Reconfigurable high-power Kerr optical parametric oscillators with sub-hertz linewidths

प्रकाश आधुनिक संचार का इंजन है, सटीक माप का शासक है, और क्वांटम सूचना का वाहक है। इन तकनीकों को कार्य करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे प्रकाश स्रोतों की आवश्यकता होती है जो न केवल उज्ज्वल हों बल्कि जिनका रंग अविश्वसनीय रूप से शुद्ध हो और जो अपनी इच्छा से उस रंग को बदलने में सक्षम हों। कल्पना कीजिए कि आप एक रेडियो को एक एकल, क्रिस्टल-स्पष्ट स्टेशन पर ट्यून करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वह स्टेशन स्वयं लगातार भटक रहा है, और सिग्नल इतना कमजोर है कि उसे शोर (स्टैटिक) के ऊपर सुना नहीं जा सकता। एकीकृत फोटोनिक्स (integrated photonics) की दुनिया में, जहाँ प्रकाश को छोटे कंप्यूटर चिप्स पर नियंत्रित किया जाता है, एक ऐसा स्रोत बनाना जो एक साथ शक्तिशाली, ट्यूनेबल (tunable) और पूरी तरह से स्थिर हो, एक कठिन चुनौती रही है। पारंपरिक लेजर अपने निर्माण में उपयोग की गई सामग्रियों द्वारा सीमित होते हैं, जबकि नए, चिप-आधारित प्रकाश जनरेटर अक्सर अनचाही आवृत्तियों (frequencies) के अराजक ढेर को उत्पन्न किए बिना या अधिक उज्ज्वल होने पर अपनी तीक्ष्णता खोए बिना, एक एकल, साफ रंग उत्पन्न करने में संघर्ष करते हैं।

सन यत-सेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम और उनके सहयोगियों ने इस अराजकता को नियंत्रित करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक चिप-आधारित प्रकाश जनरेटर, जिसे केर ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (Kerr optical parametric oscillator) के रूप में जाना जाता है, को उसके निर्माण के बाद पुनर्गठित करने का एक तरीका विकसित किया है। सामान्यतः, एक बार जब ऐसा उपकरण बनाया जाता है, तो इसके द्वारा उत्पन्न प्रकाश के विशिष्ट रंग उस सूक्ष्म रिंग के भौतिक आकार और सामग्री गुणों द्वारा निर्धारित होते हैं जिस पर इसे बनाया गया है। यदि इंजीनियरों को एक अलग रंग चाहिए, तो उन्हें एक नया चिप बनाना होगा। यह नया दृष्टिकोण उस वास्तविकता को बदल देता है। एक चतुर फीडबैक लूप का उपयोग करके जो प्रकाश के एक विशिष्ट रंग को चुनता है और उसे वापस डिवाइस में भेजता है, शोधकर्ता ऑसिलेटर को अपनी प्राकृतिक प्राथमिकताओं को अनदेखा करने और इसके बजाय एक चुने हुए रंग पर लॉक होने के लिए मजबूर कर सकते हैं। यह प्रक्रिया उन्हें विभिन्न रंगों के बीच स्विच करने, उन्हें निरंतर ट्यून करने और प्रकाश की गुणवत्ता को नाटकीय रूप से तेज करने की अनुमति देती है, और वह भी बिना स्वयं चिप को बदले।

इस खोज के केंद्र में स्थित उपकरण सिलिकॉन नाइट्राइड से बनी एक सूक्ष्म रिंग है, जो एक ऐसी सामग्री है जो प्रकाश को कैद करती है और उसे हजारों बार चक्कर लगाने के लिए मजबूर करती है। जब एक लेजर बीम की मजबूत किरण को इस रिंग में पंप किया जाता है, तो प्रकाश और सामग्री के बीच तीव्र अंतःक्रिया प्रकाश के नए रंगों को जन्म देती है, जिन्हें सिग्नल और आइडलर (signal and idler) जोड़े के रूप में जाना जाता है। एक मानक सेटअप में, ये नए रंग रिंग के डिजाइन द्वारा निर्धारित निश्चित स्थितियों पर दिखाई देते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक गिटार का तार अपनी लंबाई और तनाव के आधार पर एक विशिष्ट स्वर उत्पन्न करता है। समस्या यह है कि यदि पंप लाइट शोर भरी (noisy) है या यदि पावर को बहुत अधिक बढ़ा दिया जाता है, तो सिस्टम अस्थिर हो जाता है। यह अनचाही आवृत्तियों का एक समूह उत्पन्न करने लगता है, जिससे वांछित रंगों से ऊर्जा हट जाती है और सिग्नल धुंधला हो जाता है। यह इस बात को सीमित करता है कि प्रकाश कितना उज्ज्वल हो सकता है और उसका रंग कितना शुद्ध रह सकता है।

शोधकर्ताओं ने "कोहेरेंट फीडबैक" (coherent feedback) तंत्र पेश करके इस समस्या का समाधान किया। उन्होंने रिंग से निकलने वाले प्रकाश के एक विशिष्ट रंग को लिया, उसे फिल्टर किया, उसे प्रवर्धित (amplify) किया, और फिर उसे वापस रिंग में भेज दिया। यह इंजेक्ट किया गया प्रकाश एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो सिस्टम को बताता है कि किस रंग को प्रभावी होना चाहिए। इस फीडबैक की शक्ति को समायोजित करके, वे रिंग द्वारा उत्पन्न किए जाने वाले प्राकृतिक, फ्री-रनिंग रंगों को दबा सकते हैं और इसे चुने हुए रंग पर दोलन (oscillate) करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। यह निष्क्रिय स्थिरीकरण नहीं है; यह एक सक्रिय पुनर्गठन है। फीडबैक लूप प्रभावी रूप से रिंग के भीतर विभिन्न प्रकाश आवृत्तियों के बीच की प्रतिस्पर्धा को बदल देता है, जिससे चुना गया रंग जीतने और मजबूत होने के लिए सक्षम होता है जबकि अन्य फीके पड़ जाते हैं।

इस पद्धति के परिणाम आश्चर्यजनक हैं। एक निश्चित पंप वेवलेंथ (wavelength) पर, टीम ने 1.27 टेराहरत्ज़ के दायरे में चरणों में आउटपुट रंग को बदलने की क्षमता प्रदर्शित की, जो मानक संचार बैंड में लगभग 10 नैनोमीटर के बराबर है। इन असतत चरणों के अलावा, उन्होंने चिप के तापमान को समायोजित करके 202.17 गीगाहर्ट्ज़ के विस्तार पर निरंतर ट्यूनिंग हासिल की। जब उन्होंने पंप लेजर की ट्यूनिंग को फीडबैक-चयनित रंग की ट्यूनिंग के साथ जोड़ा, तो कुल सुलभ सीमा 23 नैनोमीटर से अधिक हो गई। एक ही, बिना संशोधित चिप पर प्राप्त यह स्तर की लचीलापन, एकीकृत प्रकाश स्रोतों के लिए नियंत्रण का एक नया स्तर प्रदान करता है।

शायद इससे भी महत्वपूर्ण सुधार प्रकाश की गुणवत्ता में है। फीडबैक लूप ने न केवल एक रंग को चुना; इसने इसे शुद्ध भी किया। शोधकर्ताओं ने चयनित प्रकाश के "लाइनविड्थ" (linewidth) को मापा, जो रंग की शुद्धता का एक पैमाना है। फ्री-रनिंग अवस्था में, फीडबैक के बिना, प्रकाश की लाइनविड्थ अपेक्षाकृत विस्तृत थी। फीडबैक सक्रिय होने के साथ, यह लाइनविड्थ घटकर एक हर्ट्ज़ से भी कम हो गई, जो लगभग 30,000 गुना की कमी है। इसका अर्थ है कि प्रकाश अब अविश्वसनीय रूप से स्थिर है, जिसकी आवृत्ति शायद ही कभी डगमगाती है। उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रोस्कोपी और क्वांटम कंप्यूटिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए यह स्तर की शुद्धता आवश्यक है, जहाँ प्रकाश की आवृत्ति में मामूली उतार-चढ़ाव भी प्रयोग को खराब कर सकता है।

इसके अलावा, फीडबैक तंत्र ने पावर स्केलिंग की समस्या को भी हल किया। जब शोधकर्ताओं ने प्रकाश को अधिक उज्ज्वल बनाने के लिए पंप पावर बढ़ाई, तो सिस्टम स्वाभाविक रूप से अनचाही आवृत्तियों के क्लस्टर से भरे एक अराजक राज्य में टूटने लगा। हालाँकि, फीडबैक लूप ने इस अराजकता को दबा दिया। ऊर्जा को आवृत्तियों के एक बिखरे हुए ढेर में फैलने देने के बजाय, यह चयनित रंग में केंद्रित रही। इसने डिवाइस को चयनित साइडबैंड पर 42 मिलीवाट से अधिक की शक्ति उत्पन्न करने में सक्षम बनाया, जो एक ऑन-चिप स्रोत के लिए एक महत्वपूर्ण मात्रा है। फीडबैक ने प्रभावी रूप से सिस्टम को प्रतिस्पर्धी आवृत्तियों पर ऊर्जा बर्बाद करना बंद करने और उस एक रंग पर ध्यान केंद्रित करने के लिए कहा जो महत्वपूर्ण था।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि यह शोर दमन (noise suppression) कैसे काम करता है। जब सिग्नल रंग को फीडबैक के माध्यम से लॉक किया गया था, तो इसकी फ्रीक्वेंसी नॉइज़ नाटकीय रूप से गिर गई। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने देखा कि युग्मित "आइडलर" (idler) रंग, जिसे सीधे फीडबैक नहीं दिया गया था, को इस स्थिरीकरण का लाभ नहीं मिला और वास्तव में वह अधिक शोर वाला हो गया। यह पुष्टि करता है कि फीडबैक विशेष रूप से चयनित मोड पर कार्य करता है, जो ऑसिलेटर की आंतरिक गतिशीलता को बदलकर चुने गए पथ के पक्ष में अनुकूलित करता है। टीम ने इन निष्कर्षों को भौतिक प्रयोगों और विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन दोनों के माध्यम से सत्यापित किया, जिससे पता चला कि फीडबैक लूप रिंग के भीतर चयनित फोटॉनों के प्रभावी जीवनकाल को बढ़ाता है, जिससे उन्हें बढ़ने की शक्ति मिलती है जबकि उस शोर को दबा दिया जाता है जो आमतौर पर ऐसी प्रणालियों को प्रभावित करता है।

यह कार्य एकीकृत प्रकाश स्रोतों के नियंत्रण के तरीके में एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। पहले, ऐसी प्रदर्शन क्षमता प्राप्त करने के लिए कई खंडों या निर्माण के दौरान एनकोडेड विशिष्ट सामग्री गुणों वाले जटिल डिजाइनों की आवश्यकता होती थी। यह नई विधि पोस्ट-फैब्रिकेशन नियंत्रण (post-fabrication control) के रूप में कार्य करती है, जिसका अर्थ है कि एक ही चिप को फीडबैक सेटिंग्स बदलकर विभिन्न कार्यों के लिए पुनर्गठित किया जा सकता है। हालांकि वर्तमान सेटअप अभी भी प्रकाश को फिल्टर करने और विलंबित करने के लिए कुछ बाहरी फाइबर-ऑप्टिक घटकों पर निर्भर करता है, यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत एक ऐसे भविष्य की ओर संकेत करते हैं जहाँ पूर्णतः एकीकृत चिप्स गतिशील रूप से अपने आउटपुट को पुनर्गठित कर सकते हैं। एक ही चिप पर उज्ज्वल, ट्यूनेबल और अत्यंत स्थिर प्रकाश उत्पन्न करने की क्षमता उन्नत ऑप्टिकल संचार, अधिक संवेदनशील सेंसर और अधिक मजबूत क्वांटम सूचना प्रोसेसर के द्वार खोलती है, और वह भी प्रत्येक नए अनुप्रयोग के लिए हार्डवेयर को फिर से डिजाइन किए बिना।