नया उपकरण दृश्य प्रकाश को नियंत्रित करता है – बिना डिमिंग के

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नया उपकरण दृश्य प्रकाश को नियंत्रित करता है – बिना डिमिंग के

दृश्य-स्पेक्ट्रम चरण मॉड्यूलर (10 माइक्रोन के त्रिज्या के केंद्र में अंगूठी) एक तितली के पंख पैमाने से छोटा होता है। श्रेय: हैकिंग हुआंग और चेंग-चिया त्साई / कोलंबिया इंजीनियरिंग

पिछले कुछ दशकों में, शोधकर्ताओं ने उच्च गति वाले 5G नेटवर्क, चिप पर बायोसेंसर, और चालक रहित कारों के लिए निकट अवरक्त रेंज में विद्युत प्रवाह जैसे दूरसंचार अनुप्रयोगों का उपयोग करके प्रकाश तरंगों का उपयोग करने के लिए स्थानांतरित किया है। एकीकृत फोटोनिक्स के रूप में जाना जाने वाला अनुसंधान का यह क्षेत्र तेजी से विकसित हो रहा है और जांचकर्ता अब विभिन्न प्रकार के उभरते अनुप्रयोगों को विकसित करने के लिए लघु-दृश्य-तरंग दैर्ध्य रेंज की खोज कर रहे हैं। इनमें चिप-स्केल LIDAR (लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग), AR / VR / MR (ऑगमेंटेड / वर्चुअल / मिक्स्ड रियलिटी) गॉगल्स, होलोग्राफिक डिस्प्ले, क्वांटम इंफॉर्मेशन प्रोसेसिंग चिप्स और ब्रेन में इम्प्लांटेबल ऑप्टोजेन्स शामिल हैं।


दृश्य श्रेणी में इन सभी अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण ऑप्टिकल चरण मॉड्यूलेटर है, जो प्रकाश तरंग के चरण को नियंत्रित करता है, ठीक उसी तरह जैसे वायरलेस कंप्यूटर नेटवर्क में रेडियो तरंगों के चरण को संशोधित किया जाता है। चरण मॉड्यूलेटर के साथ, शोधकर्ता ऑन-चिप ऑप्टिकल स्विच बना सकते हैं जो विभिन्न वेवगाइड बंदरगाहों में चैनल प्रकाश करते हैं। ऑप्टिकल स्विच के इस विशाल नेटवर्क के साथ, शोधकर्ता अत्याधुनिक एकीकृत ऑप्टिकल सिस्टम बना सकते हैं जो एक छोटी चिप पर प्रकाश संचारित कर सकते हैं या चिप से प्रकाश उत्सर्जन को नियंत्रित कर सकते हैं।

लेकिन दृश्य सीमा में चरण मॉड्यूलेटर बनाना बहुत मुश्किल है: दृश्यमान स्पेक्ट्रम में कोई भी सामग्री नहीं है जो थर्मो-ऑप्टिकल या इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभावों के माध्यम से भी बड़ी ट्यूनेबिलिटी प्रदान करते हुए पर्याप्त रूप से पारदर्शी हो। वर्तमान में, दो सबसे उपयुक्त सामग्री सिलिकॉन नाइट्राइड और लिथियम नाइओबेट हैं। जबकि दोनों दृश्य सीमा में अत्यधिक पारदर्शी हैं, दोनों में से कोई भी अधिक अनुकूलता प्रदान नहीं करता है। इन सामग्रियों पर आधारित दृश्य-स्पेक्ट्रम चरण मॉड्यूलेटर न केवल बड़े हैं, बल्कि बिजली के भूखे भी हैं: व्यक्तिगत वेवगाइड-आधारित मॉड्यूलेटर की लंबाई सैकड़ों माइक्रोन से लेकर कई मिलीमीटर तक होती है, और एक मॉड्यूलेटर चरण ट्यूनिंग के लिए दसियों मेगावाट का उपयोग करता है। एक माइक्रोचिप पर हजारों उपकरणों को एम्बेड करके बड़े पैमाने पर एकीकरण प्राप्त करने की कोशिश कर रहे शोधकर्ताओं को अब तक इन विशाल, ऊर्जा-खपत उपकरणों द्वारा अवरुद्ध कर दिया गया है।

आज, कोलंबिया इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं ने घोषणा की कि उन्होंने इस समस्या का समाधान ढूंढ लिया है – उन्होंने एक माइक्रो-रिंग रेज़ोनेटर के आधार पर एक तरीका विकसित किया है जो एक दृश्य-स्पेक्ट्रम चरण मॉड्यूलेटर के आकार और बिजली की खपत दोनों को नाटकीय रूप से 1 मिमी से कम कर सकता है। टू टू फेज ट्यूनिंग। 10 माइक्रोन से कम और दस मेगावाट से 1 मेगावाट तक। अध्ययन आज प्रकाशित किया गया था प्रकृति फोटोनिक्स.

टीम के सह-मुख्य अन्वेषक (पीआई) और नैनोफोटोनिक्स विशेषज्ञ, एप्लाइड फिजिक्स के एसोसिएट प्रोफेसर नानफैंग यू ने कहा, “आमतौर पर बड़ी चीज, बेहतर। लेकिन एकीकृत डिवाइस एक उल्लेखनीय अपवाद हैं।” “उस स्थान पर प्रकाश को सीमित करना और उसकी शक्ति को खोए बिना उसमें हेरफेर करना वास्तव में कठिन है। हम उत्साहित हैं कि हमें इस काम में एक सफलता मिली है जो बड़े पैमाने पर दृश्यमान-स्पेक्ट्रम एकीकृत फोटोनिक्स के क्षितिज का विस्तार करेगा।”

दृश्य तरंगदैर्घ्य पर काम करने वाले पारंपरिक ऑप्टिकल चरण मॉड्यूलेटर वेवगाइड में प्रकाश के प्रसार पर आधारित होते हैं। यूए ने अपने सहयोगी मिशेल लिपसन के साथ काम किया, जो सिलिकॉन नाइट्राइड पर आधारित एकीकृत फोटोनिक्स पर एक प्रमुख विशेषज्ञ है, ताकि एक बहुत ही अलग दृष्टिकोण विकसित किया जा सके।

टीम के सह-पीआई और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और एप्लाइड फिजिक्स के प्रोफेसर यूजीन हिगिंस ने कहा, “हमारे समाधान की कुंजी एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर का उपयोग करना और इसे तथाकथित मजबूत अति-युग्मित शासन में संचालित करना था।”

नया उपकरण दृश्य प्रकाश को नियंत्रित करता है - इसे कम किए बिना - सबसे छोटे पदचिह्न और सबसे कम बिजली की खपत के साथ

दृश्य-स्पेक्ट्रम चरण मॉड्यूलर (10 माइक्रोन के त्रिज्या के केंद्र में अंगूठी) एक तितली के पंख पैमाने से छोटा होता है। श्रेय: हैकिंग हुआंग और चेंग-चिया त्साई / कोलंबिया इंजीनियरिंग

ऑप्टिकल रेज़ोनेटर उच्च स्तर की समरूपता वाली संरचनाएं हैं, जैसे कि छल्ले जो प्रकाश किरणों को कई बार चक्रित कर सकते हैं और छोटे अपवर्तक सूचकांक परिवर्तनों को बड़े-चरण मॉड्यूलेशन में बदल सकते हैं। रेज़ोनेटर कई अलग-अलग स्थितियों में काम कर सकते हैं और इसलिए सावधानी से उपयोग करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, यदि “अंडर-कपल्ड” या “क्रिटिकल-कपल्ड” शासनों में काम कर रहे हैं, तो रेज़ोनेटर केवल सीमित चरण मॉडुलन प्रदान करेगा और, अधिक समस्याग्रस्त रूप से, ऑप्टिकल सिग्नल में व्यापक आयाम भिन्नता पेश करेगा। उत्तरार्द्ध एक अत्यधिक अवांछनीय ऑप्टिकल नुकसान है क्योंकि व्यक्तिगत चरण मॉड्यूलर से मध्यम नुकसान का संचय भी उन्हें एक सर्किट बनाने के लिए कैस्केडिंग से रोक देगा जिसमें पर्याप्त रूप से बड़ा आउटपुट सिग्नल हो।

पूर्ण 2π चरण ट्यूनिंग और न्यूनतम आयाम भिन्नता प्राप्त करने के लिए, यू-लिप्सन टीम ने माइक्रो-रिंग को “दृढ़ता से अधिक-युग्मित” शासन में चलाने के लिए चुना, एक ऐसी स्थिति जहां माइक्रो-रिंग और “बस” के बीच संबंध मजबूत था। . वेवगाइड जो प्रकाश को रिंग में फीड करता है, माइक्रो-रिंग को हुए नुकसान से कम से कम 10 गुना अधिक मजबूत होता है। “उत्तरार्द्ध मुख्य रूप से डिवाइस की साइड की दीवारों पर नैनोस्केल खुरदरापन पर ऑप्टिकल बिखरने के कारण होता है,” लिप्स ने समझाया। “आप पूरी तरह चिकनी सतहों के साथ कभी भी फोटोनिक उपकरण नहीं बना सकते।”

टीम ने उपकरणों को मजबूत अति-युग्मित शासनों में मजबूर करने के लिए कई रणनीतियां विकसित कीं। सबसे महत्वपूर्ण उनकी एडियाबेटिक माइक्रो-रिंग ज्यामिति की खोज थी, जहां अंगूठी आसानी से एक संकीर्ण गर्दन और एक विस्तृत पेट के बीच संक्रमण करती है, जो अंगूठी के विपरीत किनारों पर स्थित होती है। रिंग की संकीर्ण गर्दन केवल वेवगाइड और माइक्रो-रिंग के बीच प्रकाश के आदान-प्रदान की सुविधा प्रदान करती है, जिससे कनेक्शन की ताकत बढ़ जाती है। रिंग का चौड़ा पेट ऑप्टिकल क्षति को कम करता है क्योंकि निर्देशित प्रकाश एडियाबेटिक माइक्रो-रिंग के चौड़े हिस्से के बाहरी साइडवॉल के साथ ही इंटरैक्ट करता है, आंतरिक साइडवॉल के साथ नहीं, साइडवॉल के खुरदरेपन पर ऑप्टिकल स्कैटरिंग को काफी कम करता है।

एडियाबेटिक माइक्रो-रिंग्स और एक ही चिप पर समान चौड़ाई के साथ निर्मित पारंपरिक माइक्रो-रिंग्स के तुलनात्मक अध्ययन में, टीम ने पाया कि कोई भी पारंपरिक माइक्रो-रिंग मजबूत ओवर-कपलिंग स्थितियों को संतुष्ट नहीं करता है – वास्तव में, वे सहन करते हैं। बहुत खराब ऑप्टिकल क्षति, जबकि 63% एडियाबेटिक माइक्रो-रिंग अति-युग्मित शासनों में दृढ़ता से कार्य कर रहे हैं।

“नीले और हरे रंग पर काम करने वाला हमारा सबसे अच्छा चरण मॉड्यूलेटर, जो दृश्यमान स्पेक्ट्रम का सबसे कठिन हिस्सा है, में केवल 5 माइक्रोन का त्रिज्या है, चरण ट्यूनिंग के लिए 0.8 मेगावाट बिजली की खपत करता है, और 10 से कम आयाम में भिन्नता प्रदान करता है। %, “हैकिंग हुआंग ने कहा, यूनी लैब में स्नातक छात्र और पेपर के पहले लेखक। “पिछले किसी भी काम ने दृश्यमान तरंग दैर्ध्य पर इस तरह के कॉम्पैक्ट, पावर-कुशल और कम-नुकसान वाले चरण मॉड्यूलेटर नहीं दिखाए हैं।”

उपकरणों को यूनी लैब और कोलंबिया नैनो इनिशिएटिव क्लीनरूम में, न्यूयॉर्क सिटी यूनिवर्सिटी के ग्रेजुएट सेंटर में एडवांस्ड साइंस रिसर्च सेंटर नैनोफाइब्रिकेशन फैसिलिटी में और कॉर्नेल नैनोस्केल साइंस एंड टेक्नोलॉजी फैसिलिटी में डिजाइन किया गया था। लिपसन और यूनी लैब्स में डिवाइस लक्षण वर्णन किया गया था।

शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि जब वे इलेक्ट्रॉनिक्स के एकीकरण की डिग्री के करीब नहीं हैं, तो उनका कार्य फोटोनिक और इलेक्ट्रॉनिक स्विच के बीच की खाई को काफी कम कर देता है। “यदि पहले की मॉड्यूलेटर प्रौद्योगिकियों ने विशिष्ट चिप पदचिह्न और बिजली बजट के आधार पर केवल 100 वेवगाइड चरण मॉड्यूलेटर के एकीकरण की अनुमति दी थी, तो हम अब इसे 100 गुना बेहतर कर सकते हैं और अधिक परिष्कृत कार्यों को महसूस करने के लिए चिप पर 10,000 चरण शिफ्टर्स को एकीकृत कर सकते हैं,” उन्होंने कहा। यूए ने कहा।

नया उपकरण दृश्य प्रकाश को नियंत्रित करता है - इसे कम किए बिना - सबसे छोटे पदचिह्न और सबसे कम बिजली की खपत के साथ

दृश्य-स्पेक्ट्रम चरण मॉड्यूलेटर (10 माइक्रोन के त्रिज्या के केंद्र में रिंग) सुबह के परागकणों की तुलना में बहुत छोटा होता है। श्रेय: हैकिंग हुआंग और चेंग-चिया त्साई / कोलंबिया इंजीनियरिंग

लिपसन और यू लैब्स अब दृश्य-स्पेक्ट्रम LIDAR को प्रदर्शित करने के लिए सहयोग कर रहे हैं, जिसमें एडियाबेटिक माइक्रो-रिंग्स पर आधारित फेज़ शिफ्टर्स की एक बड़ी 2D सरणी शामिल है। उनके दृश्य-स्पेक्ट्रम थर्मो-ऑप्टिकल उपकरणों के लिए उपयोग की जाने वाली डिज़ाइन रणनीतियों को उनके पैरों के निशान और ड्राइव वोल्टेज को कम करने के लिए इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर पर लागू किया जा सकता है, और अन्य वर्णक्रमीय श्रेणियों (जैसे, पराबैंगनी, THEFORM, TELCOM, MID) में अनुकूलित किया जा सकता है ) और अन्य गुंजयमान यंत्र माइक्रो-रिंगों के बाहर डिजाइन करते हैं।

“इस प्रकार, हमारा काम भविष्य के प्रयासों को प्रेरित कर सकता है जहां लोग प्रकाश-द्रव्यमान बातचीत को बढ़ाने के लिए गुंजयमान यंत्र-आधारित उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए मजबूत ओवर-कपलिंग लागू कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल गैर-रैखिकता बढ़ाने के लिए, एक उपन्यास लेजर बनाने के लिए, निरीक्षण करने के लिए उपन्यास क्वांटम।” करने के लिए। ऑप्टिकल प्रभाव, जबकि एक ही समय में ऑप्टिकल क्षति को दबाने, “लिप्सन ने कहा।


ऑन-चिप प्रकाश हेरफेर के लिए डिज़ाइन किए गए ऐड / ड्रॉप फिल्टर का आवृत्ति अनुवाद


और जानकारी:
गुओज़ेन लियांग एट अल, दृश्यमान तरंग दैर्ध्य पर मजबूत, कुशल, माइक्रोमीटर-स्केल चरण न्यूनाधिक, प्रकृति फोटोनिक्स (2021)। डीओआई: 10.1038 / s41566-021-00891-y

कोलंबिया यूनिवर्सिटी स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस द्वारा प्रदान किया गया

उल्लेख: नया उपकरण दृश्यमान प्रकाश को संशोधित करता है इसे कम किए बिना सबसे छोटे पदचिह्न और सबसे कम बिजली खपत (22 नवंबर 2021) से https://phys.org/news/2021-11-device-modulates-visible- 22 नवंबर 2021 को पुनः प्राप्त। लाइटविदाउट-डिमिंग.html

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