EPFL ஒரு femtosecond லேசரை photonic chip-க்கு சுருக்கியது

இருபது ஆண்டுகளாக இருந்த photonics இலக்கு இப்போது அடையக்கூடியதாக இருக்கலாம்

EPFL ஆராய்ச்சியாளர்கள், பாரம்பரிய tabletop femtosecond lasers-ன் செயல்திறனைப் பின்பற்றக்கூடிய முதல் integrated ultrafast laser-ஐ உருவாக்கியுள்ளதாக கூறுகின்றனர். Nature-இல் வெளியான இந்த கருவி, photonic chip-இலிருந்து நேரடியாக 1.05 nanojoules pulse energy மற்றும் 147 femtoseconds வரை குறுகிய pulse duration-ஐ உருவாக்குகிறது.

இந்த மதிப்புகள் ஆய்வகத்திலிருந்து வெளி உலகுக்குச் செல்லும் போதும் நிலைத்தால், integrated photonics-க்கு இது ஒரு பெரிய திருப்புமுனையாக இருக்கலாம். இருபது ஆண்டுகளுக்கும் மேலாக, chip-இல் high-pulse-energy femtosecond lasers ஒரு வகை holy grail-ஆகக் கருதப்பட்டன: தெளிவாக பயனுள்ளவை, கோட்பாட்டில் சாத்தியமானவை, ஆனால் நடைமுறையில் எட்டாக்கனியாக இருந்தவை.

ultrafast lasers ஏன் முக்கியம்

Ultrafast lasers நவீன optics-இல் அத்தியாவசியமான கருவிகள், ஏனெனில் அவை மிகக் குறுகிய light pulses-ஐ உருவாக்குகின்றன. அந்த pulses manufacturing, surgery, spectroscopy மற்றும் frequency-comb systems ஆகியவற்றில் உயர்துல்லிய பயன்பாடுகளைச் சாத்தியமாக்குகின்றன; இதில் இன்றுள்ள மிகத் துல்லியமான timekeeping technologies-க்கு அடிப்படையாய் இருக்கும் optical atomic clocks-மும் அடங்கும்.

சிக்கல் size மற்றும் cost. வழக்கமான femtosecond systems பெரும்பாலும் பெரிய optical tables-ஐ ஆக்கிரமிக்கின்றன, மேலும் சிக்கலான alignments மற்றும் சிறப்பு சூழ்நிலைகளைத் தேவைப்படுத்துகின்றன. இதனால் அவை எங்கு பயன்படுத்தப்பட முடியும் என்பதும், யார் அவற்றைப் பயன்படுத்த இயலும் என்பதும் கட்டுப்படுத்தப்பட்டன.

ஒரு chip-scale சமமான மாற்று இந்த சமன்பாட்டை மாற்றுகிறது. வலுவான ultrafast lasers-ஐ telecommunications hardware-இல் photonic components போல உற்பத்தி செய்து ஒருங்கிணைக்க முடிந்தால், இந்த தொழில்நுட்பம் சிறியதாகவும், மலிவாகவும், மேலும் அணுகத்தக்கதாகவும் ஆகலாம்.

அதைச் செயல்பட வைத்த overlooked architecture

வழங்கப்பட்ட மூல உரையின் படி, Tobias J. Kippenberg தலைமையிலான EPFL குழு Mamyshev oscillator architecture-ஐத் தேர்ந்தெடுத்தது; இது integrated photonics-இல் ஒப்பீட்டளவில் குறைவாக கவனிக்கப்பட்ட ஒரு வடிவமைப்பு. இந்த அமைப்பு, spectrum-இன் வேறுபட்ட பகுதிகளை அனுப்பும் இரண்டு optical filters-க்கு இடையில் ஒரு nonlinear waveguide-ஐ வைக்கிறது. ஒரு தீவிர pulse waveguide வழியாக செல்லும் போது, அதன் spectrum விரிவடைகிறது; இதனால் filters ultrafast pulse formation-ஐ வடிவமைத்து நிலைப்படுத்த உதவுகின்றன.

இந்தத் தேர்வின் முக்கியத்துவம் அது வேலை செய்ததிலேயே இல்லை; தடையாக இருந்தது பொருள் அல்லது உற்பத்தி சார்ந்தது மட்டுமல்ல என்பதையும் இது காட்டுகிறது. சில நேரங்களில் நீண்டகாலப் பிரச்சினை தீராமல் இருப்பதற்குக் காரணம், துறை தவறான design space-ஐப் பார்க்கிறதென்பதாகும். EPFL முடிவு integrated photonics high-energy femtosecond operation-க்கு மிகவும் பயனுள்ள ஒரு பாதையை கவனிக்காமல் விட்டிருக்கலாம் என்பதைக் காட்டுகிறது.

இந்த chip-based முடிவை Kippenberg field நீண்ட காலமாக ஒரு “holy grail” எனக் கருதியதாக விவரித்தார். அந்தச் சொற்கள், இந்த சவால் எவ்வளவு மையமாக இருந்தது என்பதைக் காட்டுகின்றன. பல photonic technologies chips-க்கு வெற்றிகரமாகச் சுருங்கியுள்ளன, ஆனால் ultrafast, high-energy pulse generation மாற்றுவதற்கு மிகவும் கடினமான ஒன்றாகவே இருந்தது.

இது என்னென்னவற்றை திறக்கலாம்

வழங்கப்பட்ட பொருளில் குறிப்பிடப்பட்ட சாத்தியமான பயன்பாடுகள் medical diagnostics முதல் atomic clocks வரை விரிகின்றன. இந்த உதாரணங்கள் ஒரு பரந்த விளைவைக் குறிப்பதாக உள்ளன: ஒரு உயர்திறன் optical tool chip-scale ஆகும்போது, அது சிறப்பு ஆய்வக உட்கட்டமைப்பிலிருந்து deploy செய்யக்கூடிய அமைப்புகளுக்குள் நகர முடியும்.

இதன் முக்கியத்துவம் குறைந்தது மூன்று வழிகளில் உள்ளது. முதலில், compactness table-sized lasers-ஐ ஏற்க முடியாத instruments-இல் ஒருங்கிணைப்பதற்கான தடையை குறைக்கிறது. இரண்டாவது, manufacturability செலவை குறைத்து reproducibility-ஐ மேம்படுத்த முடியும். மூன்றாவது, on-chip compatibility ultrafast light generation-ஐ பிற photonic functions-உடன் மேலும் tightly integrated devices-இல் இணைக்க முடியும் என்ற சாத்தியத்தை உருவாக்குகிறது.

நடைமுறையில், இது sensing, communications, precision measurement மற்றும் portable scientific instrumentation ஆகியவற்றை பாதிக்கலாம். எல்லா tabletop systems-மும் மறைந்துவிடாது, ஆனால் femtosecond-grade செயல்திறன் கிடைக்கும் சூழல்கள் கணிசமாக விரிவடையலாம்.

integrated photonics-க்கு ஒரு மைல்கல்

Photonic chips ஏற்கனவே telecommunications-இல் பெரிய பங்காற்றுகின்றன; அங்கு waveguides ஒளியை electronic circuits current-ஐ இயக்குவது போல இயக்குகின்றன. அந்த miniaturization logic-ஐ ultrafast laser generation வரை விரிவுபடுத்துவது வெளிப்படையான இலட்சியம் தான், ஆனால் அவை வசதியைக் காட்டிலும் செயல்திறனைத் தேவைப்படுத்துவதால் இத்தகைய இலட்சியங்கள் மிகவும் கடினமாகின்றன.

EPFL குழுவின் கூற்று முக்கியமானது, ஏனெனில் இது லேசரை chip-இல் பொருத்துவது மட்டுமல்ல. நிறுவப்பட்ட femtosecond systems-ன் செயல்திறனைப் பொருந்தச்செய்தபடியே இதைச் செய்யுவது. அந்த வேறுபாடுதான் ஒரு பயனுள்ள demo-வையும், ஒரு துறையையே மாற்றக்கூடிய platform-ஐயும் பிரிக்கிறது.

இன்னும் ஒரு landmark paper மற்றும் mass-deployed product இடையே வேறுபாடு உள்ளது. packaging, reliability, manufacturing yield மற்றும் system integration அடுத்த கட்டத்தில் முக்கியமாக இருக்கும். ஆனால் இங்கு அறிவிக்கப்பட்ட முடிவு, optics-இன் மிக சக்திவாய்ந்த கருவிகளில் ஒன்றை chip-scale வடிவத்திற்கு சுருக்கும் நீண்ட முயற்சி ஒரு முக்கியத் தளத்தை கடந்துவிட்டதாகக் காட்டுகிறது.

இது ஏன் தனித்துவமாக உள்ளது

• இந்த device on chip-இல் 1.05 nanojoules pulse energy மற்றும் 147-femtosecond pulses அடைகிறது என்று கூறப்படுகிறது.
• இந்தப் பணி Nature-இல் வெளிவந்துள்ளது மற்றும் integrated photonics-இன் நீண்டகால இலக்கை நோக்குகிறது.
• குழு இந்த நோக்கத்திற்காக பெரிதாக கவனிக்கப்படாத Mamyshev oscillator architecture-ஐ பயன்படுத்தியது.
• சாத்தியமான பயன்பாடுகளில் diagnostics, precision metrology மற்றும் optical clock systems அடங்கும்.

இந்தக் கட்டுரை Science Daily-யின் செய்திப்பதிவை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.