Design and simulation of highly selective graphene-silicon nitride integrated dual-mode electro-absorption modulators

आधुनिक संचार की दुनिया में, डेटा कांच के रेशों (फाइबर) के माध्यम से प्रकाश के रूप में यात्रा करता है, जो वीडियो कॉल से लेकर वित्तीय लेनदेन तक सब कुछ ले जाता है। इन नेटवर्कों को तेज़ बनाने और अधिक जानकारी ले जाने के लिए, इंजीनियर लंबे समय से वेवलेंथ डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग नामक एक तकनीक पर भरोसा करते रहे हैं, जो एक ही फाइबर में प्रकाश के कई रंगों को एक साथ भेजती है। हालाँकि, एक ही बीम में अधिक डेटा पैक करने का एक और तरीका है: प्रकाश तरंगों के विभिन्न आकारों, जिन्हें 'मोड्स' (modes) कहा जाता है, का उपयोग करना। एक ऐसे राजमार्ग की कल्पना करें जहाँ कारें एक ही समय में विभिन्न लेन में चल सकती हैं; ऑप्टिकल फाइबर में, ये 'लेन' प्रकाश के वे विशिष्ट पैटर्न हैं जो बिना एक-दूसरे में हस्तक्षेप किए एक साथ यात्रा कर सकते हैं। चुनौती इन विशिष्ट लेन को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने वाले उपकरण बनाने की रही है, जो दूसरों को बाधित किए बिना उन्हें चालू या बंद कर सकें। यह मोड डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग की मुख्य समस्या है, एक ऐसा क्षेत्र जो नए केबल बिछाए बिना हमारे ऑप्टिकल नेटवर्क की क्षमता को नाटकीय रूप से बढ़ाने का वादा करता है।

अपडेटेड पॉलिटेक्निक ऑफ वैलेंसिया (Universitat Politècnica de València) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या का समाधान प्रस्तावित किया है, जिसमें एक नए प्रकार का लाइट स्विच डिजाइन किया गया है जो एक साथ दो प्रकाश लेन के साथ काम करता है। उनका कार्य, जिसे एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के रूप में प्रस्तुत किया गया है, एक ऐसे उपकरण पर केंद्रित है जो एक ही वेवगाइड के भीतर प्रकाश के दो विशिष्ट आकारों, जिन्हें TE0 और TE1 मोड्स कहा जाता है, को चुनिweise रूप से ब्लॉक या गुजरने दे सकता है। यह उपकरण सिलिकॉन नाइट्राइड (एक ऐसा पदार्थ जो प्रकाश को कुशलतापूर्वक निर्देशित करता है) और ग्राफीन (कार्बन परमाणुओं की एक अत्यंत पतली और चालक परत) के संयोजन से बना है। शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट अध्ययन के लिए कोई भौतिक प्रोटोटाइप नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने यह मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कम्प्यूटेशनल उपकरणों का उपयोग किया कि उनका डिज़ाइन गुजरते समय प्रकाश कैसा व्यवहार करेगा। लक्ष्य यह सिद्ध करना था कि ऐसा उपकरण उच्च सटीकता और कम ऊर्जा उपयोग के साथ काम कर सकता है, जिससे अधिक सघन और कुशल ऑप्टिकल संचार प्रणालियों का मार्ग प्रशस्त हो सके।

डिज़ाइन का केंद्र सिलिकॉन नाइट्राइड से बना एक सपाट, आयताकार चैनल है, जो प्रकाश को पकड़ने और निर्देशित करने के लिए एक वेवगाइड के रूप में कार्य करता है। इस चैनल के ऊपर, शोधकर्ताओं ने ग्राफीन की तीन छोटी पट्टियाँ रखीं, जो एल्युमीनियम ऑक्साइड की एक बहुत पतली परत द्वारा वेवगाइड से अलग की गई हैं। एक पट्टी चैनल के बिल्कुल केंद्र में स्थित है, जबकि अन्य दो किनारों पर सममित रूप से रखी गई हैं। इस उपकरण का जादू इस बात में निहित है कि ये पट्टियाँ चैनल के भीतर यात्रा करने वाले प्रकाश के विभिन्न आकारों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं। TE0 मोड में मौजूद प्रकाश की तीव्रता चैनल के ठीक मध्य में सबसे अधिक होती है, इसलिए केंद्रीय ग्राफीन पट्टी इसे चालू होने पर अवशोषित करने के लिए पूरी तरह से सही स्थिति में है। इसके विपरीत, TE1 मोड की तीव्रता किनारों पर सबसे अधिक होती है, जिसकी एक कमजोर "पूंछ" किनारों की ओर पहुँचती है; इसका अर्थ है कि दो पार्श्व (साइड) ग्राफीन पट्टियाँ TE1 प्रकाश को पकड़ने और अवशोषित करने के लिए आदर्श रूप से स्थित हैं। इन पट्टियों पर एक छोटा विद्युत वोल्टेज लागू करके, शोधकर्ता ग्राफीन के विद्युत गुणों को बदल सकते हैं, जिससे प्रकाश को अवशोषित करने की इसकी क्षमता को प्रभावी रूप से चालू या बंद किया जा सकता है। यह उन्हें TE0 मोड, TE1 मोड, या दोनों को एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से स्विच करने की अनुमति देता है।

अपने सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने पाया कि यह व्यवस्था उल्लेखनीय चयनात्मकता के साथ काम करती है। जब उन्होंने केंद्रीय पट्टी को प्रकाश अवशोषित करने के लिए ट्यून किया, तो इसने TE0 मोड को 316 डेसीबल प्रति सेंटीमीटर तक की गहराई के साथ ब्लॉक किया, जबकि TE1 मोड को लगभग अप्रभावित छोड़ दिया। इसी तरह, जब उन्होंने पार्श्व पट्टियों को ट्यून किया, तो वे TE1 मोड को 273 डेसीबल प्रति सेंटीमीटर तक की गहराई के साथ ब्लॉक कर सके, जिससे TE0 मोड काफी हद तक अछूता रहा। नियंत्रण का यह उच्च स्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि उपकरण चार अलग-अलग तार्किक अवस्थाएँ (logical states) बना सकता है: दोनों मोड ऑन, दोनों ऑफ, केवल पहला ऑन, या केवल दूसरा ऑन। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उपकरण एक चयन अनुपात (selection ratio) प्राप्त कर सकता है, जो यह मापता है कि यह दो मोड्स के बीच कितनी अच्छी तरह अंतर करता है, जो लगभग 6 से 1 है। इसका मतलब है कि जब उपकरण एक मोड को ब्लॉक करने के लिए सेट किया जाता है, तो यह दूसरे की तुलना में उस विशिष्ट मोड को ब्लॉक करने में लगभग छह गुना अधिक प्रभावी होता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सिग्नल आपस में न मिलें।

ऊर्जा दक्षता इस अध्ययन का एक अन्य प्रमुख निष्कर्ष है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि मानक इन्सुलेटिंग परत की मोटाई के साथ संचालित होने पर, यह उपकरण डेटा के प्रति बिट के लिए प्रति सेंटीमीटर लंबाई में 2430 पिकोजूल से कम ऊर्जा की खपत करता है। उन्होंने यह भी खोजा कि इन्सुलेटिंग परत को और भी पतला करके, वे प्रदर्शन में बहुत मामूली कमी के साथ, इस ऊर्जा खपत को काफी कम कर सकते हैं, जो 607.5 पिकोजूल प्रति बिट प्रति सेंटीमीटर से नीचे है। यह लचीलापन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इंजीनियरों को अधिकतम प्रदर्शन या न्यूनतम बिजली उपयोग को प्राथमिकता देते हुए, विभिन्न आवश्यकताओं के लिए उपकरण को अनुकूलित करने की अनुमति देता है। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि उपकरण निर्माण की छोटी त्रुटियों के प्रति मजबूत है। उदाहरण के लिए, यदि केंद्रीय पट्टी केंद्र से थोड़ी हट जाती है, तो सिलिकॉन नाइट्राइड प्लेटफॉर्म 150 नैनोमीटर तक के मिसअलाइनमेंट (misalignment) को सहन कर सकता है, जो सिलिकॉन जैसे अन्य पदार्थों की तुलना में एक उदार मार्जिन है। यह सुझाव देता है कि वर्तमान औद्योगिक तकनीकों के साथ इस उपकरण का निर्माण बिना असंभव सटीकता की आवश्यकता के किया जा सकता है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि उपकरण प्रकाश के विभिन्न रंगों के बीच कैसा व्यवहार करेगा। चूंकि ग्राफीन प्रकाश के बहुत विस्तृत रेंज के रंगों के साथ इंटरैक्ट करता है, इसलिए यह उपकरण किसी एक विशिष्ट वेवलेंथ तक सीमित नहीं है। सिमुलेशन ने दिखाया कि प्रदर्शन 1450 से 1650 नैनोमीटर के एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में सुचारू और सुसंगत रहता है, जो दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले मानक रेंज को कवर करता है। यह ब्रॉडबैंड क्षमता रेजोनेंट स्ट्रक्चर (resonant structures) पर आधारित अन्य डिजाइनों की तुलना में एक महत्वपूर्ण लाभ है, जो केवल बहुत विशिष्ट रंगों पर ही अच्छा काम करते हैं और जिन्हें ट्यून करना कठिन होता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनका डिज़ाइन वर्तमान में एक सिमुलेशन है, फिर भी उनके द्वारा उपयोग किए गए सिद्धांत अच्छी तरह से समझे गए भौतिकी और उन सामग्रियों पर आधारित हैं जिन्हें अन्य प्रयोगों में प्रदर्शित किया गया है। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि उनका डिज़ाइन एकीकृत प्रणालियों की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है जो एक साथ कई डेटा स्ट्रीम को संभाल सकते हैं, जिससे संभावित रूप से तेज़ और अधिक कुशल इंटरनेट इंफ्रास्ट्रक्चर का निर्माण होगा। ग्राफीन के अद्वितीय गुणों को सिलिकॉन नाइट्राइड की स्थिरता के साथ जोड़कर, उन्होंने दिखाया है कि एक कॉम्पैक्ट, कम ऊर्जा वाला स्विच बनाना संभव है जो जटिल प्रकाश पैटर्न को प्रबंधित कर सके, जो ऑप्टिकल संचार के भविष्य के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।