ऑल-इन-वन चिप पहली बार लेजर और फोटोनिक वेवगाइड को जोड़ती है

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फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट का फोटो — ऑल इन वन: फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट की एक तस्वीर। चिप को परतों में बनाया गया था, शीर्ष पर लेजर और नीचे वेवगाइड थे। (सौजन्य: चाओ जियांग)

अमेरिका में शोधकर्ताओं ने पहली बार अल्ट्रालो-शोर लेजर और फोटोनिक वेवगाइड को एक ही चिप पर एकीकृत किया है। लंबे समय से अपेक्षित यह उपलब्धि एक ही एकीकृत उपकरण के भीतर परमाणु घड़ियों और अन्य क्वांटम प्रौद्योगिकियों के साथ उच्च-सटीक प्रयोग करना संभव बना सकती है, जिससे कुछ अनुप्रयोगों में कमरे के आकार की ऑप्टिकल तालिकाओं की आवश्यकता को दूर किया जा सकता है।

जब इलेक्ट्रॉनिक्स अपनी प्रारंभिक अवस्था में था, शोधकर्ताओं ने डायोड, ट्रांजिस्टर और इसी तरह के अन्य उपकरणों के साथ स्टैंड-अलोन डिवाइस के रूप में काम किया। प्रौद्योगिकी की वास्तविक क्षमता का एहसास 1959 के बाद ही हुआ, जब एकीकृत सर्किट के आविष्कार ने इन सभी घटकों को एक चिप पर पैक करना संभव बना दिया। फोटोनिक्स शोधकर्ता एकीकरण का एक समान कार्य करना चाहेंगे, लेकिन उन्हें एक बाधा का सामना करना पड़ता है: "एक फोटोनिक लिंक के लिए हमें एक प्रकाश स्रोत का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, जो आम तौर पर एक लेजर होता है, जैसे डाउनस्ट्रीम ऑप्टिकल लिंक को सिग्नल भेजने के लिए ट्रांसमीटर के रूप में फ़ाइबर या वेवगाइड,'' बताते हैं चाओ जियांग, जिन्होंने पोस्टडॉक के रूप में अनुसंधान का नेतृत्व किया जॉन बोवर्स' समूह कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा में। "लेकिन जब आप प्रकाश भेजते हैं, तो यह आम तौर पर कुछ पीछे-प्रतिबिंब उत्पन्न करेगा: जो लेजर में वापस चला जाता है और इसे बहुत अस्थिर बना देता है।"

ऐसे प्रतिबिंबों से बचने के लिए, शोधकर्ता आमतौर पर आइसोलेटर्स डालते हैं। ये प्रकाश को केवल एक ही दिशा में जाने देते हैं, जिससे प्रकाश प्रसार की प्राकृतिक दोतरफा पारस्परिकता टूट जाती है। कठिनाई यह है कि उद्योग-मानक आइसोलेटर्स एक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके इसे पूरा करते हैं, जो चिप बनाने की सुविधाओं के लिए समस्याएँ पैदा करता है। जियांग, जो अब हांगकांग विश्वविद्यालय में हैं, बताते हैं, "सीएमओएस फैब की इस बारे में बहुत सख्त आवश्यकताएं हैं कि वे साफ कमरे में क्या रख सकते हैं।" "चुंबकीय सामग्री की सामान्यतः अनुमति नहीं है।"

एकीकृत, लेकिन अलग

चूंकि एनीलिंग वेवगाइड के लिए आवश्यक उच्च तापमान अन्य घटकों को नुकसान पहुंचा सकता है, इसलिए जियांग, बोवर्स और उनके सहयोगियों ने सिलिकॉन सब्सट्रेट पर अल्ट्रालो-लॉस सिलिकॉन नाइट्राइड वेवगाइड का निर्माण शुरू किया। फिर उन्होंने वेवगाइड्स को सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों की कई परतों से ढक दिया और स्टैक के शीर्ष पर एक कम शोर वाला इंडियम फॉस्फेट लेजर लगाया। यदि उन्होंने लेज़र और वेवगाइड को एक साथ लगाया होता, तो लेज़र के निर्माण में शामिल नक़्क़ाशी ने वेवगाइड को क्षतिग्रस्त कर दिया होता, लेकिन शीर्ष पर बाद की परतों को जोड़ने से यह समस्या दूर हो गई।

लेज़र और वेवगाइड को अलग करने का मतलब यह भी था कि दोनों डिवाइस जिस तरह से बातचीत कर सकते थे वह एक मध्यवर्ती सिलिकॉन नाइट्राइड "पुनर्वितरण परत" के माध्यम से उनके अपवर्तक क्षेत्रों (एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के घटक जो फैलते नहीं हैं बल्कि तेजी से क्षय होते हैं) के माध्यम से युग्मन करते हैं। एक स्रोत)। इस प्रकार उनके बीच की दूरी ने अवांछित हस्तक्षेप को कम कर दिया। जियांग कहते हैं, ''शीर्ष लेजर और निचला अल्ट्रालो-लॉस वेवगाइड बहुत दूर हैं, इसलिए वे दोनों अपने आप में सर्वोत्तम संभव प्रदर्शन कर सकते हैं। सिलिकॉन नाइट्राइड पुनर्वितरण परत का नियंत्रण उन्हें ठीक वहीं युग्मित करने की अनुमति देता है जहां आप उन्हें रखना चाहते हैं। इसके बिना, वे जोड़ी नहीं बना पाते।”

सर्वोत्तम सक्रिय और निष्क्रिय उपकरणों का संयोजन

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह लेजर सेटअप मानक प्रयोगों में अपेक्षित स्तर पर शोर के लिए मजबूत था। उन्होंने दो ऐसे लेज़रों के बीच बीट फ़्रीक्वेंसी को समायोजित करके एक ट्यून करने योग्य माइक्रोवेव फ़्रीक्वेंसी जनरेटर का उत्पादन करके अपने डिवाइस की उपयोगिता का प्रदर्शन किया - जो पहले एक एकीकृत सर्किट पर व्यावहारिक नहीं था।

आधुनिक प्रौद्योगिकी में अल्ट्रालो-शोर लेजर के लिए अनुप्रयोगों की विशाल श्रृंखला को देखते हुए, टीम का कहना है कि एकीकृत सिलिकॉन फोटोनिक्स में ऐसे लेजर का उपयोग करने में सक्षम होना एक बड़ी छलांग है। जियांग कहते हैं, "आखिरकार, एक ही चिप पर, हमारे पास सर्वोत्तम सक्रिय डिवाइस और सर्वोत्तम निष्क्रिय डिवाइस एक साथ हो सकते हैं।" "अगले चरण के लिए, हम उदाहरण के लिए, सटीक मेट्रोलॉजी और सेंसिंग जैसे बहुत जटिल ऑप्टिकल कार्यात्मकताओं को सक्षम करने के लिए उन बहुत कम शोर वाले लेजर का उपयोग करने जा रहे हैं।"

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स्कॉट डिडैम्सकोलोराडो विश्वविद्यालय, बोल्डर, अमेरिका के एक ऑप्टिकल भौतिक विज्ञानी, जो शोध में शामिल नहीं थे, प्रभावित हैं: "ऑप्टिकल आइसोलेटर्स के साथ एकीकृत लेजर की यह समस्या कम से कम एक दशक से समुदाय के लिए अभिशाप रही है और किसी ने भी ऐसा नहीं किया है।" चिप पर वास्तव में कम शोर वाला लेजर बनाने की समस्या को हल करने का तरीका ज्ञात है... इसलिए यह एक वास्तविक सफलता है,'' वे कहते हैं। "जॉन बोवर्स जैसे लोग इस क्षेत्र में 20 वर्षों से काम कर रहे थे, और इसलिए वे बुनियादी निर्माण खंडों को जानते थे, लेकिन यह पता लगाना कि उन सभी को एक साथ पूरी तरह से कैसे काम करना है, यह सिर्फ टुकड़ों को एक साथ जोड़ने जैसा नहीं है।"

डिडैम्स का कहना है कि नया एकीकृत उपकरण क्वांटम कंप्यूटिंग में "बहुत प्रभावशाली" होने की संभावना है। "गंभीर कंपनियां ऐसे प्लेटफ़ॉर्म बनाने की कोशिश कर रही हैं जिनमें परमाणु और आयन शामिल हों - वे परमाणु और आयन बहुत विशिष्ट रंगों पर काम करते हैं, और हम उनसे लेजर प्रकाश के साथ बात करते हैं," वह बताते हैं। "इस तरह के एकीकृत फोटोनिक्स के बिना कोई भी बड़े पैमाने पर कार्यशील क्वांटम कंप्यूटर बनाने का कोई तरीका नहीं है।"

शोध में प्रकाशित किया गया है प्रकृति.