DC-to-GHz Modulation In Microring Modulators Using Ferroelectric Nematic Liquid Crystal-on-Silicon in a Foundry Photonic Process
यह अध्ययन एक फाउंड्री फोटोनिक प्रक्रिया में पहले फेरोइलेक्ट्रिक नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल-कोटेड माइक्रोरिंग मॉड्यूलेटर को प्रदर्शित करता है, जो एक पोलिंग-मुक्त, CMOS-संगत प्लेटफॉर्म का उपयोग करके रिकॉर्ड-तोड़ 7.8 GHz इलेक्ट्रो-ऑप्टिक बैंडविड्थ और उच्च शक्ति दक्षता प्राप्त करता है जो सिलिकॉन-ऑर्गेनिक हाइब्रिड उपकरणों की पिछली स्केलेबिलिटी और गति की सीमाओं को दूर करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप प्रकाश का एक विशाल, अत्यंत तीव्र शहर (एक फोटोनिक चिप) बनाने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ डेटा बिजली के बजाय प्रकाश की किरणों के रूप में यात्रा करता है। इस शहर को काम करने के लिए छोटे ट्रैफिक लाइटों की आवश्यकता होगी जिन्हें मॉड्यूलेटर (modulators) कहा जाता है, जो संदेश भेजने के लिए प्रकाश को अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से चालू और बंद कर सकें।
समस्या यह है कि वर्तमान "ट्रैफिक लाइटों" में कुछ बड़े दोष हैं:
- "पेंट" की समस्या: कुछ उच्च-गति वाली सामग्रियाँ (जैसे ऑर्गेनिक पॉलिमर) काम करने के लिए एक विशेष, उच्च-तापमान वाली "पोलिंग" प्रक्रिया की आवश्यकता रखती हैं। यह एक नाजुक घर को पेंट करने की कोशिश करने जैसा है जब पेंट अभी भी सूख रहा हो; यदि आप एक कमरे को पेंट करने की कोशिश करते हैं, तो आप गलती से बगल वाले कमरे का पेंट भी खराब कर देते हैं। यह बड़े पैमाने पर चिप्स बनाना कठिन बना देता है।
- "स्लो मोशन" की समस्या: अन्य सामग्रियाँ (जैसे मानक लिक्विड क्रिस्टल) उपयोग में आसान हैं लेकिन वे बहुत धीमी गति से चलती हैं; जैसे कि एक रेस कार का मुकाबला करने की कोशिश में एक घोंघा। वे आधुनिक इंटरनेट के लिए आवश्यक उच्च-गति वाले डेटा को संभालने में सक्षम नहीं हैं।
बड़ी सफलता:
यह शोध पत्र एक नई "सुपर-मटेरियल" पेश करता है जिसे फेरोइलेक्ट्रिक नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल (FN-LC) कहा जाता है। इस FN-LC को एक स्मार्ट, स्वयं-संरेखित जेल (self-aligning gel) के रूप में सोचें।
यहाँ शोधकर्ताओं ने इस जेल का उपयोग करके एक बेहतर ट्रैफिक लाइट (एक माइक्रोरिंग मॉड्यूलेटर) कैसे बनाया, इसका विवरण दिया गया है:
1. "स्वयं-संरेखित" होने वाला जेल (कोई पोलिंग नहीं)
आमतौर पर, लिक्विड क्रिस्टल कांच के जार में रखे कंचों की तरह होते हैं; आपको उन्हें एक ही दिशा में संरेखित करने के लिए उन्हें हिलाना पड़ता है या गर्म करना पड़ता है। यह नया FN-LC अलग है। यह चुंबकीय कंचों की तरह है जो स्वाभाविक रूप से खुद ही एक विशिष्ट दिशा में संरेखित होना चाहते हैं।
- उपमा: अणुओं को संरेखित करने के लिए एक विशाल, अव्यवस्थित निर्माण दल (उच्च-तापमान वाली पोलिंग) की आवश्यकता के बजाय, आपको बस उन्हें एक छोटा, कोमल धक्का (एक छोटा वोल्टेज) देना होता है, और वे तुरंत अपनी जगह पर आ जाते हैं। इसका मतलब है कि आप इन चिप्स को असेंबली लाइन के नियमों को तोड़े बिना मानक कारखानों में बना सकते हैं।
2. "दो-गति" वाला इंजन
इस सामग्री का जादू यह है कि इसमें दो अलग-अलग गियर हैं:
- गियर 1 (DC/धीमा): यह बहुत कम शक्ति का उपयोग करके प्रकाश के रंग को बहुत सटीकता और कुशलता से बदल सकता है। यह गिटार के प्रिसिजन ट्यूनर (precision tuner) की तरह है। इसे तेज़ होने की आवश्यकता नहीं है; इसे बस सटीक होना है और लगभग शून्य ऊर्जा का उपयोग करना है। यह उस समस्या को हल करता है जहाँ चिप को ट्यून करने के लिए बड़े हीटरों की आवश्यकता होती है, जो आमतौर पर बहुत अधिक बिजली बर्बाद करता है और गर्मी पैदा करता है जो पड़ोसी घटकों को खराब कर सकती है।
- गियर 2 (AC/तेज़): जब आप इसे एक उच्च-गति वाले विद्युत संकेत से हिट करते हैं, तो यह 7.8 GHz पर सक्रिय हो जाता है। यह अविश्वसनीय रूप से तेज़ है—इतना तेज़ कि यह भविष्य के 6G नेटवर्क के डेटा स्पीड को संभाल सके। यह एक प्रिसिजन ट्यूनर से बिजली की तरह तेज़ स्ट्रोब लाइट (strobe light) में स्विच करने जैसा है।
3. "चौड़ा दरवाजा" डिज़ाइन
आमतौर पर, इन सामग्रियों को काम करने के लिए इंजीनियरों को उन्हें सिलिकॉन में बहुत पतली दरारों (स्लॉट्स) में दबाना पड़ता है। यह गाढ़े शहद को सुई के माध्यम से डालने की कोशिश करने जैसा है; यह अक्सर जाम हो जाता है या स्थान को पूरी तरह नहीं भर पाता।
- नवाचार: शोधकर्ताओं ने एक "सेमी-रिज" (semi-ridge) वेवगाइड बनाया। सुई के बजाय, उन्होंने एक चौड़ा, खुला दरवाजा (5 माइक्रोमीटर चौड़ा) बनाया। क्योंकि FN-LC गाढ़ा और चिपचिपा है, यह बिल्कुल वहीं रहता है जहाँ आप इसे रखते हैं और कहीं भागता नहीं है। इसने चिप को कोट करना बहुत आसान बना दिया और यह सुनिश्चित किया कि सामग्री स्थान को पूरी तरह से भर दे।
4. परिणाम: एक सुपर-कुशल चिप
इस स्वयं-संरेखित जेल और एक चतुर चौड़े-दरवाजे वाले डिज़ाइन को मिलाकर, उन्होंने एक चिप बनाई जो:
- ट्यून रहने के लिए लगभग कोई बिजली खर्च नहीं करती (ऊर्जा बचाती है)।
- अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से स्विच करती है (उच्च-गति डेटा को संभालती है)।
- बनाने में आसान है (किसी विशेष उच्च-तापमान चरणों की आवश्यकता नहीं है)।
- मजबूत है: उन्होंने गर्मी, नमी और उच्च शक्ति के साथ इसका परीक्षण किया, और यह खराब नहीं हुआ। यह एक ऐसे कार इंजन को बनाने जैसा है जो पानी पर चलता है और कभी ओवरहीट नहीं होता।
यह क्यों मायने रखता है?
वर्तमान में, जटिल ऑप्टिकल कंप्यूटर या विशाल डेटा सेंटर बनाना कठिन है क्योंकि उनके घटक बहुत बड़े हैं, बहुत अधिक बिजली का उपयोग करते हैं, या उन्हें बनाना बहुत कठिन है।
यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि अब हम छोटे, ऊर्जा-कुशल, उच्च-गति वाले ऑप्टिकल स्विच बना सकते हैं जो उन्हीं कारखानों के अनुकूल हैं जो आपके स्मार्टफोन की चिप बनाते हैं। यह भविष्य के प्रकाश-आधारित कंप्यूटरों की ओर एक बड़ा कदम है, जहाँ हमारे कंप्यूटर और इंटरनेट तेज़, ठंडे और आज की तुलना में बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करेंगे।
संक्षेप में: उन्होंने एक ऐसा लिक्विड क्रिस्टल खोजा है जो खुद को संरेखित करता है, दो गति (धीमी और सटीक, तेज़ और शक्तिशाली) पर काम करता है, और चिप पर डालना आसान है, जिससे अगली पीढ़ी के प्रकाश-आधारित कंप्यूटर बनाने की सबसे बड़ी सिरदर्दियां दूर हो जाती हैं।
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