Dispersion engineering of Silicon Nitride directional couplers for Four-Wave Mixing process

प्रकाश आधुनिक संचार का कार्यबल है, जो कांच के रेशों (फाइबर्स) के माध्यम से दुनिया भर में हमारी आवाज़ों, वीडियो और डेटा को ले जाता है। लेकिन इन नेटवर्कों को तेज़ और अधिक सक्षम बनाने के लिए, वैज्ञानिक प्रकाश को नए तरीकों से नियंत्रित करना सीख रहे हैं, जिससे इसे अपने आप के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए मजबूर किया जा सके ताकि पूरी तरह से नए रंग बनाए जा सकें। यह प्रक्रिया, जिसे 'फोर-वेव मिक्सिंग' (four-wave mixing) कहा जाता है, एक शक्तिशाली उपकरण है जो एक प्रकाश किरण को 'पंप' के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है, जिससे एक सिग्नल को अलग तरंग दैर्ध्य (wavelength) में बदला जा सके। हालाँकि, इस परस्पर क्रिया के कुशलता से काम करने के लिए, प्रकाश तरंगों को एक-दूसरे के साथ बिल्कुल तालमेल में रहना चाहिए। यदि वे तालमेल से बाहर हो जाते हैं, तो यह प्रभाव समाप्त हो जाता है। उन्हें तालमेल में रखने की कुंजी 'डिस्पर्शन' (dispersion) नामक एक गुण में निहित है, जो यह बताता है कि प्रकाश के विभिन्न रंग किसी सामग्री के माध्यम से थोड़े अलग वेग से यात्रा करते हैं। कई मानक सामग्रियों में, यह गति का अंतर इतना अधिक होता है कि आवश्यक परस्पर क्रिया संभव नहीं हो पाती, इसलिए शोधकर्ताओं को प्रकाश के मार्ग को ठीक करने के लिए उसे इंजीनियर करना पड़ता है।

सिलिकॉन नाइट्राइड इन सूक्ष्म प्रकाश मार्गों के निर्माण के लिए एक अग्रणी सामग्री के रूप में उभरा है क्योंकि यह रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए पारदर्शी है और इस तरह ऊर्जा को अवशोषित नहीं करता जिससे अवांछित गर्मी पैदा हो। फिर भी, इस उत्कृष्ट सामग्री के साथ भी, प्रकाश को निर्देशित करने वाले चैनल का आकार अत्यंत महत्वपूर्ण होता है। इस्फ़हान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट प्रकार की सिलिकॉन नाइट्राइड संरचना को डिजाइन करने का लक्ष्य रखा, जो प्रकाश तरंगों को फोर-वेव मिक्सिंग प्रक्रिया के लिए पूरी तरह से तालमेल में रख सके। उनका लक्ष्य एक ऐसा उपकरण बनाना था जहाँ प्रकाश की गति दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले रंगों (विशेष रूप से 1550 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य के आसपास) के लिए स्थिर रहे, जो लंबी दूरी तक डेटा भेजने के लिए एक मानक है।

शोधकर्ताओं ने एक सरल चैनल को डिजाइन करके शुरुआत की, जो सिलिका ग्लास के आधार पर स्थित सिलिकॉन नाइट्राइड की एक छोटी सी कटक (ridge) है। उन्होंने यह परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया कि इस चैनल के भौतिक आयामों को बदलने से इस माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश की गति कैसे प्रभावित होती है। उन्होंने पाया कि चैनल की चौड़ाई और मोटाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे सामग्री की रंगों को अलग करने की प्राकृतिक प्रवृत्ति को समाप्त कर सकते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने खोजा कि 1100 नैनोमीटर की चौड़ाई और 690 नैनोमीटर की मोटाई वाला एक चैनल एक लगभग पूर्ण संतुलन बनाता है। इस विशिष्ट ज्यामिति में, विभिन्न रंगों के प्रकाश तरंग अलग-अलग वेग से यात्रा करते हैं, जिससे डिस्पर्शन कर्व प्रभावी रूप से सपाट हो जाता है और प्रकाश के मिश्रण तथा नई आवृत्तियों को उत्पन्न करने के लिए आदर्श स्थितियाँ बन जाती हैं।

इस अवधारणा को एक कदम आगे ले जाने के लिए, टीम ने एक अधिक जटिल उपकरण डिजाइन किया जिसे 'डायरेक्शनल कप्लर' (directional coupler) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि दो ऐसे अनुकूलित चैनल एक-दूसरे के समानांतर चल रहे हैं, जो एक बहुत ही संकीले अंतराल (gap) द्वारा अलग किए गए हैं। जब प्रकाश एक चैनल से गुजरता है, तो वह उनके अदृश्य क्षेत्रों के ओवरलैपिंग (overlapping) के कारण अंतराल के माध्यम से दूसरे चैनल में प्रवेश कर सकता है और दूसरे चैनल के प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया कर सकता है। शोधकर्ताओं को इस अंतराल की सटीक चौड़ाई खोजने की आवश्यकता थी ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि दोनों चैनल उस नाजुक गति संतुलन को बाधित किए बिना एक एकल इकाई के रूप में कार्य करें। अपने सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने निर्धारित किया कि लगभग 152 नैनोमीटर का अंतराल सबसे उपयुक्त स्थान (sweet spot) है। इस दूरी पर, दोनों चैनल एक युग्मित प्रणाली (coupled system) के रूप में कार्य करने के लिए पर्याप्त रूप से परस्पर क्रिया करते हैं, फिर भी डिस्पर्शन शून्य के करीब रहता है, जिससे कुशल मिश्रण के लिए आवश्यक स्थितियाँ बनी रहती हैं।

ज्यामिति को अंतिम रूप देने के बाद, टीम ने इस डायरेक्शनल कप्लर के भीतर वास्तविक फोर-वेव मिक्सिंग प्रक्रिया का अनुकरण किया। उन्होंने इस उपकरण में एक मजबूत 'पंप बीम' और एक कमजोर 'सिग्नल बीम' पेश की। जैसे ही ये किरणें 152-नैनोमीटर के अंतराल से गुजरती हैं, सिलिकॉन नाइट्राइड के गैर-रेखीय (nonlinear) गुण उन्हें परस्पर क्रिया करने के लिए प्रेरित करते हैं, जिससे एक तीसरी किरण उत्पन्न होती है, जिसे 'आइडलर' (idler) कहा जाता है। सिमुलेशन ने इस नई आइडलर बीम के लिए एक स्पष्ट और विशिष्ट शिखर (peak) दिखाया, जिससे पुष्टि हुई कि ऊर्जा और संवेग (momentum) ठीक उसी तरह संरक्षित हैं जैसा कि सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी। परिणामों ने प्रदर्शित किया कि 'फेज मिसमैच' (phase mismatch)—जो तरंगों के तालमेल से बाहर होने का माप है—तरंग दैर्ध्य की एक सीमा में अत्यंत कम रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि इंजीनियर की गई संरचना ने सफलतापूर्वक उस तालमेल को बनाए रखा जो इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक है।

यह कार्य इस बात को रेखांकित करता है कि कैसे एक सूक्ष्म उपकरण के भौतिक आकार पर सटीक नियंत्रण शक्तिशाली ऑप्टिकल क्षमताओं को अनलॉक कर सकता है। सिलिकॉन नाइट्राइड चैनलों की चौड़ाई, मोटाई और रिक्ति को अनुकूलित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा मंच बनाया है जहाँ प्रकाश को कुशलतापूर्वक एक रंग से दूसरे रंग में परिवर्तित किया जा सकता है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि ऐसे इंजीनियर किए गए ढांचे उच्च निष्ठा (fidelity) के साथ ऑप्टिकल संकेतों को संसाधित करने में सक्षम उन्नत ऑन-चिप उपकरणों का आधार बन सकते हैं, जो संभावित रूप से अधिक मजबूत क्वांटम प्रौद्योगिकियों और तेज़ संचार प्रणालियों की ओर ले जा सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सही डिज़ाइन के साथ, सिलिकॉन नाइट्राइड सीधे एक कंप्यूटर चिप पर जटिल गैर-रेखीय ऑप्टिकल कार्यों को साकार करने के लिए एक अत्यधिक उपयुक्त मंच है।