यून करने योग्य 'कॉम्ब' (comb) बनाने के लिए आपस में मिलाया जाता है। यह "फ्रीक्वेंसी कॉम्ब" प्रकाश के लिए एक पैमाने (रूलर) की तरह कार्य करता है, जो आणविक हस्ताक्षरों को उच्च सटीकता के साथ मापने के लिए समान रूप से व्यवस्थित रेखाएँ प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने यह उपलब्धि लिथियम नियोबेट (lithium niobate) की एक पतली फिल्म का उपयोग करके हासिल की, जो प्रकाश को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाने वाली एक क्रिस्टल है, जिसे उन्होंने मिश्रण प्रक्रिया को निर्देशित करने के लिए सूक्ष्म पैटर्न के साथ इंजीनियर किया था। उन्होंने इस चिप के दो अलग-अलग संस्करणों का परीक्षण किया: एक जो एक मानक कांच जैसे आधार (substrate) पर बना था और दूसरा जो एक नीलम (sapphire) आधार पर बना था। परिणामों ने दिखाया कि लंबी, अधिक उपयोगी तरंग दैर्ध्य के छोर पर प्रकाश उत्पन्न करने के लिए नीलम वाला संस्करण कहीं अधिक श्रेष्ठ था, जिसने एक प्रमुख सीमा को दूर कर दिया जो पिछले प्रयासों में बाधा बनी हुई थी।

उनके आविष्कार का मूल तत्व यह है कि वे प्रकाश कैसे उत्पन्न करते हैं। सीधे मध्य-अवरक्त प्रकाश बनाने की कोशिश करने के बजाय, जो एक छोटी चिप पर नियंत्रित करना कठिन है, वे निकट-अवरक्त प्रकाश के दो स्रोतों से शुरुआत करते हैं। एक 1063 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर एक स्थिर, निरंतर बीम है। दूसरा 1550 नैनोमीटर की बीम है, जो दूरसंचार में उपयोग की जाने वाली मानक तरंग दैर्ध्य है, जिसे उन्होंने एक फ्रीक्वेंसी कॉम्ब में बदल दिया है। इस दूसरी बीम को बनाने के लिए, वे इसे एक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर के माध्यम से गुजारते हैं, जो एक रेडियो-फ्रीक्वेंसी सिग्नल का उपयोग करके प्रकाश के चरण (phase) को तेजी से बदलता है, जिससे प्रभावी रूप से उस पर समान रूप से व्यवस्थित साइडबैंड्स की एक श्रृंखला अंकित हो जाती है। यह आवृत्तियों की एक "कॉम्ब" बनाता है जो निकट-अवरक्त क्षेत्र में होती है। इन दोनों बीमों को फिर संयोजित किया जाता है और चिप के एक विशेष भाग में भेजा जाता है जहाँ वे परस्पर क्रिया करते हैं। 'डिफरेंस-फ्रीक्वेंसी जनरेशन' नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से, दोनों बीम क्रिस्टल के भीतर आपस में मिलते हैं और एक नई बीम उत्पन्न करते हैं जो कम आवृत्ति पर होती है, जो मध्य-अवरक्त रेंज के अनुरूप होती है। इस नए मध्य-अवरक्त कॉम्ब के बीच की दूरी उस रेडियो फ्रीक्वेंसी द्वारा निर्धारित होती है जिसका उपयोग मॉड्यूलेटर को चलाने के लिए किया जाता है, जबकि पूरे कॉम्ब का केंद्र केवल इनपुट टेलीकॉम लाइट की तरंग दैर्ध्य को बदलकर ट्यून किया जा सकता है।

उनकी इस उपलब्धि को क्या विशेष बनाता है, यह टीम द्वारा बनाए गए दो प्रकार के चिप्स के बीच तुलना में निहित है। पहले चिप में एक मानक प्लेटफॉर्म का उपयोग किया गया था जहाँ लिथियम नियोबेट सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक परत के ऊपर स्थित है। हालांकि यह छोटे मध्य-अवरक्त तरंग दैर्ध्य के लिए अच्छा काम करता था, शोधकर्ताओं ने पाया कि एक बार जब तरंग दैर्ध्य 3.5 माइक्रोमीटर से अधिक हो गई, तो सिलिकॉन डाइऑक्साइड की परत प्रकाश को तीव्रता से अवशोषित करने लगी, जिससे डिवाइस के प्रदर्शन और शक्ति में भारी कमी आई। इस समस्या को हल करने के लिए, उन्होंने नीलम (sapphire) आधार का उपयोग करके चिप का दूसरा संस्करण बनाया। नीलम इस सीमा में प्रकाश को अवशोषित नहीं करता है, जिससे डिवाइस को बहुत लंबी तरंग दैर्ध्य पर कुशलतापूर्वक संचालित करने की अनुमति मिलती है। टीम ने प्रदर्शित किया कि नीलम-आधारित चिप कांच-आधारित संस्करण की तुलना में 4.5 माइक्रोमीटर तक मध्य-अवरक्त प्रकाश को काफी उच्च शक्ति और दक्षता के साथ उत्पन्न कर सकता है। उन्होंने दिखाया कि केवल चिप के तापमान को समायोजित करके, वे उत्पन्न प्रकाश की तरंग दैध्य को 100 नैनोमीटर से अधिक खिसका सकते हैं, जो विशिष्ट अणुओं को लक्षित करने का एक लचीला तरीका प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने एक ही चिप पर 'डुअल-कॉम्ब सिस्टम' बनाकर इस तकनीक को और आगे बढ़ाया। इस विन्यास में, उन्होंने दो अलग-अलग फ्रीक्वेंसी कॉम्ब उत्पन्न करने के लिए दो अलग-अलग मॉड्यूलेटर का उपयोग किया। जब ये दोनों कॉम्ब आपस में मिलते हैं, तो वे रेडियो आवृत्तियों पर 'बीट नोट्स' (beat notes) की एक श्रृंखला बनाते हैं जो ऑप्टिकल लाइनों के बीच के अंतर के अनुरूप होती है। यह पूरे ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम को एक विशाल, महंगे ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोमीटर के बजाय एक सरल, कम-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक डिटेक्टर का उपयोग करके पढ़ने की अनुमति देता है। उन्होंने सिद्ध किया कि यह प्रणाली मध्य-अवरक्त में 140 नैनोमीटर की ट्यूनिंग रेंज में इन बीट नोट्स का पता लगा सकती है। इसके अलावा, उन्होंने दिखाया कि वे दोनों कॉम्ब्स के बीच के ऑफसेट को इलेक्ट्रॉनिक रूप से समायोजित कर सकते हैं, जिससे इस बात पर कोई अस्पष्टता नहीं रहती कि आवृत्ति किस दिशा में स्थानांतरित हो रही है। नियंत्रण का यह स्तर, और ऐसी छोटी प्लेटफॉर्म पर पहले अप्राप्य तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्पन्न करने की क्षमता, पोर्टेबल, उच्च-प्रदर्शन वाले सेंसर की ओर एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देती है। यह कार्य इस क्षेत्र की हर समस्या को हल करने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह मध्य-अवरक्त प्रकाश उत्पन्न करने के एक स्केलेबल और ट्यून करने योग्य तरीके को स्थापित करता है जो निरंतर लेजर की स्थिरता को इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण की बहुमुखी प्रतिभा के साथ जोड़ता है, जिससे अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ आणविक दुनिया को महसूस करने वाले कॉम्पैक्ट उपकरणों के द्वार खुल जाते हैं।