का आविष्कार सिलिकॉन चिप्स क्रांति संचारित संचार। आज भी वे उन प्रौद्योगिकियों की आधारशिला हैं जिनका उपयोग हम दुनिया भर में जानकारी को स्थानांतरित करने के लिए करते हैं।
जिस तरह से वे काम करते हैं, वह काफी बदल गया है, हालांकि। वे बेहतर हो गए हैं: लंबे समय से यह इसलिए था क्योंकि विशेषज्ञों ने अपने हार्डवेयर में सुधार किया कि वे यथासंभव कुशलता से काम करें। लेकिन हाल ही में, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनों को फोटॉनों, प्रकाश के कणों के साथ बदलना शुरू कर दिया है, जो जानकारी को संग्रहीत करने और हेरफेर करने के लिए जिम्मेदार एजेंटों के रूप में है।
इस प्रकार आज हमारे पास डेटा केंद्रों और सेंसर में मूल्यवान अनुप्रयोगों के साथ -साथ क्वांटम कंप्यूटिंग में संभावित अनुप्रयोगों के साथ सिलिकॉन फोटोनिक्स हैं। सिलिकॉन फोटोनिक्स पारंपरिक अर्धचालक चिप्स पर कई फायदों के कारण जल्दी से कर्षण प्राप्त कर रहा है।
में एक अध्ययन का विषय प्रकृतिअमेरिका और यूरोप के वैज्ञानिकों ने बताया कि उन्होंने सिलिकॉन वेफर्स पर सीधे पहले लघु लेज़रों को सफलतापूर्वक गढ़ा था, सिलिकॉन फोटोनिक्स में एक महत्वपूर्ण अग्रिम चिह्नित किया।
फोटॉन अधिक डेटा क्षमता और इलेक्ट्रॉनों की तुलना में कम ऊर्जा हानि के साथ, तेजी से जानकारी ले जाते हैं।
लेकिन फोटॉन चांदी की गोलियां नहीं हैं। फोटॉन का उपयोग करने से जुड़ी एक महत्वपूर्ण चुनौती इन कणों के स्रोत को एकीकृत कर रही है – एक प्रकाश स्रोत – सिलिकॉन चिप के साथ ही।
वर्तमान में, इंजीनियरों का सबसे अच्छा दांव चिप में एक अलग लेजर प्रकाश स्रोत संलग्न करना है। परिणामी डिवाइस छोटे लेकिन महत्वपूर्ण बेमेल के कारण एक एकीकृत प्रकाश स्रोत के साथ चिप की तुलना में अधिक धीरे -धीरे संचालित होता है जो स्वतंत्र रूप से निर्मित होने के कारण उत्पन्न होता है। लेज़रों को अलग से विनिर्माण और संलग्न करना भी अधिक महंगा है।
नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक सिलिकॉन चिप पर सीधे लेजर को ‘बढ़ा’ करके इस समस्या को पूरा किया, एक ऐसी प्रक्रिया में जो अधिक स्केलेबल भी है।
अनुसंधान टीम ने एक मानक पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर (सीएमओएस) विनिर्माण लाइन में अपनी पूरी प्रक्रिया भी संचालित की, जिसे प्रौद्योगिकी उद्योग वर्तमान में इलेक्ट्रॉनिक चिप्स के निर्माण के लिए उपयोग करता है। इस प्रकार नई तकनीक मौजूदा विनिर्माण विधियों के साथ संगत हो सकती है।
चिप पर हो रही है
एक विशिष्ट सिलिकॉन चिप में चार घटक होते हैं: इलेक्ट्रॉनों या फोटॉन, वेवगाइड्स, मॉड्यूलेटर और फोटोडेटेक्टर्स का उत्पादन करने के लिए एक स्रोत।
एक फोटोनिक चिप में, एक लेजर प्रकाश स्रोत है। यह सिलिकॉन चिप पर ही बनाने के लिए सबसे कठिन हिस्सा है। वेवगाइड्स फोटॉन के लिए पथ के रूप में कार्य करते हैं, जैसे कि तार इलेक्ट्रॉनों के लिए पथ कैसे होते हैं।
मॉड्यूलेटर ऐसे उपकरण हैं जो प्रकाश पर जानकारी को एनकोड करते हैं (या प्रकाश संकेत से जानकारी को डिकोड)। वे प्रकाश की कुछ भौतिक संपत्ति में जानकारी को स्थानांतरित करके ऐसा करते हैं, जैसे कि इसकी तीव्रता, तरंग दैर्ध्य या चरण को अलग करना। (इसी तरह, वे आने वाले वाहक सिग्नल में इन विविधताओं को ‘पढ़’ द्वारा जानकारी निकालते हैं।)
अंत में, फोटोडेटेक्टर्स प्रकाश को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं।
लेजर को स्विच करना
अपने सरलतम रूप में, एक लेजर – ‘विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन’ का एक संक्षिप्त नाम – उत्तेजित उत्सर्जन नामक एक प्रक्रिया में प्रकाश को बढ़ाकर काम करता है।
यहां, एक उच्च ऊर्जा स्तर में एक इलेक्ट्रॉन को आने वाले फोटॉन द्वारा कुछ ऊर्जा खोने और कम ऊर्जा स्तर तक छोड़ने के लिए ‘किक’ किया जाता है। खोई हुई यह ऊर्जा एक अन्य फोटॉन के रूप में है जिसकी ऊर्जा घटना फोटॉन से मेल खाती है। जब यह प्रक्रिया बार -बार होती है, तो इलेक्ट्रॉनों की आबादी प्रकाश की एक सुसंगत किरण उत्पन्न करती है। यह एक लेजर है।
सिलिकॉन अपने आप में प्रकाश को कुशलता से उत्सर्जित नहीं कर सकता है क्योंकि इसमें एक अप्रत्यक्ष बैंडगैप है। दूसरे शब्दों में, एक सिलिकॉन परमाणु में, एक उच्च ऊर्जा स्तर में एक इलेक्ट्रॉन अपने आप में एक कम नहीं हो सकता है; इसके बजाय इसे इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा को छोड़ने और नीचे गिरने में मदद करने के लिए एक अतिरिक्त कण की आवश्यकता होती है।
अधिकांश लेजर प्रकाश का उत्पादन करने के लिए गैलियम आर्सेनाइड जैसी अर्धचालक सामग्री का उपयोग करते हैं। इन सामग्रियों में एक सीधा बैंड गैप होता है, जिसका अर्थ है कि सामग्री के अंदर इलेक्ट्रॉन एक उच्च ऊर्जा स्तर से एक फोटॉन का उत्सर्जन करके कम हो सकते हैं।
डायरेक्ट बैंड-गैप सामग्री इलेक्ट्रॉनों को सीधे फोटॉनों का उत्सर्जन करने की अनुमति देती है, बिना किक किए जाने की आवश्यकता के बिना, अतिरिक्त इंटरैक्शन के बिना अधिक विद्युत ऊर्जा को प्रकाश में परिवर्तित करते हुए। इस प्रकार लेजर अधिक ऊर्जा-कुशल है।
प्रत्येक तत्व में परमाणुओं की विभिन्न व्यवस्था के कारण सिलिकॉन के साथ गैलियम आर्सेनाइड को एकीकृत करना एक बड़ी चुनौती है। जब गैलियम आर्सेनाइड को सिलिकॉन पर परत द्वारा परत उगाई जाती है, तो सामग्री के क्रिस्टल संरचना में बेमेल खामियों का कारण बनता है जहां परमाणु पैटर्न ठीक से लाइन नहीं करते हैं।
जब वे एक ही पहेली का हिस्सा नहीं हैं, तो दो पहेली टुकड़ों को एक साथ फिट करने की कोशिश कर रहे हैं।
जब इलेक्ट्रॉन इन दोषों का सामना करते हैं, तो वे प्रकाश के बजाय गर्मी के रूप में ऊर्जा खो देते हैं, लेजर को कम कुशल प्रदान करते हैं।
खाई में
अपने अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक एक चिप बनाई जिसमें एक सिलिकॉन वेफर बेस, नैनोमेट्रे-आकार की लकीरें शामिल थीं, जिसके माध्यम से फोटॉन यात्रा करते थे, और एक छोटा क्षेत्र जो इन फोटॉनों का उत्पादन करता था।
लकीरों का विचार एक से आया था 2007 अध्ययनजिसमें एम्बरवेव सिस्टम्स कॉर्प के शोधकर्ताओं ने पाया कि अगर गैलियम आर्सेनाइड को एक संकीर्ण, गहरी खाई के तल पर सिलिकॉन पर जमा किया जाता है, जो एक इन्सुलेट सामग्री से घिरा हुआ है, तो दोष ‘फंस’ हो जाते हैं, जिसका अर्थ है कि वे लेजर के अंतिम संचालन में हस्तक्षेप नहीं करते हैं।
शीर्ष, LR: हजारों GAAS उपकरणों वाले एक गढ़े हुए 300 मिमी सिलिकॉन वेफर की तस्वीर; एक गढ़े हुए 300 मिमी वेफर का क्लोज़-अप दृश्य कई मरता है; और एनकैप्सुलेशन से पहले एक GAAS नैनो-रिज सरणी के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ को स्कैन करना। नीचे की पंक्ति चिप के विभिन्न घटकों को दिखाती है। | फोटो क्रेडिट: ARXIV: 2309.04473V1
इसलिए शोधकर्ताओं ने 300 मिमी लंबी सिलिकॉन वेफर में नैनोमेट्रे-वाइड लकीरों को उकेरा, और इंसुलेटिंग सामग्री के रूप में सिलिकॉन डाइऑक्साइड को लागू किया। किसी भी दोष को इन खाइयों के नीचे तक सीमित कर दिया गया था, जिससे एक दोष मुक्त गैलियम आर्सेनाइड क्रिस्टल को ऊपर बढ़ने की अनुमति मिली।
इसके बाद, एक ही वेफर पर, शोधकर्ताओं ने इंडियम गैलियम आर्सेनाइड (यानी गैलियम आर्सेनाइड की तीन कुछ-परमाणु-मोटी परतें जमा कीं, जहां 20% गैलियम परमाणुओं को इष्टतम प्रकाश उत्सर्जन को प्राप्त करने के लिए इंडियम के साथ बदल दिया गया था)। ये परतें एक साथ लेजर के रूप में कार्य करती हैं।
अंत में टीम ने सुरक्षा के लिए पूरे सेटअप के शीर्ष पर इंडियम गैलियम फॉस्फाइड की एक परत जमा की।
लेजर काम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने बाहरी वर्तमान स्रोत से जुड़े विद्युत संपर्कों को जोड़ा। जब एक करंट इंडियम गैलियम आर्सेनाइड क्षेत्र में बहता था, तो बाद में उत्सर्जित फोटॉनों जो वेवगाइड्स के माध्यम से प्रवाहित होता था।
एक लंबे समय से चली आ रही समस्या को हल करना
शोधकर्ता 300 मिमी सिलिकॉन वेफर पर 300 कार्यात्मक लेजर एम्बेड करने में सक्षम थे।
वेफर का आकार महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आधुनिक अर्धचालक विनिर्माण में उद्योग मानक है, और इस प्रकार महत्वपूर्ण परिवर्तनों की मांग के बिना एकीकृत किया जा सकता है।
लेजर ने 1,020 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश का उत्पादन किया, जो कंप्यूटर चिप्स के बीच छोटे रेंज किए गए प्रसारण के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है।
इस प्रकार शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि उनकी चिप कम्प्यूटिंग प्रदर्शन में पर्याप्त सुधार हो सकती है और डेटा केंद्रों में ऊर्जा की खपत को कम कर सकती है।
लेजर को चलाने के लिए आवश्यक दहलीज धारा 5 एमए के रूप में कम थी, जो कंप्यूटर माउस में एलईडी के लिए आवश्यक थी। लेजर का आउटपुट लगभग 1 मेगावाट था।
लेजर कमरे के तापमान (25 डिग्री सेल्सियस) पर 500 घंटे तक लगातार काम कर सकता है। लगभग 55 डिग्री सेल्सियस पर, इसकी दक्षता कम हो गई।
जबकि यह अवधि आशाजनक है, हाल के शोध पर ऑप्टिकल सिलिकॉन चिप्स 120 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर निरंतर संचालन का प्रदर्शन किया है, स्थिर अर्धचालक लेज़रों को विकसित करने में चल रही चुनौतियों को उजागर किया है।
संक्षेप में, फोटोनिक सिलिकॉन चिप उपन्यास है क्योंकि यह इस आकार के सिलिकॉन वेफर पर पूरी तरह से अखंड लेजर डायोड का पहला प्रदर्शन है। टीम की प्रक्रिया भी स्केलेबल और लागत प्रभावी है।
तेजसरी गुरुराज एक स्वतंत्र विज्ञान लेखक और पत्रकार हैं, जिनमें भौतिकी में मास्टर डिग्री है।
प्रकाशित – 15 अप्रैल, 2025 05:30 पूर्वाह्न IST
