Monolithic all-optical phase regenerator via parity-time symmetry
यह शोध पत्र एक मोनोलिथिक ऑल-ऑप्टिकल फेज रिजेनरेटर (on a chip) प्रस्तुत करता है जो उच्च-Q फेज लॉकिंग और उच्च-गति प्रसंस्करण के बीच पारंपरिक ट्रेड-ऑफ को दूर करने के लिए पैरिटी-टाइम सिमिट्री और केर-इंड्यूस्ड सिंक्रोनाइज़ेशन का उपयोग करता है, जिससे बिना भारी इलेक्ट्रॉनिक्स के गीगाबिट-पर-सेकंड शोर न्यूनीकरण प्राप्त होता है।
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प्रकाश केवल अपनी चमक से ही नहीं, बल्कि अपनी तरंगों के सटीक समय (timing) के माध्यम से भी सूचना ले जाता है। एक तरंग की कल्पना एक सर्फर के रूप में करें; लहर की ऊंचाई आपको संकेत की शक्ति बताती है, लेकिन वह सटीक क्षण जब सर्फर लहर के शिखर पर होता है, वह आपको डेटा बताता है। यह समय, जिसे 'फेज' (phase) कहा जाता है, वह मौलिक आयाम है जो आधुनिक फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क को विशाल मात्रा में डेटा प्रसारित करने की अनुमति देता है। हालाँकि, जैसे ही प्रकाश कांच के रेशों (fibers) के माध्यम से यात्रा करता है या लेजर द्वारा प्रवर्धित (amplify) किया जाता है, यह एक प्रकार का स्टैटिक शोर पकड़ लेता है जो इस समय को अस्थिर कर देता है। तरंगें अपनी पूर्ण लय खो देती हैं, और सूचना अस्पष्ट हो जाती है। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियरों को सिग्नल को साफ करना पड़ता है, जिसे 'फेज रिजनरेशन' (phase regeneration) कहा जाता है। दशकों तक, सिग्नल को पहले बिजली (electricity) में बदलने के बजाय, पूरी तरह से प्रकाश के साथ ऐसा करना एक कठिन लक्ष्य रहा है। यह तेज़ गति और कम बिजली खपत का वादा करता है, लेकिन मौजूदा तरीके भारी, जटिल और हमारे भविष्य के उपकरणों को चलाने वाले छोटे चिप्स में सिकोड़ने के लिए कठिन रहे हैं।
मुख्य कठिनाई एक जिद्दी विरोधाभास में निहित है। प्रकाश की तरंग के समय को साफ करने के लिए, आपको एक बहुत ही स्थिर, उच्च-गुणवत्ता वाले वातावरण की आवश्यकता होती है जहाँ प्रकाश ठहर सके और तालमेल बिठा सके, ठीक वैसे ही जैसे निर्वात (vacuum) में एक पेंडुलम। लेकिन उच्च गति पर डेटा संसाधित करने के लिए, आपको एक तेज़, खुले वातावरण की आवश्यकता होती है जहाँ प्रकाश बिना अटके गुजर सके। पारंपरिक दृष्टिकोणों ने इसे दो अलग-अलग सिस्टम बनाकर हल करने की कोशिश की: एक समय को लॉक करने के लिए और दूसरा डेटा को प्रोसेस करने के लिए। इसके लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक सर्किट और अतिरिक्त लेजर की आवश्यकता थी ताकि सब कुछ तालमेल में रहे, जिससे पूरा सेटअप व्यावहारिक और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए बहुत बड़ा और नाजुर नाजुक हो गया। शोधकर्ता लंबे समय से इन दोनों परस्पर विरोधी जरूरतों को एक एकल, छोटे उपकरण में मिलाने का तरीका खोज रहे थे जो एक साथ दोनों काम कर सके।
शोधकर्ताओं ने अब एक समाधान प्रदर्शित किया है जिसमें एक एकल, ठोस चिप बनाया गया है जो पूर्णतः ऑप्टिकल फेज रिजनरेशन करता है। उन्होंने इसे 'पैरिटी-टाइम सिमिट्री' (parity-time symmetry) नामक एक अवधारणा पर आधारित एक चतुर डिजाइन का उपयोग करके हासिल किया है, जो यह अनुमति देता है कि एक सिस्टम असामान्य तरीके से व्यवहार कर सके यदि वह लाभ (gain) और हानि (loss) के बीच संतुलन बनाए रखे। एक एकल वातावरण को एक साथ धीमा और तेज़ बनाने की कोशिश करने के बजाय, उन्होंने एक 'कपल्ड रेज़ोनेटर' (coupled resonator) बनाया—जो सिलिकॉन नाइट्राइड से बनी एक छोटी रिंग संरचना है—जो स्वाभाविक रूप से एक ही समय में दो अलग-अलग प्रकार के प्रकाश मोड (modes) को धारण करती है। मोड्स का एक सेट उच्च-गुणवत्ता वाला और धीमा है, जो प्रकाश के समय को लॉक करने के लिए एक स्थिर आधार के रूप में कार्य करता है। दूसरा सेट निम्न-गुणवत्ता वाला और तेज़ है, जो डेटा के गुजरने के लिए एक खुले राजमार्ग के रूप में कार्य करता है। इन दोनों मोड्स को एक ही भौतिक स्थान के भीतर मिलकर काम करने के लिए व्यवस्थित करके, यह उपकरण एक स्व-स्थिर (self-stabilizing) प्रणाली बनाता है जिसे सिग्नल को साफ रखने के लिए किसी बाहरी इलेक्ट्रॉनिक्स या अतिरिक्त लेजर की आवश्यकता नहीं होती है।
शोधकर्ताओं ने इस उपकरण का परीक्षण एक शोर वाले सिग्नल के साथ किया जो प्रति सेकंड 5 बिलियन बिट्स की दर से डेटा ले जा रहा था। उन्होंने जानबूझकर गंभीर समय संबंधी त्रुटियां डालीं, जिससे प्रकाश की तरंगों के फेज को 45 डिग्री तक विचलित कर दिया गया, जो कि एक महत्वपूर्ण स्तर का विरूपण (distortion) है। जैसे ही प्रकाश उनके चिप से गुजरा, आंतरिक तंत्र ने इन त्रुटियों को स्वतः ही ठीक कर दिया। उपकरण ने उस प्रक्रिया का उपयोग किया जहाँ प्रकाश तरंगें एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करती हैं और एक नई, स्वच्छ तरंग उत्पन्न करती हैं जो सही समय पर लॉक हो जाती है। परिणाम एक पुनर्जीवित (regenerated) सिग्नल था जो उतना ही स्पष्ट था जितना कि वह कभी दूषित हुआ ही न हो। टीम ने आउटपुट की गुणवत्ता को मापा और पाया कि शोर लगभग पूरी तरह से हटा दिया गया था, जिससे सिग्नल अपनी मूल स्थिति में वापस आ गया। यह प्रदर्शन तब प्राप्त किया गया जब उपकरण ने डेटा को चिप के भीतर मौजूद स्थिर लॉकिंग मैकेनिज्म की प्राकृतिक गति सीमा से तीस गुना से अधिक की गति से प्रोसेस किया।
यह कार्य ऑप्टिकल सिग्नल्स के प्रबंधन के तरीके में एक महत्वपूर्ण बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। पहले, ऐसी उच्च-गुणवत्ता वाली रिजनरेशन प्राप्त करने के लिए अलग-अलग घटकों, फाइबर लूप और इलेक्ट्रॉनिक फीडबैक लूपों से भरे एक बेंचटॉप सेटअप की आवश्यकता होती थी। नया उपकरण इस पूरी कार्यक्षमता को एक एकल मोनोलिथिक चिप में समेकित करता है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह सिस्टम प्रकाश तरंगों को सीधे देखकर काम करता है, जिससे यह पता चला कि शोर वाले इनपुट सिग्नल के अराजक, बिखरे हुए बिंदु चिप से गुजरने के बाद दो घने, स्पष्ट समूहों (clusters) में सिमट गए। यह सिद्ध करता है कि उपकरण ने सफलतापूर्वक शोर को संकुचित किया और तरंगों को पुनर्गठित किया। इस प्रयोग की सफलता यह सुझाव देती है कि गैर-मानक ऑप्टिकल डिजाइनों का उपयोग करके उच्च-गति प्रसंस्करण और उच्च-परिशुद्धता नियंत्रण के बीच के लंबे समय से चले आ रहे संघर्ष को दूर किया जा सकता है।
इस खोज के निहितार्थ केवल सिग्नल को साफ करने तक ही सीमित नहीं हैं। यह साबित करके कि एक एकल चिप नाजुक फेज लॉकिंग और तीव्र डेटा प्रोसेसिंग दोनों कार्यों को संभाल सकती है, शोधकर्ताओं ने बहुत अधिक सघन और कुशल फोटोनिक प्रोसेसरों की ओर एक मार्ग खोल दिया है। इन चिप्स का उपयोग भविष्य में अगली पीढ़ी के संचार नेटवर्क, क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम और उन्नत सेंसरों में किया जा सकता है जहाँ समय की सटीकता अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह उपकरण बिना किसी भारी इलेक्ट्रॉनिक ओवरहेड के संचालित होता है जो वर्तमान में ऑप्टिकल सिस्टम की गति और आकार को सीमित करता है। हालांकि वर्तमान प्रदर्शन एक विशिष्ट प्रकार के डेटा सिग्नल पर केंद्रित था, लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत यह सुझाव देता है कि इसी तरह के चिप्स को भविष्य में अधिक जटिल डेटा प्रारूपों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। यह कार्य एक ठोस प्रमाण है कि उच्च-गति प्रसंस्करण और उच्च-परिशुद्धता नियंत्रण के बीच के संघर्ष को एक ही एकीकृत संरचना के भीतर हल किया जा सकता है, जो ऑप्टिकल तकनीक को प्रयोगशाला के बेंच से कल के कॉम्पैक्ट और शक्तिशाली उपकरणों की ओर ले जाता है।
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