Laser Structured Optical Interposer for Ultra-dense Vertical Coupling of Multi-core Fibers to Silicon Photonic Chip

आधुनिक दुनिया में, सूचना प्रकाश की गति से यात्रा करती है, लेकिन इसे ले जाने वाले भौतिक उपकरण एक जिद्दी बाधा का सामना करते हैं। हमारे डिजिटल जीवन को संचालित करने वाले कंप्यूटरों और डेटा केंद्रों के भीतर, नन्हे सिलिकॉन चिप्स अविश्वसनीय गति से डेटा को प्रोसेस करते हैं। इन चिप्स पर सूचना लाने और ले जाने के लिए, इंजीनियर ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करते हैं, जो कांच के पतले धागे होते हैं जो प्रकाश का मार्गदर्शन करते हैं। हालाँकि, आकार में एक मौलिक बेमेल (mismatch) है। एक सिलिकॉन चिप के भीतर के मार्ग सूक्ष्म होते हैं, जबकि उन्हें जोड़ने वाले फाइबर अपेक्षाकृत मोटे होते हैं, जैसे कि एक मानव बाल के बगल में बगीचे का होज़ (hose)। इस अंतर को पाटना लंबे समय से एक चुनौती रहा है। वर्षों से, इंजीनियरों ने इन मोटे फाइबर को चिप के किनारे के साथ संरेखित करने की कोशिश की है, लेकिन यह विधि इस बात को सीमित करती है कि एक छोटे स्थान में कितने कनेक्शन पैक किए जा सकते हैं। जैसे-जैसे तेज़ नेटवर्क की मांग बढ़ रही है, सिग्नल की शक्ति खोए बिना एक ही चिप से सैकड़ों डेटा स्ट्रीम को जोड़ने की आवश्यकता महत्वपूर्ण हो गई है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाया है: फाइबर को चिप के किनारे के बजाय उसकी सपाट सतह से जोड़ना। इसके लिए फाइबर से आने वाले प्रकाश को मोड़ने की आवश्यकता होती है ताकि वह सीधे चिप के नीचे की ओर जा सके। चुनौती एक साथ दर्जनों फाइबर के लिए ऐसा करने की है, वह भी एक कॉम्पैक्ट स्थान में, बिना प्रकाश के बिखरने या फीका पड़ने के। टोरंटो विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की एक टीम ने कांच के एक ब्लॉक और एक शक्तिशाली लेजर का उपयोग करके इन दो दुनियाओं के बीच एक पुल बनाने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो विशेष फाइबर के एक बंडल को लेता है, जिनमें से प्रत्येक में कई प्रकाश-वाहक कोर (cores) होते हैं, और उन्हें कांच के तीन-आयामी (3D) भूलभुलैया जैसे चैनलों के माध्यम से निर्देशित करता है। ये चैनल प्रकाश को छोटे दर्पणों तक ले जाते हैं जो इसे नीचे की ओर परावर्तित करते हैं, जिससे यह सिलिकॉन चिप के सेंसर ग्रिड से जुड़ जाता है।

शोधकर्ताओं ने पहले इस कांच के पुल के लिए तीन अलग-अलग लेआउट डिजाइन किए, जिनमें से प्रत्येक पिछले वाले की तुलना में कनेक्शनों को अधिक सघन रूप से पैक करने का प्रयास कर रहा था। उनके द्वारा बनाया गया उपकरण फ्यूज्ड सिलिका (एक प्रकार का उच्च-शुद्धता वाला कांच) का एक छोटा सा स्लैब है, जो लगभग एक मिलीमीटर मोटा है। इस कांच के भीतर, उन्होंने अदृश्य पथ बनाने के लिए एक फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया। ये पथ खोखली नलियां नहीं हैं, बल्कि ऐसे क्षेत्र हैं जहाँ कांच की संरचना को थोड़ा बदल दिया गया है ताकि प्रकाश का मार्गदर्शन किया जा सके, ठीक वैसे ही जैसे एक सड़क कार का मार्गदर्शन करती है। लेजर ने कांच के भीतर छोटे, चिकने दर्पण भी बनाए। ये दर्पण धातु के बने नहीं हैं बल्कि कांच के भीतर ही पॉलिश की गई सतहें हैं जो एक आदर्श परावर्तक के रूप में कार्य करती हैं, और प्रकाश को एक तीखे कोण पर उछालती हैं। इन दर्पणों और पथों को तीन आयामों में व्यवस्थित करके, टीम प्रकाश को बगल से लेकर लंबवत (vertically), सीधे चिप के नीचे की ओर मोड़ने में सक्षम हुई।

टीम ने यह देखने के लिए तीन अलग-अलग डिजाइनों का परीक्षण किया कि कौन सा सबसे अच्छा काम करेगा। पहले डिजाइन ने कनेक्शनों को एक ऊंचे स्थान में फैला दिया, जिससे प्रकाश को निर्देशित करना आसान हो गया लेकिन परिणाम स्वरूप उपकरण अधिक भारी (bulky) हो गया। दूसरे और तीसरे डिजाइन ने इस व्यवस्था को संकुचित करने का प्रयास किया, जिससे पथों को एक पतले प्रोफाइल में मोड़ा गया। इनमें से एक कॉम्पैक्ट डिजाइन में एक चतुर तकनीक का उपयोग किया गया जहाँ प्रकाश के पथ एक दूसरे के ऊपर तीव्र कोणों पर क्रॉस करते हैं, जो एक हाईवे ओवरपास के समान है, ताकि जगह बचाई जा सके। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि पथों के क्रॉस होने से पड़ोसी चैनलों में प्रकाश लीक नहीं हुआ, फिर भी सबसे सघन डिजाइन ने आकार और प्रदर्शन के बीच सबसे अच्छा संतुलन प्रदान किया। उन्होंने इस सबसे कॉम्पैक्ट संस्करण को अपना अंतिम उपकरण बनाने के लिए चुना, जो प्रकाश के चालीस अलग-अलग चैनलों को एक साथ संभाल सकता है।

उपकरण को बाहरी दुनिया से जोड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने कांच के ब्लॉक में स्व-संरेखित (self-aligning) सॉकेट जोड़े। ये सॉकेट छोटे, सटीक आकार के छेद हैं जो फाइबर को उनकी जगह पर बनाए रखते हैं। जब एक फाइबर डाला जाता है, तो सॉकेट का आकार स्वाभाविक रूप से फाइबर के भीतर मौजूद प्रकाश-वाहक कोर को कांच के पथों के साथ पूरी तरह से संरेखित करता है, जिससे जटिल मैनुअल समायोजन की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। टीम ने इस कांच के ब्लॉक को एक सिलिकॉन चिप से जोड़ा है जिसकी सतह पर छोटे ग्रेटिंग कपलर (grating couplers) का एक ग्रिड है। ये ग्रेटिंग सूक्ष्म बाड़ (fences) की तरह हैं जो ऊपर से आने वाले प्रकाश को पकड़ते हैं और उसे चिप के आंतरिक सर्किट में निर्देशित करते हैं। पूरे असेंबली को एक पारदर्शी एपॉक्सी के साथ सुरक्षित किया गया, जिससे यह एक एकल, मजबूत इकाई बन गई।

जब शोधकर्ताओं ने तैयार उपकरण का परीक्षण किया, तो उन्होंने मापा कि फाइबर से, कांच के पुल से होकर, सिलिकॉन चिप में जाने के दौरान कितना प्रकाश नष्ट होता है। उन्होंने पाया कि सिस्टम उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम करता है। औसतन, प्रकाश ने अपनी शक्ति का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही खोया, और सबसे अच्छे कनेक्शनों में तो इससे भी कम नुकसान हुआ। उपकरण ने सफलतापूर्वक प्रकाश के चालीस चैनलों को फाइबर के टू-डायमेंशनल सरणी (array) से चिप की सतह पर रूट किया। यह पुराने तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जो केवल एक चिप के किनारे पर कुछ ही चैनल संभाल सकते थे। नया दृष्टिकोण कनेक्शनों का बहुत उच्च घनत्व (density) प्रदान करता है, जिससे सिग्नल के कमजोर हुए बिना कम क्षेत्र में अधिक डेटा स्ट्रीम को पैक किया जा सकता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि उपकरण समय के साथ और विभिन्न परिस्थितियों में कैसा प्रदर्शन करता है। एपॉक्सी के सूखने (cure होने) के बाद और उपकरण को स्थिर होने के लिए छोड़ने के बाद, शोधकर्ताओं ने कनेक्शनों की दोबारा जांच की। उन्होंने पाया कि प्रदर्शन स्थिर रहा, जिसमें सिग्नल में लगभग कोई गिरावट नहीं आई। यह सुझाव देता है कि कांच और सिलिकॉन के बीच का बंधन मजबूत और विश्वसनीय है, जो वास्तविक दुनिया के उपयोग के तनाव को सहने में सक्षम है। टीम ने नोट किया कि सिग्नल हानि का मुख्य स्रोत स्वयं सिलिकॉन चिप था, विशेष रूप से जिस तरह से चिप प्रकाश को पकड़ता है, न कि उनके द्वारा बनाए गए कांच के पुल से। यह इंगित करता है कि यदि चिप के डिजाइन में सुधार किया जाए, तो समग्र प्रदर्शन और भी बेहतर हो सकता है।

एक कॉम्पैक्ट, कांच-आधारित पुल को घने फाइबर सरणी को सिलिकॉन चिप से सफलतापूर्वक जोड़ने का प्रदर्शन करके, यह कार्य अधिक शक्तिशाली और कुशल ऑप्टिकल नेटवर्क के द्वार खोलता है। एक त्रि-आयामी कांच की संरचना के माध्यम से प्रकाश को लंबवत रूप से रूट करने की क्षमता का अर्थ है कि इंजीनियर अब एक छोटे स्थान में अधिक कनेक्शनों को व्यवस्थित कर सकते हैं, जो उन भौतिक सीमाओं को संबोधित करता है जिन्होंने डेटा केंद्रों और हाई-स्पीड कंप्यूटिंग की वृद्धि को धीमा कर दिया है। यह उपकरण सिद्ध करता है कि सटीक लेजर इंजीनियरिंग के साथ, प्रकाश को कांच के माध्यम से तार की तरह विश्वसनीयता के साथ बुनना संभव है, जो अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट्स के लिए एक आधार तैयार करता है।