High-gain optical amplification and lasing from erbium-doped single-crystal films epitaxially grown on silicon

आधुनिक संचार की दुनिया में, प्रकाश हमारा डेटा ले जाता है, लेकिन प्रकाश को लंबी दूरी तय करने के लिए मदद की जरूरत होती है। जिस तरह एक धावक को चलते रहने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, उसी तरह फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से यात्रा करने वाली प्रकाश की किरण को दूरी के कारण होने वाले प्राकृतिक क्षय (fading) को दूर करने के लिए बूस्ट करने की आवश्यकता होती है। दशकों से, इस बूस्टिंग प्रक्रिया का कार्यवाहक एक सामग्री रही है जिसे एर्बियम (erbium) कहा जाता है, जो एक दुर्लभ मृदा तत्व (rare earth element) है और सही प्रकार के प्रकाश से टकराने पर एक छोटे, कुशल एम्पलीफायर की तरह कार्य करता है। यह सामग्री फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क का हृदय है जो दुनिया को जोड़ती है, जिससे संकेत अपनी शक्ति खोए बिना हजारों मील तक यात्रा कर सकते हैं। हालांकि, जबकि यह तकनीक लंबे कांच के केबलों में खूबसूरती से काम करती है, इसे एक छोटे कंप्यूटर चिप पर फिट करने के लिए सिकोड़ना एक कठिन समस्या रही है। इन चिप्स को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियां अक्सर परमाणु स्तर पर अव्यवस्थित और अस्त-व्यस्त होती हैं, जो यह सीमित करती हैं कि वे प्रकाश को कितना प्रवर्धित (amplify) कर सकती हैं, जिससे इंजीनियरों को ऐसे उपकरण बनाने के लिए मजबूर होना पड़ता है जो अगली पीढ़ी के तेज़, कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए व्यावहारिक नहीं हैं क्योंकि वे बहुत लंबे और भारी होते हैं।

NTT और निहोन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार के क्रिस्टल को सीधे सिलिकॉन चिप पर उगाकर इस लंबे समय से चले आ रहे पहेली को सुलझा लिया है। उन्होंने एक विशिष्ट सामग्री की एक पतली फिल्म बनाई, जो एक क्रिस्टल है जो एर्बियम के साथ मिला हुआ गैडोलीनियम ऑक्साइड (gadolinium oxide) है, जो नीचे स्थित सिलिकॉन के साथ पूरी तरह से संरेखित (aligned) है। अतीत में उपयोग की जाने वाली अव्यवस्थित, अमोर्फस (amorphous) सामग्रियों के विपरीत, यह नई फिल्म एक एकल, निरंतर क्रिस्टल है जहाँ परमाणुओं को एक सटीक, व्यवस्थित पैटर्न में व्यवस्थित किया गया है। यह व्यवस्था एर्बियम परमाणुओं को बहुत अधिक कुशलता से काम करने की अनुमति देती है। जब शोधकर्ताओं ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह प्रकाश को उस शक्ति के साथ प्रवर्धित कर सकता है जो चिप-आधारित डिवाइस में पहले देखी गई किसी भी चीज़ से कहीं अधिक है। अत्यंत ठंडे तापमान पर, इस सामग्री ने भारी मात्रा में प्रवर्धन (amplification) उत्पन्न किया, जो प्रकाश के संकेत को प्रति सेंटीमीटर सत्तर-आठ डेसिबल से अधिक बढ़ा देता है। इस परिप्रेक्ष्य को समझने के लिए, एक विशिष्ट एम्पलीफायर को वह हासिल करने के लिए जो यह छोटी सी फिल्म एक अंश सेंटीमीटर में करती है, कई मीटर लंबा होने की आवश्यकता हो सकती है।

शोधकर्ताओं ने केवल प्रवर्धन को मापने पर ही नहीं रोका; उन्होंने इस नई सामग्री का उपयोग करके एक पूर्ण लेजर बनाया। क्रिस्टल फिल्म को एक छोटे रिंग के आकार में ढालकर, उन्होंने एक रेज़ोनेटर (resonator) बनाया जहाँ प्रकाश उछल सकता है और तीव्रता बना सकता है। जब उन्होंने इस रिंग में ऊर्जा पंप की, तो इसने एक स्थिर, शुद्ध लेजर बीम उत्सर्जित करना शुरू कर दिया। यह लेजर बहुत कम ऊर्जा के साथ शुरू हुआ, एक बहुत ही संकीकर और केंद्रित बीम बनाई, और उन अवांछित रंगों को दबा दिया जो आमतौर पर एक सिग्नल में शोर (clutter) पैदा करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, जबकि सामग्री स्वयं कमरे के तापमान पर उपयोगी प्रवर्धन बनाए रखती है, लेसिंग क्रिया (lasing action) केवल क्रायोजेनिक तापमान पर, विशेष रूप से लगभग 30 केल्विन तक ही पुष्ट की गई थी। इस उच्च-प्रदर्शन वाले क्रिस्टल को सीधे सिलिकॉन पर उगाने की क्षमता एक बड़ी सफलता है क्योंकि इसका मतलब है कि इन शक्तिशाली प्रकाश स्रोतों को उन्हीं विनिर्माण लाइनों का उपयोग करके बनाया जा सकता है जो कंप्यूटर चिप्स का उत्पादन करती हैं। यह पूर्णतः एकीकृत सर्किटों का मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ प्रकाश स्रोत, डेटा प्रोसेसर और डिटेक्टर सभी एक ही सिलिकॉन के टुकड़े पर एक साथ रह सकते हैं, जिससे तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल संचार प्रणाली सक्षम होती है।

इस खोज की यात्रा एक सरल अवलोकन से शुरू हुई: कोई सामग्री प्रकाश को कितनी अच्छी तरह संभाल सकती है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि परमाणुओं की व्यवस्था कैसी है। अतीत में, वैज्ञानिकों ने एर्बियम को कांच जैसी सामग्रियों में मिलाने की कोशिश की जो बनाने में आसान थीं लेकिन अव्यवस्थित थीं। ये सामग्रियां एक भीड़भाड़ वाले कमरे की तरह थीं जहाँ लोग एक-दूसरे से टकरा रहे थे, जिससे उन्हें कुशलतापूर्वक एक साथ काम करने से रोका जा रहा था। नए दृष्टिकोण में एक क्रिस्टल फिल्म को उगाना शामिल था जहाँ एर्बियम परमाणु सटीक, निर्धारित स्थानों पर बैठते हैं, ठीक वैसे ही जैसे सैनिक एक सटीक फॉर्मेशन में खड़े होते हैं। यह व्यवस्था उन्हें प्रकाश के साथ बहुत मजबूती से इंटरैक्ट करने की अनुमति देती है। टीम ने आणविक किरण एपिटैक्सी (molecular beam epitaxy) नामक तकनीक का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर्स पर इन फिल्मों को उगाया, जो अनिवार्य रूप से परमाणु-दर-परमाणु, परत-दर-परत क्रिस्टल परत बनाने की एक विधि है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि यह सिलिकॉन के साथ पूरी तरह मेल खाती है। उन्होंने पाया कि सक्रिय क्रिस्टल और सिलिकॉन के बीच एक पतली, सुरक्षात्मक बफर परत जोड़ना आवश्यक था ताकि सिलिकॉन एर्बियम के प्रकाश-उत्सर्जक गुणों में हस्तक्षेप न करे।

एक बार फिल्में तैयार हो जाने के बाद, टीम ने उन्हें छोटे वेवगाइड्स (waveguides) में तराशा, जो चिप पर प्रकाश को निर्देशित करने वाले चैनल हैं। उन्होंने इन चैनलों का परीक्षण कमरे के तापमान और क्रायोजेनिक तापमान, दोनों पर किया, जिसमें उन्हें परम शून्य (absolute zero) से कुछ डिग्री ऊपर तक ठंडा किया गया। इन ठंडे तापमानों पर, क्रिस्टल में परमाणु और भी अधिक व्यवस्थित हो जाते हैं, और प्रवर्धन प्रभाव नाटकीय हो जाता है। शोधकर्ताओं ने 78.3 डेसिबल प्रति सेंटीमीटर का गेन (gain) मापा, जो वर्तमान चिप-आधारित तकनीकों के साथ संभव चीज़ों से कई गुना अधिक है। उन्होंने यह भी दिखाया कि इस उच्च गेन को छह मिलीमीटर की दूरी तक बनाए रखा जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कुल सिग्नल बूस्ट 13 डेसिबल से अधिक होता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि ऐसे उच्च गेन प्राप्त करने के प्रयास में पहले के उपकरणों को अव्यवहारिक रूप से लंबा होना पड़ता था या वे केवल बहुत कम दूरी तक ही काम कर पाते थे। तथ्य यह है कि वे इसे एक ऐसे उपकरण में प्राप्त कर सके जो आसानी से एक उंगली के पोर (fingertip) में समा जाए, यह दर्शाता है कि यह सामग्री वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए तैयार है।

इसके बाद टीम ने एक माइक्रोरिंग रेज़ोनेटर (microring resonator) का उपयोग करके एक लेजर बनाया, जो उसी क्रिस्टल फिल्म में उकेचा गया एक छोटा, गोलाकार ट्रैक है। उन्होंने एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर लेजर बीम का उपयोग करके रिंग में ऊर्जा पंप की, और रिंग ने अपना स्वयं का लेजर प्रकाश उत्सर्जित करना शुरू कर दिया। परिणाम प्रभावशाली थे: लेजर कम ऊर्जा थ्रेशोल्ड के साथ चालू हुआ, एक बहुत ही साफ सिग्नल उत्सर्ited किया जिसकी चौड़ाई बहुत कम थी, और वांछित रंग और अवांछित शोर के बीच उच्च अनुपात बनाए रखा। लेजर एक निरंतर तरंग (continuous wave) में संचालित हुआ, जिसका अर्थ है कि इसने फ्लैशिंग (झपकने) के बजाय एक स्थिर बीम बनाई, जो समान सामग्रियों से बने अन्य लेजरों में एक आम समस्या है। यह स्थिरता बताती है कि क्रिस्टल फिल्म अत्यंत उच्च गुणवत्ता की है, जो उन दोषों और क्लस्टरों से मुक्त है जो अक्सर अन्य एर्बियम-आधारित लेजर बनाने के प्रयासों में देखे जाते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि जबकि सामग्री कमरे के तापमान पर प्रवर्धन दिखाती है, लेसिंग व्यवहार केवल क्रायोजेनिक तापमान पर ही देखा गया, जिसमें थ्रेशोल्ड लगभग 30 K तक पुष्ट किया गया।

यह कार्य सिलिकॉन फोटोनिक्स के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण बाधा को संबोधित करता है, जो कंप्यूटर चिप्स पर प्रकाश-आधारित घटकों को रखने के लिए समर्पित क्षेत्र है। वर्षों से, एक उच्च-प्रदर्शन, सिलिकॉन-संगत प्रकाश स्रोत की कमी एक बड़ी बाधा रही है। नई सामग्री, एर्बियम-डोपेड गैडोलीनियम ऑक्साइड की एक सिंगल-क्रिस्टल फिल्म, इस अंतर को भरती है। यह पहली बार है जब एक क्रिस्टलीय गेन मीडियम को सीधे सिलिकॉन पर इतनी उच्च प्रदर्शन के लिए उगाया गया है। शोधकर्ताओं का तर्क है कि यह सामग्री प्रणाली केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है बल्कि एक स्केलेबल समाधान है जिसे मौजूदा औद्योगिक प्रक्रियाओं का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है। क्रिस्टल के उच्च गेन को सिलिकॉन निर्माण की सटीकता के साथ जोड़कर, उन्होंने कॉम्पैक्ट, उच्च-गति वाले ऑप्टिकल एम्पलीफायर और लेजर के लिए द्वार खोल दिया है जिन्हें अगली पीढ़ी के कंप्यूटिंग और संचार उपकरणों में एकीकृत किया जा सकता है।

इस खोज के निहितार्थ केवल तेज़ इंटरनेट से कहीं अधिक हैं। इन उपकरणों को क्रायोजेनिक तापमान पर संचालित करने की क्षमता उन्हें क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आदर्श बनाती है, जहाँ कई प्रोसेसर को कार्य करने के लिए अत्यधिक ठंडा रखने की आवश्यकता होती है। इन वातावरणों में, एक ऐसा प्रकाश स्रोत होना जो पहले से ही चिप में एकीकृत है और उसी निम्न तापमान पर काम करता है, क्वांटम कंप्यूटर के विभिन्न हिस्सों को जोड़ने के लिए आवश्यक है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि उनके लेजर क्वांटम मेमोरी के लिए प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो वे उपकरण हैं जो प्रकाश में सूचना संग्रहीत करते हैं। चूंकि लेजर एक बहुत ही शुद्ध और स्थिर बीम उत्पन्न करता है, इसलिए यह इन उन्नत अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक नाजुक क्वांटम अवस्थाओं के साथ इंटरैक्ट करने के लिए पूरी तरह से उपयुक्त है। क्लासिकल संचार और क्वांटम सूचना दोनों के लिए यह दोहरी क्षमता, इस नए पदार्थ की बहुमुखी प्रतिभा को उजागर करती है।

आगे देखते हुए, शोधकर्ता इन उपकरणों को और भी बेहतर बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग देखते हैं। हालांकि वर्तमान परिणाम पहले से ही रिकॉर्ड तोड़ने वाले हैं, उनका मानना है कि क्रिस्टल फिल्म की मोटाई को समायोजित करके और वेवगाइड्स के डिज़ाइन को अनुकूलित करके, वे प्रदर्शन को और भी ऊपर ले जा सकते हैं। वे फिल्म में एर्बियम परमाणुओं की सटीक सांद्रता (concentration) की जांच करने की भी योजना बना रहे हैं ताकि प्रकाश को प्रवर्धित करने के लिए पर्याप्त परमाणुओं को रखने और उन अंतःक्रियाओं से बचने के बीच सही संतुलन बनाया जा सके जो दक्षता को कम कर सकती हैं। लक्ष्य और भी छोटे और अधिक शक्तिशाली उपकरण बनाना है, जो संभावित रूप से ऑप्टिकल एम्पलीफायरों की लंबाई को सेंटीमीटर से माइक्रोमीटर तक सिकोड़ सकते हैं। यह उस स्तर के एकीकरण की अनुमति देगा जो वर्तमान में असंभव है, जिससे एक ही चिप पर हजारों एम्पलीफायरों और लेजरों को पैक किया जा सकेगा।

इस परियोजना की सफलता इस मौलिक समझ पर टिकी है कि किसी सामग्री की परमाणु संरचना उसके कार्य को निर्धारित करती है। अव्यवस्थित कांच से हटकर एक पूर्णतः व्यवस्थित क्रिस्टल की ओर बढ़ते हुए, शोधकर्ताओं ने एर्बियम परमाणु की पूरी क्षमता को अनलॉक कर दिया है। एक अव्यवस्थित, अक्षम प्रणाली से एक स्वच्छ, सटीक प्रणाली की ओर यह बदलाव ही था जिसने उन्हें वह विशाल गेन और स्थिर लेसिंग प्राप्त करने की अनुमति दी जो वे रिपोर्ट कर रहे हैं। यह एक अनुस्मारक है कि नैनोटेक्नोलॉजी की दुनिया में, कभी-कभी सबसे शक्तिशाली प्रगति केवल परमाणुओं को सही तरीके से व्यवस्थित करने से आती है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सिलिकॉन के साथ रासायनिक और संरचनात्मक रूप से संगत होस्ट चुनकर पिछली सामग्रियों की अंतर्निहित सीमाओं को पार करना संभव है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र एकीकृत फोटोनिक्स के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण छलांग प्रस्तुत करता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि सिलिकॉन पर सिंगल क्रिस्टल के रूप में उगाया गया एर्बियम-डोपेड गैडोलीनियम ऑक्साइड, प्रदर्शन के उन स्तर प्रदान कर सकता है जो पहले चिप पर असंभव माने जाते थे। यह सामग्री कम तापमान पर 78 डेसिबल प्रति सेंटीमीटर से अधिक का विशाल गेन प्रदान करती है और कमरे के तापमान पर भी उपयोगी गेन बनाए रखती है। यह कम थ्रेशोल्ड और उच्च स्थिरता के साथ काम करने वाले कॉम्पैक्ट, कुशल लेजर के निर्माण को सक्षम बनाता है, हालांकि लेसिंग क्रिया स्वयं वर्तमान में केवल क्रायोजेनिक तापमान पर ही पुष्ट की गई है। यह उपलब्धि सिलिकॉन पर पूर्णतः एकीकृत सक्रिय उपकरणों के निर्माण के लिए एक नया मंच स्थापित करती है, जो उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट और क्वांटम फोटोनिक सर्किट के लिए एक स्केलेबल मार्ग प्रदान करती है। यह कार्य ऑप्टिकल कंप्यूटिंग और संचार के भविष्य के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि शक्तिशाली प्रकाश स्रोतों को सीधे कंप्यूटर चिप्स पर रखने का सपना अब एक वास्तविकता है।