«یک دستگاه، چند عملکرد»: ساخت اولین موجبر فوتونیک غیرخطی قابل برنامه‌ریزی جهان

در یک جهش علمی بی‌سابقه در حوزه فوتونیک، دانشمندان موفق به ساخت اولین موجبر فوتونیک غیرخطی قابل برنامه‌ریزی در جهان شدند. این دستگاه انقلابی، که قادر است روی یک تراشه واحد بین چندین عملکرد نوری جابجا شود، به طور رسمی به الگوی دیرینه «یک دستگاه، یک عملکرد» در اپتیک پایان داد و افق‌های جدیدی را برای محاسبات نوری و کوانتومی گشود.

پایان دادن به یک قانون دیرینه در اپتیک

نوآوری اخیر، که توسط محققانی از NTT Research، دانشگاه کرنل و دانشگاه استنفورد توسعه یافته است، محدودیت‌های طراحی و مقیاس‌بندی فناوری‌های مبتنی بر نور را از میان برمی‌دارد. پیش از این، دستگاه‌های فوتونیک به صورت مرسوم تنها می‌توانستند یک وظیفه واحد را که در طول ساخت تعریف شده بود، انجام دهند. این امر به معنای نیاز به یک دستگاه جداگانه برای هر عملکرد نوری جدید بود که منجر به افزایش هزینه، پیچیدگی و کاهش بازده تولید می‌شد.

ریوتاتسو یاناگیموتو، دانشمند NTT Research، که این مطالعه را رهبری کرده است، اظهار داشت: «این نتایج نشان‌دهنده‌ی فاصله گرفتن از الگوی مرسوم اپتیک غیرخطی است که در آن عملکرد دستگاه در طول ساخت به طور دائم ثابت است. این امر کاربرد‌های فوتونیک غیرخطی را به موقعیت‌هایی گسترش می‌دهد که در آنها قابلیت پیکربندی مجدد سریع دستگاه و بازده بالا نه تنها مناسب، بلکه ضروری هستند.»

انعطاف‌پذیری بی‌سابقه با نیترید سیلیکون

موجبر غیرخطی قابل برنامه‌ریزی جدید این وضعیت را به کلی تغییر می‌دهد. این موجبر با استفاده از هسته نیترید سیلیکون ساخته شده و می‌تواند با تاباندن الگو‌های نور ساختاریافته بر روی تراشه، خواص نوری خود را به صورت پویا و فوری تغییر دهد. این الگوها، نواحی قابل برنامه‌ریزی از غیرخطی نوری ایجاد می‌کنند که عملکرد دستگاه را از یک وظیفه به وظیفه دیگر، فوراً تعریف می‌کنند.

تیم تحقیقاتی با استفاده از این رویکرد، توانستند طیف وسیعی از وظایف نوری غیرخطی را در یک ساختار فیزیکی یکسان به نمایش بگذارند. این وظایف شامل موارد زیر است:

• شکل‌دهی دلخواه پالس
• تولید هارمونیک دوم قابل تنظیم
• تولید هولوگرافیک نور با ساختار فضایی-طیفی
• طراحی معکوس بلادرنگ توابع نوری غیرخطی

یاناگیموتو افزود: «این پیشرفت اساساً نحوه عملکرد دستگاه‌های فوتونیک غیرخطی را تغییر می‌دهد. برای اولین بار، مسیری رو به جلو برای اعمال اپتیک غیرخطی به مدار‌های نوری در مقیاس بزرگ، تبدیل فرکانس کوانتومی قابل پیکربندی مجدد، و منابع نور کلاسیک و کوانتومی با قابلیت تنظیم گسترده ایجاد شده است.»

پتانسیل تجاری و تحول در صنایع

تأثیر این نوآوری می‌تواند بسیار فراتر از محیط آزمایشگاه باشد. توانایی برنامه‌ریزی دستگاه‌های فوتونیک پس از ساخت، مزایای اقتصادی و عملیاتی قابل توجهی به همراه دارد:

بر اساس گزارشی از IDTechEx، بازار مدار‌های مجتمع فوتونیک (PIC) پتانسیل آن را دارد که تا سال ۲۰۳۵ از ۵۰ میلیارد دلار درآمد سالانه فراتر رود. این بازار حوزه‌های حیاتی زیر را در بر می‌گیرد:

چشم‌انداز آینده

محققان در حال حاضر پتانسیل گسترده‌ای را برای این فناوری متصور هستند. تیم تحقیقاتی قصد دارد بررسی کند که چگونه می‌توان غیرخطی‌های قابل برنامه‌ریزی را در طیف وسیع‌تری از مواد ادغام کرد و چگونه می‌توان این فناوری را برای انجام عملکرد‌های سطح کوانتومی تکامل داد. با ادامه مأموریت آزمایشگاه PHI متعلق به NTT Research برای متحد کردن فیزیک و انفورماتیک، یک نکته واضح است: آینده محاسبات مبتنی بر نور، بی‌نهایت انعطاف‌پذیرتر شده است.