High-power ultrabroadband electro-optic frequency combs in thin-film lithium niobate
यह शोध पत्र कैस्केड और फोल्डेड ट्रैवलिंग-वेव मॉड्यूलेटर्स का उपयोग करके अनपेक्षित इंटरेक्शन लेंथ्स (interaction lengths) प्राप्त करने के माध्यम से, थिन-फिल्म लिथियम नियोबेट में उच्च-शक्ति, अल्ट्राब्रॉडबैंड इलेक्ट्रो-ऑप्टिक फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स को प्रदर्शित करता है, जिसके परिणामस्वरूप एस-, सी- और एल-बैंड्स में फैली हुई 550 से अधिक लाइनों वाला एक कैविटी-मुक्त कॉम्ब प्राप्त होता है जो संचार, मेट्रोलॉजी और क्वांटम नेटवर्किंग के अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक कुशल माइक्रोवेव-टू-ऑप्टिकल रूपांतरण को सक्षम बनाता है।
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प्रकाश और बिजली आधुनिक दुनिया के दो इंजन हैं, फिर भी वे अलग-अलग भाषाएं बोलते हैं। प्रकाश, फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से दौड़ते हुए, इंटरनेट के विशाल डेटा प्रवाह को ले जाता है, जबकि बिजली, तांबे के तारों के माध्यम से धीमी गति से चलते हुए, हमारे कंप्यूटरों और सेंसरों के समय और तर्क (लॉजिक) को नियंत्रित करती है। इन दोनों क्षेत्रों को कुशलतापूर्वक जोड़ना भौतिकी की एक मौलिक चुनौती है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं कि माइक्रोवेव संकेतों—बिजली के उन तेज़ स्पंदों (पल्स) जो हमारी तकनीक को संचालित करते हैं—को सीधे प्रकाश में, और वापस, बिना सूचना खोए या ऊर्जा बर्बाद किए, परिवर्तित किया जा सके। यह रूपांतरण तेज़ संचार, अति-सटीक सेंसर और उभरते हुए क्वांटम नेटवर्किंग के क्षेत्र के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को लंबी दूरी तक भेजा जाता है। इस काम के लिए आदर्श उपकरण वह होगा जो प्रकाश की एक स्थिर किरण को लेकर उसे सटीक, दोहराते हुए स्पंदों के पैटर्न में काट सके, जिससे एक "फ्रीक्वेंसी कॉम्ब" (आवृत्ति कंघी) बन सके। इस 'कॉम्ब' को प्रकाश के एक पैमाने (रूलर) के रूप में समझें, जिसमें हजारों समान रूप से व्यवस्थित रेखाएं होती हैं जो अविश्वसनीय सटीकता के साथ समय और आवृत्ति को माप सकती हैं।
वर्षों से, शोधकर्ता इन 'कॉम्ब्स' को छोटे कंप्यूटर चिप्स पर बनाने का प्रयास कर रहे हैं, लेकिन उन्हें एक कठिन समझौते (ट्रेड-ऑफ) का सामना करना पड़ा। एक मजबूत संकेत बनाने के लिए, प्रकाश और माइक्रोवेव बिजली को चिप के भीतर एक लंबी दूरी तक एक साथ यात्रा करनी चाहिए। हालाँकि, जैसे-जैसे वे यात्रा करते हैं, माइक्रोवेव सिग्नल स्वाभाविक रूप से फीका पड़ता जाता है, और प्रकाश सामग्री द्वारा अवशोषित या बिखरा दिया जाता है। यदि चिप बहुत छोटी है, तो सिग्नल कमजोर होता है; यदि यह बहुत लंबी है, तो सिग्नल कोई भी उपयोगी कार्य करने से पहले ही समाप्त हो जाता है। इस सीमा ने उच्च-प्रदर्शन वाले लाइट कॉम्ब्स को कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों की पहुंच से दूर रखा है, जिससे इंजीनियरों को एक छोटे, कमजोर सिग्नल या एक लंबे, अक्षम सिग्नल के बीच चयन करने के लिए मजबूर होना पड़ता है।
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार का चिप बनाकर इस बाधा को तोड़ दिया है, जो प्रकाश और बिजली को अभूतपूर्व दूरियों तक परस्पर क्रिया करने की अनुमति देता है। 'थिन-फिल्म लिथियम निओबेट' नामक एक सामग्री का उपयोग करते हुए, जो प्रकाश को तेजी से नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो माइक्रोवेव सिग्नल और प्रकाश की किरण को कुल 36 सेंटीमीटर की प्रभावी लंबाई के लिए एक साथ निर्देशित करता है। इस लंबी राह को एक छोटे चिप पर फिट करने के लिए, उन्होंने केवल उपकरण को लंबा नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने प्रकाश के पथ को एक ही विद्युत क्षेत्र के माध्यम से कई बार आगे-पीछे मोड़ा। पथ के इस चतुर पुनर्चक्रण (रीसाइक्लिंग) से प्रकाश को एक विशाल परिवर्तन संचित करने की अनुमति मिलती है, बिना चिप को मीटरों लंबा बनाए। इसका परिणाम एक ऐसा उपकरण है जो प्रकाश की एक एकल रंग की लेजर किरण को 550 से अधिक विशिष्ट रेखाओं वाले एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में बदल सकता है, जो सभी पूरी तरह से समान रूप से व्यवस्थित हैं।
इस उपलब्धि का महत्व इसकी दक्षता में निहित है। पिछले प्रयासों में, ऐसा व्यापक और शक्तिशाली स्पेक्ट्रम बनाने के लिए इतनी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती थी कि अधिकांश प्रकाश ऊष्मा या अवशोषण के कारण नष्ट हो जाता था। इस नए डिजाइन में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी रूपांतरण दक्षता हासिल की जहाँ इनपुट लेजर पावर का 77 प्रतिशत सफलतापूर्वक प्रकाश के नए कॉम्ब में बदल गया। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि जब उन्होंने एक सपाट, एकसमान स्पेक्ट्रम बनाने के लिए उपकरण को अनुकूलित किया, तब भी वे 32 प्रतिशत शक्ति को परिवर्तित करने में सफल रहे, जिससे कुल 187 मिलीवाट आउटपुट प्राप्त हुआ। यह एक बड़ी छलांग है, जो पिछले सर्वोत्तम सिस्टमों की तुलना में दस गुना से अधिक शक्ति उत्पन्न करती है। यह उपकरण इतने कम वोल्टेज पर संचालित होता है कि इसे उच्च गति पर कार्य करने के लिए डेढ़ वोल्ट से भी कम की आवश्यकता होती है, जिससे यह मानक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के अनुकूल बन जाता है।
शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि यह तकनीक दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले S, C और L बैंडों में फैले रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करती है। तीन अलग-अलग लेजर इनपुट को मिलाकर, उन्होंने ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम के एक विशाल हिस्से तक कुल कवरेज का विस्तार किया। उपकरण की स्थिरता और सटीकता का अर्थ है कि प्रकाश की रेखाओं के बीच की दूरी पूरी तरह से उसे चलाने वाले माइक्रोवेव सिग्नल द्वारा निर्धारित होती है, जिससे सटीक नियंत्रण मिलता है जो अन्य तरीकों के साथ प्राप्त करना कठिन है। नियंत्रण और शक्ति का यह स्तर नई संभावनाओं के द्वार खोलता है। उदाहरण के लिए, ऐसे शक्तिशाली कॉम्ब का उपयोग वायुमंडल में गैसों की सूक्ष्म मात्रा का पता लगाने या अत्यधिक सटीकता के साथ घड़ियों को सिंक्रोनाइज़ करने के लिए किया जा सकता है।
इस परिणाम तक पहुँचने के मार्ग में चिप की आंतरिक संरचना का सावधानीपूर्वक पुनर्गठन शामिल था। टीम ने उपकरण के छोटे हिस्सों का लक्षण वर्णन (कैरेक्टराइजेशन) करके शुरुआत की ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि माइक्रोवेव सिग्नल अपनी शक्ति खोए बिना लंबी दूरी तक यात्रा कर सकें। उन्होंने पाया कि मोटे धातु इलेक्ट्रोड और एक विशिष्ट लेआउट का उपयोग करके, वे माइक्रोवेव हानि को अत्यंत कम रख सकते हैं। एक बार जब उन्होंने पुष्टि कर ली कि सिग्नल बिना फीके पड़े लंबी दूरी तक यात्रा कर सकते हैं, तो उन्होंने फोल्डिंग तकनीक को लागू किया। इसमें प्रकाश तरंग को विद्युत क्षेत्र के माध्यम से निर्देशित करना, फिर उसे उसी क्षेत्र के माध्यम से फिर से गुजरने के लिए मोड़ना शामिल था, लेकिन इस तरह से कि विद्युत धक्का (पुश) रद्द होने के बजाय जुड़ता रहे। इस रचनात्मक संचय (कंस्ट्रक्टिव एक्यूमुलेशन) ने उन्हें एक विशाल मॉड्यूलेशन डेप्थ बनाने की अनुमति दी, जिसने प्रभावी रूप से प्रकाश तरंग को सैकड़ों नई आवृत्तियों में बदल दिया।
इस कार्य की सफलता बताती है कि प्रकाश और बिजली के बीच की परस्पर क्रिया की बेहतर इंजीनियरिंग के माध्यम से एकीकृत फोटोनिक्स (इंटीग्रेटेड फोटोनिक्स) में आकार और दक्षता की सीमाओं को पार किया जा सकता है। शोधकर्ता कहते हैं कि उनका दृष्टिकोण स्केलेबल है, जिसका अर्थ है कि यदि आवश्यक हो तो उन्हीं सिद्धांतों का उपयोग और भी लंबे इंटरैक्शन पाथ बनाने के लिए किया जा सकता है। यह अंततः ऐसे उपकरणों की ओर ले जा सकता है जो माइक्रोवेव और ऑप्टिकल डोमेन के बीच के अंतर को आधे मीटर के करीब की दूरियों तक पाट सकें, जबकि वे एक ही चिप पर फिट होने के लिए पर्याप्त कॉम्पैक्ट भी रहें। उच्च-शक्ति, ब्रॉडबैंड लाइट कॉम्ब्स को इतनी दक्षता के साथ उत्पन्न करने की क्षमता संचार, सेंसिंग और कंप्यूटिंग में उन्नत ऑप्टिकल तकनीकों को अधिक सुलभ और व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
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