EPFL ने फेम्टोसेकंड लेज़र को फोटोनिक चिप पर समेट दिया

फोटोनिक्स का दो दशक पुराना लक्ष्य आखिरकार पहुंच में हो सकता है

EPFL के शोधकर्ताओं का कहना है कि उन्होंने पहला इंटीग्रेटेड अल्ट्राफास्ट लेज़र बनाया है जो पारंपरिक टेबलटॉप femtosecond लेज़रों के प्रदर्शन से मेल खा सकता है। Nature में रिपोर्ट किए गए इस उपकरण से photonic chip पर सीधे 1.05 nanojoules की pulse energy और 147 femtoseconds तक की pulse duration प्राप्त होती है।

यदि ये आंकड़े प्रयोगशाला से बाहर जाते समय भी सही साबित होते हैं, तो यह उपलब्धि integrated photonics के लिए एक बड़ा मोड़ साबित हो सकती है। बीस साल से अधिक समय तक, chip पर उच्च-pulse-energy femtosecond लेज़र एक तरह का holy grail माने जाते रहे: स्पष्ट रूप से उपयोगी, सैद्धांतिक रूप से संभव, लेकिन व्यवहार में लगातार पहुंच से बाहर।

अल्ट्राफास्ट लेज़र क्यों महत्वपूर्ण हैं

अल्ट्राफास्ट लेज़र आधुनिक optics में आवश्यक उपकरण हैं क्योंकि वे प्रकाश के अत्यंत छोटे pulses उत्पन्न करते हैं। ऐसे pulses manufacturing, surgery, spectroscopy और frequency-comb systems सहित कई उच्च-सटीक अनुप्रयोगों को सक्षम बनाते हैं, जिनमें optical atomic clocks भी शामिल हैं जो अब तक की सबसे सटीक timekeeping technologies की नींव हैं।

समस्या आकार और लागत की रही है। पारंपरिक femtosecond systems अक्सर बड़े optical tables पर जगह लेते हैं और जटिल alignments तथा विशेष वातावरण की मांग करते हैं। इससे उनका उपयोग सीमित हो गया है और यह भी कि कौन इन्हें वास्तव में इस्तेमाल कर सकता है।

एक chip-scale समकक्ष इस समीकरण को बदल देता है। यदि शक्तिशाली ultrafast लेज़र को telecommunications hardware में photonic components की तरह अधिक आसानी से fabricate और integrate किया जा सके, तो यह तकनीक छोटी, सस्ती और अधिक सुलभ हो सकती है।

वह अनदेखी architecture जिसने इसे संभव बनाया

दिए गए स्रोत पाठ के अनुसार, Tobias J. Kippenberg के नेतृत्व वाली EPFL टीम ने Mamyshev oscillator architecture अपनाई, जो integrated photonics में अपेक्षाकृत कम ध्यान पाने वाला डिज़ाइन था। इस प्रणाली में दो optical filters के बीच एक nonlinear waveguide रखा जाता है, जो spectrum के अलग-अलग हिस्सों को पास करते हैं। जब एक तीव्र pulse waveguide से गुजरती है, तो उसका spectrum फैलता है, जिससे filters ultrafast pulse formation को आकार और स्थिरता दे पाते हैं।

इस चयन का महत्व सिर्फ यह नहीं है कि यह काम कर गया, बल्कि यह भी है कि इससे संकेत मिलता है कि बाधा केवल material या manufacturing से जुड़ी नहीं थी। कभी-कभी कोई लंबे समय से चली आ रही समस्या इसलिए अनसुलझी रहती है क्योंकि क्षेत्र गलत design space देख रहा होता है। EPFL का परिणाम बताता है कि integrated photonics ने high-energy femtosecond operation के लिए एक खास प्रभावी रास्ते को अनदेखा किया हो सकता है।

Kippenberg ने chip-based परिणाम को उस चीज़ के रूप में वर्णित किया जिसे field ने एक “holy grail” माना था। यह भाषा दिखाती है कि चुनौती कितनी केंद्रीय रही है। कई photonic technologies सफलतापूर्वक chips पर सिमट गई हैं, लेकिन ultrafast, उच्च-ऊर्जा pulse generation सबसे कठिन रूपांतरणों में से एक बनी रही।

यह क्या खोल सकता है

दिए गए सामग्री में जिन संभावित अनुप्रयोगों का नाम है, वे medical diagnostics से atomic clocks तक फैले हैं। ये उदाहरण एक व्यापक परिणाम की ओर इशारा करते हैं: जब एक उच्च-प्रदर्शन optical tool chip-scale बन जाता है, तो वह विशेष शोध अवसंरचना से निकलकर तैनाती योग्य प्रणालियों में जा सकता है।

यह कम से कम तीन तरीकों से मायने रखता है। पहला, compactness उन instruments में integration की बाधा कम करती है जिनमें table-sized lasers की जगह नहीं होती। दूसरा, manufacturability लागत घटा सकती है और reproducibility सुधार सकती है। तीसरा, on-chip compatibility ultrafast light generation को अन्य photonic functions के साथ अधिक tightly integrated devices में जोड़ने की संभावना बनाती है।

व्यावहारिक रूप से, इसका असर sensing, communications, precision measurement और portable scientific instrumentation पर पड़ सकता है। हर tabletop system गायब नहीं होगा, लेकिन वे वातावरण जहां femtosecond-grade performance उपलब्ध होगी, काफी बढ़ सकते हैं।

इंटीग्रेटेड फोटोनिक्स के लिए एक मील का पत्थर

Photonic chips पहले ही telecommunications में बड़ी भूमिका निभाते हैं, जहां waveguides प्रकाश को उसी तरह निर्देशित करते हैं जैसे electronic circuits current को। अल्ट्राफास्ट लेज़र generation तक इस miniaturization logic को बढ़ाना एक स्वाभाविक महत्वाकांक्षा रही है, लेकिन स्वाभाविक महत्वाकांक्षाएं अक्सर सबसे कठिन साबित होती हैं क्योंकि उन्हें सिर्फ सुविधा नहीं, प्रदर्शन चाहिए होता है।

EPFL टीम का दावा इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह केवल लेज़र को chip पर फिट करने के बारे में नहीं है। बात यह है कि ऐसा करते हुए स्थापित femtosecond systems के प्रदर्शन के बराबर पहुंचना। यही अंतर एक उपयोगी demo और एक संभावित field-changing platform को अलग करता है।

अभी भी landmark paper और mass-deployed product के बीच फर्क है। packaging, reliability, manufacturing yield और system integration आगे महत्वपूर्ण होंगे। लेकिन यहां रिपोर्ट किया गया परिणाम बताता है कि optics के सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक को chip-scale प्रारूप में संकुचित करने का लंबा प्रयास एक अर्थपूर्ण सीमा पार कर चुका है।

यह क्यों अलग दिखता है

• बताया गया है कि यह device 1.05 nanojoules pulse energy और 147-femtosecond pulses on chip हासिल करता है।
• यह काम Nature में प्रकाशित है और integrated photonics के एक लंबे समय से चले आ रहे लक्ष्य को संबोधित करता है।
• टीम ने Mamyshev oscillator architecture का उपयोग किया, जिस पर इस उद्देश्य के लिए अब तक बहुत कम ध्यान दिया गया था।
• संभावित अनुप्रयोगों में diagnostics, precision metrology और optical clock systems शामिल हैं।

यह लेख Science Daily की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.