13 دقیقه
آنها یک لیزر را به چند رنگ تبدیل کردند — و این کار را بدون هیترهای حساس یا تنظیمات پیدرپی انجام دادند. تصور کنید یک چیپ فوتونیک جمعوجور که یک لیزر با طول موج مخابراتی را گرفته و مانند یک منشور کوچک با قدرتهای ویژه، نور قرمز، سبز و آبی تولید میکند. هیچ لیزر اضافی لازم نیست. کنترل دمای ظریف هم لازم نیست. تنها نور از یک طرف وارد میشود و چند فرکانس جدید از طرف دیگر خارج میشود.
پژوهشگران موسسه مشترک کوانتومی (JQI) مدارهایی جدید طراحی و آزمایش کردهاند که بهطور قابلاطمینان یک رنگ نور (که در تصویر بالا با پالس نارنجی در گوشهٔ پایین چپ نشان داده شده) را به چند رنگ متفاوت تبدیل میکنند (پالسهای قرمز، سبز، آبی و خاکستری تیره که از گوشهٔ پایین راست چیپ خارج میشوند). آرایهای از حلقهها — که هر کدام یک رزوناتور هستند و به نور اجازه میدهند صدها هزار تا میلیونها بار دور بزند — تضمین میکند که تعامل بین نور ورودی و ساختار میتواند فرکانس را دو برابر، سه برابر و حتی چهار برابر کند. این تبدیل فرکانس به صورت پایدار و تکرارپذیر در نمونههای ساختهشده مشاهده شده است.
از لکهٔ کنجکاو تا یک مسئلهٔ مهندسی سرسخت
اپتیک غیرخطی تاریخی پر از شگفتیها دارد. اولین شواهد گزارششده از تولید هارمونیک دوم در سال 1961 آنقدر ضعیف بود که یک ویراستار آن را بهعنوان یک لکهٔ چاپی اشتباه گرفت. آن لکهٔ کوچک نقطهٔ آغاز یک حوزه بود که بر پایهٔ استفاده از تأثیرات ضعیف بنا شد: نور شدید خواص ماده را تغییر میدهد و آن خواص تغییر یافته نور را به فرکانسهای جدید سوق میدهند. این فرایندها — دوبرابر کردن، سهبرابر کردن یا چهاربرابر کردن فرکانس ورودی — هستهٔ تبدیل فرکانس را تشکیل میدهند و زیربنای کاربردهایی در متروژی، اطلاعات کوانتومی و مخابرات هستند.
اما تأثیرات غیرخطی اغلب بهطرز ماندگاری ضعیفاند. برای دههها، مسیر عملی برای تقویت این تعاملات، به دام انداختن نور داخل رزوناتورها بود تا فوتونها بتوانند چندین بار از میان محیط غیرخطی عبور کنند. هر عبور فرایند را قدری پیش میبرد. صدها هزار یا حتی میلیونها گردش باعث تقویت اثری میشود که در غیر این صورت بسیار ناچیز بود. با این حال، ساخت دستگاهی که بهطور قابلاطمینان چند هارمونیک را روی یک چیپ تولید کند و این قابلیت را در نمونههای مختلف تولیدی تکرارپذیر کند، همواره چالشی باقی مانده است.
چرا این کار اینقدر دشوار است؟ زیرا تبدیل فرکانس روی چیپ همزمان دو الزام دارد: رزوناتور باید فوتونها را در هر دو فرکانس ورودی و فرکانس هدف پشتیبانی کند، و آن فوتونها باید در طول گردش فاز-همراستا (phase-matched) باقی بمانند. اگر هر یک از این شرطها برقرار نشود، فرایند فرو میپاشد. تغییرات ریز در مقیاس نانومتری در فرایند ساخت، فرکانسهای رزونانس و سرعت گروهی را جابجا میکنند. طرحی که روی یک ویفر کار میکند، ممکن است روی ویفر دیگر شکست بخورد. نتیجه: کاری محتاطانه و شانسی که تنها بخشی از چیپهای تولیدشده عملکرد موردنظر را نشان میدهند.
دو ساعت، یک تبدیل قابلاطمینان
مشکل شانسی دقیقاً همان چیزی بود که تیم JQI به شیوهای متفاوت به آن پرداخت. محمد حافظی، کارتیک سرینیواسان و همکارانشان، از جمله محمود جلالی مهرآباد و لیدا شو، معماریای را که در کارهای قبلی استفاده کرده بودند بازبینی کردند: نه یک حلقهٔ منفرد، بلکه یک آرایه از رزوناتورهای حلقهای کوچک. بینش آنها این بود که بهجای تلاش برای مجبور کردن تراز رزونانسی دقیق، آیا خود هندسه نمیتواند احتمال سازگاری را افزایش دهد؟
آنچه یافتند بهطرز ساده و در عین حال ظریفی بود. آرایهٔ رزوناتورها دو مقیاس زمانی طبیعی تولید میکند. نور سریعاً اطراف هر حلقهٔ کوچک میچرخد — یک گردش محلی سریع. در همان زمان، کل آرایه مانند یک «ابرحلقه» (super-ring) بزرگتر رفتار میکند که نور را به آرامیتر در پیرامون خود هدایت میکند. این دو نرخ گردش متمایز مانند دو ساعت هستند که با سرعتهای متفاوت درون یک چیپ تیکتاک میکنند.
داشتن این دو ساعت قوانین را تغییر میدهد. بهجای نیاز به یک تراز فرکانسی-فازی دقیق واحد، سیستم مسیرهای زمانی متعددی برای تعامل فوتونها و ساخت هارمونیکها ارائه میدهد. سفرهای سریع فرصتهای زیادی برای تعاملات غیرخطی محلی فراهم میکنند، در حالی که گردش کندترِ ابرحلقه کمک میکند فازها در سراسر ساختار همراستا شوند. نتیجهٔ نهایی: هارمونیک دوم، سوم و حتی چهارم بهصورت گسترده و بدون جبران فعال مانند هیترهای مجتمع ظاهر میشوند.
آزمایشهایی که ادعا را ثابت میکنند
تیم، شش چیپ ساختهشده روی یک ویفر واحد را آزمایش کرد. آنها یک لیزر استاندارد 190 تراهرتز — نوری در فرکانس مخابراتی متداول در فیبر نوری — را به هر دستگاه تاباندند و خروجی را مشاهده کردند. هر کدام از چیپهای شامل آرایهٔ رزوناتور، هارمونیکهای دوم، سوم و چهارم تولید کردند. در خروجی دستگاه، فرکانسهای جدید مطابق با نور قرمز، سبز و آبی برای آن ورودی خاص بودند. این اثر در یک بازه منطقی از فرکانسهای ورودی و توان پمپ نیز پایدار ماند.
برای مقایسه، پژوهشگران رزوناتورهای تکحلقهای نیز ساختند و برخی از آنها را با هیترهای ریز برای تنظیم فعال تجهیز کردند. حتی با آن هیترها، حلقههای منفرد تنها بهندرت تولید هارمونیک دوم داشتند و تنها در پنجرههای باریک دما-هیتر و فرکانس ورودی. تضاد گویا بود: آرایههای دو-مقیاس زمانی بهصورت غیر فعال و در بازهٔ وسیعتر عمل کردند؛ حلقههای منفرد نیازمند مداخلهٔ دقیق و پرمصرف انرژی بودند.
وقتی تیم شدت ورودی را افزایش داد، چیپها شروع به تولید خطوط طیفی اضافی اطراف هر هارمونیک کردند، که یادآور شانههای فرکانسی تو در تو (nested frequency combs) بود که گروه قبلاً مهندسی کرده بود. این مشاهده نشاندهندهٔ دینامیکهای غیرخطی پیچیدهتر در معماری آرایه است — دینامیکهایی که میتوانند برای متروژی فرکانس و سنتز نوری روی چیپ بهکار گرفته شوند.
چگونه رزوناتورها کار را انجام میدهند
رزونانسهای محلی و ابرحلقه
تصور کنید چندین پیست کوچک مسابقه برای نور که مانند مهرههایی روی یک گردنبند چیده شدهاند. هر مهره یک رزوناتور حلقهای است که برای پشتیبانی از مدهای نوری خاص تنظیم شده؛ اندازه و ضریب شکست آن تعیین میکند چه فرکانسهایی میتوانند اطراف آن بگردند. یک حلقهٔ منفرد فرکانسهای رزونانسی گسستهای پشتیبانی میکند، درست مانند یک سیم گیتار که نتهای معینی را پشتیبانی میکند. اما وقتی چندین حلقه را در یک آرایه به هم کوپل میکنید، مسیرهای کوپلینگ باز میشوند و مدهای جمعی جدیدی پدیدار میشوند. آرایه هم چرخههای بسیار محلی داخل حلقههای منفرد و هم چرخههای گستردهای که لبهٔ آرایه را میپیمایند — یعنی مود ابرحلقه — پشتیبانی میکند.
از دید ریاضیاتی، این کار چندین مقیاس زمانی و طولی را وارد مسأله میکند. از منظر فیزیکی، فرصتهای بیشتری میدهد تا فرایند غیرخطی بتواند روابط فرکانسی و فازی لازم برای تبدیل کارآمد را برآورده کند. خطاهای کوچک در ساخت که یک طراحی تکحلقهای را نابود میکند، به احتمال کمتر همزمان هر دو رزونانس محلی و ابرحلقه را خراب میکنند. خلاصه اینکه: افزونگیِ جاسازیشده در هندسه.
متن علمی و دلیل اهمیت این کار
مبدلهای فرکانسی جمعوجور و قابلاطمینان از اهداف دیرینهاند. در فوتونیک کوانتومی، آنها میتوانند طولموجها را از منابع لیزری راحت به فرکانسهای مورد نیاز گذارهای اتمی که برای حافظه و درهمتنیدگی بهکار میروند تبدیل کنند. در متروژی، شانههای فرکانسی ناشی از تولید هارمونیک امکان ساخت ساعتها و اندازهگیریهای فاصلهٔ فوقالعاده دقیق را فراهم میکنند. برای فوتونیک یکپارچه و ارتباطات نوری، یک منبع روی چیپ که چند کانال نور تولید کند میتواند سیستمهایی را که اکنون به چندین لیزر جداگانه متکیاند سادهتر کند و نیاز به هماهنگی پیچیده را کاهش دهد.
تا کنون، دستیابی به این تبدیلها روی چیپ معمولاً نیازمند طراحی دقیق، ساخت تجربی و اغلب سختافزار تنظیم فعال بود که تولید و استقرار را پیچیده میکرد. آرایههای رزوناتور با دو مقیاس زمانی این محدودیتها را کاهش میدهند. آنها حساسیت به تغییرات کوچک ساخت را کم میکنند و هیترها و سیستمهای کنترل و توان مرتبط را از معادله حذف میکنند. برای تولیدکنندگان این نکته بسیار مهم است: بازده بیشتر، هزینهٔ کمتر و مسیر روشنتری از نمونههای آزمایشگاهی تا دستگاههای دنیای واقعی.
البته جزئیات فنی وجود دارد. قدرت تبدیل غیرخطی بستگی به خواص ماده — بهطور مشخص تندی غیرخطی (nonlinear susceptibility, مانند χ(2) یا χ(3)) — و همچنین به فاکتور کیفیت (Q) رزوناتورها دارد که مشخص میکند فوتونها چه مدت در تله میمانند. دستگاههای JQI از چینشهای دقیق حلقه و رزونانسهای با Q بالا بهره میبرند، اما اصل بنیادین — استفاده از هندسه برای افزودن درجات آزادی زمانی — قابل تعمیم است. مواد مختلف، از نیترید سیلیکون (Si3N4) تا لیتیم نیوبیت (LiNbO3)، میتوانند از استراتژیهای مشابه آرایهای که با خصوصیات غیرخطی آنها همخوانی دارد، سود ببرند.
کاربردهای بالقوه و چشمانداز آینده
چند فرصت نزدیکمدت را در نظر بگیرید. اولاً، مبدلهای فرکانسی یکپارچه میتوانند ساعتهای اتمی جمعوجور و مبتنی بر چیپ را ممکن سازند که امروز به چندین منبع نوری جداگانه متکیاند. ثانیاً، سیستمهای ارتباطات کوانتومی میتوانند از هارمونیکهای روی چیپ برای پر کردن شکاف بین انتقال در باند مخابراتی فیبری و گذارهای مرئی یا نزدیک-مادونقرمز مورد استفاده حافظههای کوانتومی بهرهمند شوند. ثالثاً، پردازندههای فوتونیکی غیرخطی — دستگاههایی که از نور برای محاسبه بهجای الکترونها استفاده میکنند — میتوانند از تولید چندهارمونیکی غیرفعال برای گسترش پهنای باند عملیاتی و قابلیتهای پردازش سیگنال استفاده کنند.
علاوه بر اینها، این کار به یک فلسفهٔ طراحی اشاره میکند که تابآوری را ارج مینهد. وقتی یک مدار نوری موفق میشود چون هندسهاش مسیرهای متعدد موفق را ارائه میدهد بهجای یک مسیر باریک، تولید انبوه عملی میشود. مهندسان میتوانند تمرکز را از مدیریت ریزپارامترهای هر فرایند ساخت به بهینهسازی توپولوژی مدار برای مقاومت و عملکرد ببَرَند.
دیدگاه تخصصی
«آنچه جلب توجه میکند این است که چگونه یک انتخاب معماری ساده محاسبات مهندسی را تغییر میدهد،» دکتر النا مورالس میگوید، یک مهندس فوتونیک نمونه (شخصیت فرضی) با دو دهه تجربه در اپتیک یکپارچه. «شما از سیستمی شکننده که نیاز به اصلاحات فعال دارد، به سیستمی منتقل میشوید که ساختار آن نوسانات را جذب میکند. این نوع اندیشه است که دستگاهها را از نمونههای آزمایشی به محصولات منتقل میکند. تفاوت بین اثبات مفهوم و تولید قابلتکرار است.»
نکتهٔ او بازتاب مزایای عملی است که گروه JQI بر آنها تاکید میکند: نیاز کمتر به کالیبراسیون، بودجهٔ حرارتی سادهتر و بازده بهتر دستگاه — همهٔ اینها برای تجاریسازی ابزارهای فوتونیک یکپارچه حیاتیاند.
تأثیرات علمی گستردهتر
وقتی یک پلتفرم بهطور قابلاطمینانی چند هارمونیک تولید میکند، آزمایشگران میتوانند اندازهگیریها و پروتکلهای جدیدی را که قبلاً عملی نبودند، امتحان کنند. طیفسنجی با شانهٔ فرکانسی، که بر آرایههای دقیق از فرکانسهای نوری تکیه دارد، سادهتر روی فضاهای کوچک قابل پیادهسازی میشود. آزمایشهای کوانتومی که نیاز به تطبیق رنگ فوتونها بین سیستمهای مختلف دارند، مسیری به سمت مبدلهای جمعوجور بهجای میزهای بزرگ پر از لیزرهای جداگانه و مراحل همراستاسازی میبینند.
زاویههای نظری هم ارزش بررسی دارند. آرایههایی با بینظمی مهندسیشده که عمداً وارد شده، ممکن است عملکرد بهتری داشته باشند چون مجموعهٔ مسیرهای در دسترس را گسترش میدهند. دینامیکهای غیرخطی در سیستمهای چند-مقیاس زمانی میتوانند رفتارهای غیرمنتظرهای نشان دهند — پدیدار شدن پدیدههای همگامسازی، ساختارهای شانهای نوظهور، یا آشوب کنترلشده — که پژوهشگران میتوانند از آنها برای تولید سیگنال یا حسگری بهره ببرند.
چه چیزهایی باقی مانده است که انجام شود
چالشها همچنان وجود دارند. مقیاسبندی رویکرد برای دستیابی به بازدههای تبدیل قویتر در توانهای پمپ کمتر برای کاربردهای حساس به انرژی اهمیت خواهد داشت. یکپارچهسازی چنین آرایههایی با سایر اجزای روی چیپ — مدولاتورها، آشکارسازها، و موجبرهایی که برای طولموجهای جدید تولیدشده بهینه شدهاند — تعیین خواهد کرد که این فناوری چقدر بهطور یکپارچه در سیستمهای فوتونیکی بزرگتر جای میگیرد. و طبیعی است که پایداری بلندمدت و بستهبندی مناسب برای محیطهای خارج از آزمایشگاه برای تحقق استانداردهای صنعتی ضروری خواهد بود.
اما جهت حرکت روشن است. تطابق غیرفعال مبتنی بر هندسه پیچیدگی را کاهش میدهد و درها را باز میکند. نتایج JQI نشان میدهد که گاهی راهحل نه کنترل بیشتر، بلکه فرصتهای بیشتر است: مسیرهای بیشتر برای پیدا کردن تعامل درست توسط نور و تحمل بیشتر نسبت به ناقصهایی که همراه ساخت واقعی وجود دارند.
اگر هدف تولید قابلاطمینان رنگهای جدید نوری روی چیپ باشد، طراحی دستگاههایی با افزونگی زمانی داخلی بهنظر مسیر معقولی میآید. رویکرد آرایهای رزوناتورها عملی، زیبا و بهطور حیاتی، قابلتکرار است — سه مؤلفهای که صنعت برای حرکت از نوآوری اتاق تمیز به قطعهٔ تولیدشده بهصورت انبوه جستجو میکند.
چه گروههایی خواهند ساخت وقتی نور چندرنگ روی چیپ به همان اندازه که سیگنالهای الکترونیکی روی بردهای مدار قابلاعتماد است در دسترس شود؟ انتظار داشته باشید حسگرهای اتمی جمعوجور، شبکههای کوانتومی سادهشده و کلاسهای جدیدی از پردازندههای نوری، که هر کدام از ایدهٔ ساده اما قدرتمندی بهره میبرند مبنی بر اینکه چند مقیاس زمانی میتوانند جایگزین تنظیم فعال شوند.
پژوهشگران به طراحی و تنظیم در آزمایشگاه ادامه خواهند داد. صنعت ارقام بازده را زیر نظر خواهد گرفت. و مهندسان خواهند پرسید: هندسه چند ترفند دیگر میتواند به ما دربارهٔ کنترل نور بیاموزد؟
منبع: scitechdaily
نظرات
شهررو
جالب اینکه به جای کنترل پیدرپی، معماری مهندسی شده راهحل داده؛ یه جور تابآوری در طراحی. فکر میکنم کاربردیش کنه
لابکور
تو آزمایشهام دیده بودم بینظمی هندسی گاهی بهتر عمل میکنه، خوشحالم دیدن این رو در مقیاس چیپ هم ممکنه. جالب بود
توربور
ایدهٔ آرایه ای قشنگه، منطقیه. مصرف کمتر و دردسر کمتر در تولید یعنی قدم به جلو، ببینیم بازده نهایی چقدره
کوینکس
واقعاً بدون هیتر و تنظیم فعال کار میکنه؟! شایدم تو شرایط آزمایشگاهی خوبه اما تو خط تولید صنعتی چطور؟
رودکس
وای یعنی یه چیپ کوچیک میتونه همزمان نور قرمز و سبز و آبی بسازه؟! غیرقابل باوره، به شرطی که تو تولید هم همینقدر پایدار بمونه...
ارسال نظر