Inverse-designed subwavelength metamaterial 3×3 reconfigurable power distributor for high-density programmable photonic computing

आधुनिक दुनिया को शक्ति प्रदान करने वाली सिलिकॉन चिप्स के भीतर, सूचना के वाहक के रूप में प्रकाश तेजी से बिजली का स्थान ले रहा है। यह बदलाव, जिसे फोटोनिक्स कहा जाता है, ऐसे कंप्यूटरों का वादा करता है जो अधिक तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल होंगे क्योंकि प्रकाश डेटा को उस गर्मी और प्रतिरोध के बिना स्थानांतरित कर सकता है जो इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को धीमा कर देते हैं। हालाँकि, एक मौलिक बाधा ने इन ऑप्टिकल सिस्टम की पूर्ण क्षमता को रोक रखा है। दशकों से, चिप पर प्रकाश को निर्देशित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले बुनियादी घटक केवल सरल स्विच तक सीमित रहे हैं जो प्रकाश की किरण को केवल दो संभावित पथों में से एक में भेज सकते हैं। यह दो-तरफा बाधा इंजीनियरों को मामूली गणनाओं को करने के लिए भी घटकों के जटिल, विस्तृत नेटवर्क बनाने के लिए मजबूर करती है, जिससे कीमती स्थान खर्च होता है और एक ही चिप पर कितनी कंप्यूटिंग शक्ति पैक की जा सकती है, इसकी सीमा तय होती है। जैसे-जैसे उच्च गति डेटा प्रोसेसिंग की मांग बढ़ रही है, प्रकाश को निर्देशित करने के लिए अधिक सघन और लचीके तरीके की आवश्यकता तत्काल हो गई है।

हुआझोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित किया है जो इस दो-तरफा सीमा को तोड़ता है। उन्होंने एक छोटा, पुनर्गठित (reconfigurable) उपकरण बनाया है जो प्रकाश की एक एकल किरण को तीन अलग-अलग पथों में विभाजित कर सकता है और इच्छानुसार प्रत्येक पथ में भेजे जाने वाले प्रकाश की मात्रा को समायोजित कर सकता है। पिछले उपकरणों के विपरीत, जो निर्माण के बाद अपने व्यवहार में स्थिर होते थे, यह नया घटक विद्युत संकेतों का उपयोग करके गतिशील रूप से ट्यून किया जा सकता है। चिप पर छोटे हीटिंग तत्वों पर विशिष्ट वोल्टेज लागू करके, शोधकर्ता डिवाइस में प्रवेश करने वाले प्रकाश के चरण (phase) को बदल सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से यह तय किया जा सकता है कि प्रत्येक तीन आउटपुट चैनल में कितनी शक्ति जाएगी। यह क्षमता डिवाइस को एक साधारण स्प्लिटर से बदलकर एक प्रोग्राम करने योग्य उपकरण में बदल देती है जो सीधे प्रकाश के साथ जटिल गणितीय संचालन कर सकता है, जो सघन, उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल कंप्यूटर बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।

इस उपलब्धि का रहस्य 'इनवर्स डिजाइन' नामक एक डिजाइन रणनीति और 'मेटामटेरियल' के रूप में ज्ञात एक सामग्री संरचना में निहित है। एक परिचित आकार से शुरू करने और उसमें बदलाव करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने एक कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग किया जो वांछित परिणाम से पीछे की ओर काम करता है। उन्होंने कंप्यूटर से पूछा कि वह एक विशिष्ट लक्ष्य प्राप्त करने के लिए सूक्ष्म सिलिकॉन विशेषताओं की सबसे कुशल व्यवस्था कैसे खोज सकता है: तीन इनपुट से प्रकाश लेना और उसे तीन आउटपुट में किसी भी अनुपात में वितरित करना। परिणामी संरचना एक मेटामटेरियल है, जो एक मानव-निर्मित सामग्री है जिसे प्राकृतिक गुणों से भिन्न गुणों के लिए इंजीनियर किया गया है। इस मामले में, डिवाइस को अविश्वसनीय रूप से महीन खांचों (grooves) के पैटर्न से ढका गया है, जो स्वयं प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength) से भी छोटे हैं। ये खांचे एक परिष्कृत लेंस की तरह कार्य करते हैं, जो प्रकाश तरंगों को अत्यधिक सटीकता के साथ मोड़ते और आकार देते हैं। डिवाइस का पूरा सक्रिय क्षेत्र इतना छोटा है कि यह एक मानव बाल की नोक पर आसानी से समा सकता है, जिसका फुटप्रिंट केवल 4 x 1.9 माइक्रोमीटर है।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह सैद्धांतिक डिजाइन वास्तविक दुनिया में काम करता है, टीम ने चिप का निर्माण किया और इसके प्रदर्शन का परीक्षण किया। उन्होंने डिवाइस में प्रकाश डाला और हीटिंग इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज को समायोजित किया ताकि देख सकें कि क्या वे आउटपुट को नियंत्रित कर सकते हैं। परिणाम आश्चर्यजनक थे। डिवाइस ने सफलतापूर्वक तीनों आउटपुट पोर्ट्स तक प्रकाश को निर्देशित किया, और वोल्टेज बदलकर, शोधकर्ता शक्ति वितरण को निरंतर समायोजित करने में सक्षम थे। वे किसी भी एकल पोर्ट को एक प्रतिशत के बहुत छोटे हिस्से से लेकर लगभग पूरी किरण तक भेज सके, जबकि शेष प्रकाश अन्य पथों में वितरित किया गया। उदाहरण के लिए, वे बीच के पोर्ट पर 91.8% प्रकाश को निर्देशित कर सके जबकि किनारों पर बहुत कम प्रकाश भेजा, या तीनों पथों में प्रकाश को लगभग समान रूप से संतुलित कर सके। यह स्तर का नियंत्रण सिग्नल की ताकत के महत्वपूर्ण नुकसान के बिना प्राप्त किया गया, जिससे सिद्ध हुआ कि प्रकाश को केवल अवशोषित या बिखेरा नहीं जा रहा था बल्कि उसे कुशलतापूर्वक नया आकार दिया जा रहा था।

केवल प्रकाश को इधर-उधर ले जाने के अलावा, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह डिवाइस एक सरल ऑप्टिकल कंप्यूटर के मस्तिष्क के रूप में कार्य कर सकता है। उन्होंने फूलों के भौतिक मापों के आधार पर आइरिस (iris) फूलों के विभिन्न प्रकारों को वर्गीकृत करने के लिए चिप का उपयोग किया, जो मशीन लर्निंग की एक क्लासिक समस्या है। फूलों के डेटा को डिवाइस के लिए विशिष्ट वोल्टेज सेटिंग्स में बदलकर, चिप से निकलने वाला प्रकाश स्वाभाविक रूप से सही श्रेणी में खुद को वर्गीकृत कर लेता है। फूलों के नमूनों के सेट पर परीक्षण करने पर, डिवाइस ने लगभग 89% मामलों में आइरिस के प्रकार को सही ढंग से पहचाना। इसने प्रदर्शित किया कि हार्डवेयर स्वयं न्यूरल नेटवर्क के तर्क को निष्पादित कर सकता है, जो डिजिटल कोड के बजाय प्रकाश के भौतिक गुणों के आधार पर निर्णय लेता है। टीम ने चार इनपुट और आउटपुट पोर्ट वाले डिवाइस के बड़े संस्करण का भी सिमुलेशन किया। इन कंप्यूटर सिमुलेशन में, चार-पोर्ट वाले संस्करण ने 97% की सटीकता के साथ हस्तलिखित अंकों को सफलतापूर्वक पहचाना, जो सुझाव देता है कि इस डिजाइन को अधिक जटिल कार्यों को संभालने के लिए बढ़ाया जा सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ आइरिस वर्गीकरण से कहीं आगे तक फैले हुए हैं। यह सिद्ध करके कि प्रकाश को इतने छोटे स्थान के भीतर तीन या अधिक पथों में विभाजित और ट्यून किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने ऑप्टिकल कंप्यूटिंग को बढ़ाने के लिए एक बड़ी बाधा को हटा दिया है। पारंपरिक ऑप्टिकल सिस्टम भारी घटकों पर निर्भर करते हैं जो बड़े पैमाने पर एकीकरण के लिए बहुत अधिक जगह लेते हैं। यह नया डिवाइस, अपने अत्यंत-कॉम्पैक्ट आकार और तुरंत पुन: प्रोग्राम करने की क्षमता के साथ, एक ही चिप पर लाखों ऐसे लॉजिक यूनिट्स को पैक करने का मार्ग प्रशस्त करता है। यह एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ ऑप्टिकल कंप्यूटरों को ऐसी सघनता और लचीलेपन के साथ बनाया जा सकता है जो सबसे उन्नत इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसरों की बराबरी कर सकता है, और संभावित रूप से उनसे बेहतर हो सकता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि उन्नत डिजाइन एल्गोरिदम को मेटामटेरियल्स के अद्वितीय गुणों के साथ जोड़कर, ऐसे नए पीढ़ी के फोटोनिक उपकरण बनाना संभव है जो न केवल छोटे हैं, बल्कि अधिक स्मार्ट भी हैं, जो सीधे प्रकाश के प्रवाह में जटिल गणनाएं करने में सक्षम हैं।