- integrated photonics chip के भीतर एक ही laser color को कई तरह की visible light और infrared में बदलने, और सिर्फ circuit design के ज़रिए अलग-अलग unique wavelengths बनाने वाली संरचना प्रदर्शित की गई
- silicon wafer पर lithium niobate और tantala को 3D stacking के साथ जमा कर, light color conversion और electrical control को एक ही chip पर साथ में संभालने का तरीका अपनाया गया
- quantum clocks और quantum computers को हर atom के लिए उपयुक्त खास laser color चाहिए, लेकिन मौजूदा उपकरणों का आकार, लागत और power consumption वास्तविक उपयोग में बड़ी बाधा रहे हैं
- एक wafer पर नाखून के आकार की लगभग 50 chips और कुल 10,000 photonic circuits एकीकृत किए गए, और हर circuit अलग रंग output करता है; lab में infrared को visible light में बदलने का प्रदर्शन भी हुआ
- कम-लागत और पोर्टेबल photon-based systems की दिशा में निर्माण-पथ मिलने से, quantum technology के अलावा AI के लिए chip-to-chip communication और virtual reality displays जैसे उपयोगों तक विस्तार की संभावना उभरती है
integrated photonic circuits में प्रगति
- silicon wafer पर विशेष materials के जटिल patterns की परतें चढ़ाकर, electronic chips की तरह light को चलाने और information process करने वाली photonics chips बनाई गईं
- यह chip laser, waveguide, filter और switch जैसे optical components का उपयोग करके circuit के भीतर light को पहुँचाती और process करती है
- AI, quantum computers और optical atomic clocks जैसी उभरती technologies में मदद कर सकती है
- electrons की जगह photons का उपयोग करने वाले circuits, information transfer और processing में electricity से अलग गुण रखते हैं
- photons, circuit से गुजरते समय electrons की तुलना में बहुत तेज़ चलते हैं
- laser light, optical atomic clocks और quantum computers जैसी quantum technologies के control के लिए आवश्यक तत्व है
- integrated photonics के प्रसार में प्रमुख बाधाओं में से एक laser wavelength की सीमा है
- high-quality, small-sized और high-efficiency lasers केवल कुछ सीमित wavelengths पर ही उपलब्ध हैं
- semiconductor lasers, 980 nanometer infrared बनाने के लिए बहुत उपयुक्त हैं, जो मानव दृष्टि की सीमा के ठीक बाहर है
- optical atomic clocks और quantum computers को कई अन्य रंगों के lasers की ज़रूरत होती है
- इन रंगों को बनाने वाले मौजूदा lasers बड़े, महंगे और अधिक power-consuming हैं, जिससे ऐसी quantum technologies व्यावहारिक रूप से कुछ विशेष-उद्देश्य वाली labs तक सीमित रहती हैं
- chip circuits के भीतर lasers को integrate करने से अधिक सस्ती और पोर्टेबल quantum technology की ओर बढ़ने की उम्मीद है
- इससे lab के बाहर वास्तविक applications तक विस्तार संभव हो सकता है
multi-layer stacking method
- नई photonics chip को परत-दर-परत stacked structure में बनाया गया
- इसकी शुरुआत silicon, silicon dioxide (glass) और आने वाली light का रंग बदल सकने वाले lithium niobate से coated एक standard silicon wafer से होती है
- metal pieces जोड़कर circuit किस तरह एक रंग की light को दूसरे रंग में बदले, इसे electrically control करना संभव बनाया गया
- अलग metal-lithium niobate interface बनाकर circuit के भीतर light को तेज़ी से on/off करने की क्षमता लागू की गई
- यह क्षमता data processing और high-speed routing का मुख्य तत्व है
- सबसे ऊपरी layer पर दूसरे nonlinear material tantalum pentoxide (tantala) का उपयोग किया गया
- tantala एक laser color को input के रूप में लेकर, उसे पूरे visible rainbow और infrared wavelengths की विस्तृत range में बदल सकता है
- इस material को heat किए बिना circuits के रूप में बनाने की तकनीक कई वर्षों में विकसित की गई, ताकि इसे अन्य materials के ऊपर बिना नुकसान के deposit किया जा सके
- अलग-अलग materials को 3D stacking के साथ pattern करके, layers के बीच light को कुशलता से route करने वाली एक single chip बनाई गई
- इसमें tantala की light-conversion क्षमता और lithium niobate की controllability को जोड़ा गया
- tantala को मौजूदा circuits में जोड़ा जा सकना इसकी प्रमुख ताकत है
- एक wafer पर लगभग नाखून के आकार की 50 chips और कुल 10,000 photonic circuits integrate किए गए
- हर circuit अलग unique color output करता है
- केवल circuit design से ही कई तरह के रंग बनाए जा सकते हैं
wavelength के अनुसार अनुकूलित lasers की मांग
- quantum clocks और quantum computers अक्सर information store और process करने के लिए atom arrays का उपयोग करते हैं
- हर प्रकार के atom के internal quantum energy levels के अनुरूप laser चाहिए
- rubidium atom 780 nanometer की लाल रोशनी पर प्रतिक्रिया करता है
- यह quantum computers और clocks में आम तौर पर इस्तेमाल होने वाले atoms का उदाहरण है
- strontium atom 461 nanometer की नीली रोशनी पर प्रतिक्रिया करता है
- कोई दूसरा रंग डालने पर यह बिल्कुल प्रतिक्रिया नहीं करता
- ऐसे customized colors बनाने वाले मौजूदा lasers का आकार, लागत और जटिलता quantum computers और optical clocks की field deployment में बड़ी बाधा है
- lab के बाहर field environments में ले जाने में यह एक प्रमुख सीमित करने वाला कारक है
संभावित उपयोग
- कम-लागत, low-power और portable optical clocks के कई क्षेत्रों में संभावित उपयोग हो सकते हैं
- ज्वालामुखी विस्फोट और भूकंप की भविष्यवाणी में सहायता संभव
- position finding और navigation में GPS alternative बन सकते हैं
- dark matter की प्रकृति जैसे वैज्ञानिक रहस्यों की खोज में मदद कर सकते हैं
- quantum computers दवाओं और materials की physics तथा chemistry के अध्ययन के लिए नए approaches दे सकते हैं
- integrated photonic circuits के उपयोग केवल quantum technology तक सीमित नहीं हैं
- यह tech companies द्वारा इस्तेमाल किए जाने वाले special chips के बीच signals को कुशलता से पहुँचाने में मदद कर सकते हैं
- AI-based tools को अधिक powerful और efficient बनाने में योगदान दे सकते हैं
- tech companies photonics का उपयोग virtual reality displays को बेहतर बनाने के लिए भी करना चाहती हैं
commercialization path
- मौजूदा chip अभी mass production के लिए तैयार नहीं है
- लेकिन इसकी fabrication technique आगे के रास्ते की ओर संकेत देती है
- technology को scale करने के लिए Octave Photonics के साथ सहयोग चल रहा है
- यह Colorado के Louisville स्थित startup है
- इसे पूर्व NIST researchers ने स्थापित किया था और यह technology scaling पर काम कर रहा है
visual और experimental विशेषताएँ
- नाखून के आकार की एक छोटी rectangular chip के भीतर laser light का रंग बदलने वाले कई circuits integrate किए गए हैं
- तस्वीर में ऐसा एक circuit दिखाया गया है जो अदृश्य infrared को दिखाई देने वाली नीली रोशनी में बदलता है
- size comparison के लिए dime coin का उपयोग किया गया
- nonlinear optics आधारित chip में दर्जनों रंगों के lasers शामिल हो सकते हैं
- lab में chip के अदृश्य light लेकर कई visible lights उत्पन्न करने वाले operation की पुष्टि की गई
- यह एक ही integrated chip के भीतर विविध applications की संभावना को सहज रूप से दिखाता है
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