Broadband suspended lithium tantalate Mach-Zehnder modulator achieving a 460 Gbit/s net data rate

कल्पना कीजिए कि इंटरनेट एक विशाल, हलचल भरे शहर की तरह है जहाँ डेटा यातायात (ट्रैफिक) है। हर बार जब आप कोई वीडियो स्ट्रीम करते हैं, संदेश भेजते हैं, या किसी सुपर-स्मार्ट आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस को प्रशिक्षित करते हैं, तो आप प्रकाश से बनी एक हाईवे पर लाखों नन्हे कारें (सूचना के बिट्स) भेज रहे होते हैं। लंबे समय से, ये हाईवे जाम होते जा रहे हैं क्योंकि ट्रैफिक लाइट (मॉड्यूलेटर) जो प्रकाश के प्रवाह को नियंत्रित करती हैं, वे इस भीड़ को संभालने के लिए बहुत धीमी या बहुत भारी हैं। वैज्ञानिक लगातार बेहतर ट्रैफिक लाइट बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो अविश्वसनीय रूप से तेजी से चालू और बंद हो सकें, जिससे अधिक डेटा बिना किसी दुर्घटना के तेजी से गुजर सके। यह "फोटोनिक्स" की दुनिया है, जहाँ हम सूचना ले जाने के लिए बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करते हैं। इन लाइटों को तेज़ बनाने की कुंजी ऐसे पदार्थ खोजना है जो प्रकाश को तेज़ी से और कुशलता से मोड़ सकें। ऐसा ही एक पदार्थ है लिथियम टेंटलेट (lithium tantalate), एक क्रिस्टल जो प्रकाश के लिए एक सुपर-रिस्पॉन्सिव स्विच के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, इन स्विचों को उन मानक सिलिकॉन चिप्स पर बनाना जिनका उपयोग हम कंप्यूटर के लिए करते हैं, एक भारी जूते पहनकर दौड़ लगाने जैसा है; सिलिकॉन उन विद्युत संकेतों को धीमा कर देता है जिनकी आवश्यकता प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए होती है, जिससे एक ट्रैफिक जाम बन जाता है जो डेटा की गति को सीमित कर देता है।

यह शोध पत्र बताता है कि कैसे एक टीम ने उन भारी जूतों को ठीक किया। उन्होंने एक मानक सिलिकॉन चिप ली जिसके ऊपर लिथियम टेंटलेट की एक पतली परत थी और फिर बिजली के तारों के ठीक नीचे के सिलिकॉन को हटाने के लिए एक नाजुक "सर्जरी" की। सिलिकॉन को काटकर और तारों को खाली हवा में लटकाकर, उन्होंने एक उच्च-गति वाला हाईवे बना दिया जहाँ विद्युत संकेत प्रकाश के साथ बिना धीमे हुए दौड़ सकते हैं। इस प्रक्रिया से उन्होंने एक नया प्रकार का लाइट स्विच बनाया जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ और कुशल है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया जो 460 Gbit/s (यानी 460 बिलियन बिट्स प्रति सेकंड) तक की डेटा गति को संभाल सकता है, जो इतना तेज़ है कि एक सेकंड में हजारों फिल्में डाउनलोड की जा सकती हैं। उन्होंने साबित किया कि केवल तारों के नीचे से सिलिकॉन हटाकर, वे लिथियम टेंटलेट सामग्री की पूरी गति क्षमता को अनलॉक कर सकते हैं, जो पूरी तरह से नई सामग्री या जटिल विनिर्माण प्रक्रियाओं को आविष्कार किए बिना भविष्य के सुपर-फास्ट इंटरनेट को बनाने का एक सस्ता और आसान तरीका प्रदान करता है।

द स्टोरी ऑफ द फ्लोटिंग लाइट स्विच

एक आधुनिक कंप्यूटर चिप को एक गगनचुंबी इमारत के रूप में सोचें। निचला तल सिलिकॉन की एक मोटी परत है, जो इमारत को थामे रखने के लिए तो बहुत अच्छी है लेकिन उच्च-गति वाले विद्युत संकेतों को तेज़ी से गुजरने देने के लिए बहुत खराब है। इस सिलिकॉन फर्श के ऊपर लिथियम टेंटलेट (LiTaO₃) की एक पतली, जादुई परत स्थित है, जो प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए मुख्य खिलाड़ी है। समस्या यह है कि जब आप प्रकाश को निर्देश देने के लिए ऊपर से एक विद्युत संकेत चलाने की कोशिश करते हैं, तो संकेत को नीचे के सिलिकॉन फर्श के माध्यम से "चलना" पड़ता है। क्योंकि सिलिकॉन अपने विद्युत गुणों (वैज्ञानिक इसे "हाई परमिटिविटी" कहते हैं) से इतना घना है, यह एक भारी, चिपचिपे कीचड़ की तरह कार्य करता है जो संकेत को धीमा कर देता है। यह बेमेल होने का मतलब है कि विद्युत संकेत और प्रकाश संकेत तालमेल खो देते हैं, जैसे दो धावक एक साथ दौड़ने की कोशिश कर रहे हों जहाँ एक कीचड़ में फंसा हुआ हो। उन्हें मिलाने के लिए, इंजीनियरों को आमतौर पर अपने विद्युत तारों को बहुत संकीर्ण बनाना पड़ता है, जिससे प्रतिरोध और गर्मी पैदा होती है, जो पूरे सिस्टम की गति को सीमित करती है।

शोधकर्ताओं ने एक चतुर समाधान निकाला: उन्होंने एक पुल बनाने का निर्णय लिया। विद्युत तारों को सिलिकॉन के कीचड़ पर चलने देने के बजाय, उन्होंने तारों के ठीक नीचे के सिलिकॉन को काट दिया, जिससे तार हवा में लटके रह गए। एक रस्सी पर चलने वाले (tightrope walker) की कल्पना करें; यदि वे एक मोटे, भारी रस्से पर चलते हैं, तो वे धीरे चलते हैं। लेकिन यदि वे हवा में लटकी हुई एक पतली, हल्की तार पर चलते हैं, तो वे आसानी से दौड़ सकते हैं। "सबस्ट्रेट अंडरकट" (substrate undercut) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके, टीम ने अपने उपकरण के इलेक्ट्रोड क्षेत्र के नीचे के सिलिकॉन को चुनिकी रूप से हटा दिया। उन्होंने ऊपरी परतों के माध्यम से छोटे छेद (vias) किए और फिर एक विशेष रासायनिक नक्काशी (etch) का उपयोग करके बिजली के तारों के नीचे के सिलिकॉन को घोल दिया, जिससे लिथियम टेंटलेट और सोने के इलेक्ट्रोड एक वायु गुहा (air cavity) के ऊपर लटक गए।

यह "फ्लोटिंग" डिज़ाइन एक गेम-चेंजर है क्योंकि हवा विद्युत संकेतों के लिए सबसे उत्तम माध्यम है—इसमें लगभग कोई प्रतिरोध नहीं होता और यह किसी भी चीज़ को धीमा नहीं करता है। तारों को लटकाकर, शोधकर्ताओं ने विद्युत संकेत को भारी सिलिकॉन फर्श से प्रभावी रूप से अलग कर दिया। इसने उन्हें व्यापक विद्युत तारों (जो बनाने में आसान और कम रेजिस्टिव हैं) का उपयोग करने की अनुमति दी, जबकि अभी भी उनके विद्युत संकेत को प्रकाश संकेत के साथ पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ रखा। यह एक संकीर्ण, कीचड़ भरे रास्ते से एक चौड़े, चिकने हाईवे में अपग्रेड करने जैसा है।

परिणाम: डेटा की गति बढ़ाना

टीम ने एक डिवाइस बनाया जिसे माक-ज़ेन्डर मॉड्यूलेटर (Mach–Zehnder modulator) कहा जाता है, जो अनिवार्य रूप से डेटा के लिए एक ट्रैफिक लाइट है। यह प्रकाश की एक बीम को दो पथों में विभाजित करता है, एक पथ में प्रकाश की गति को बदलने के लिए विद्युत संकेत का उपयोग करता है, और फिर उन्हें फिर से जोड़ता है ताकि एक ऐसा सिग्नल बनाया जा सके जिसे चालू और बंद किया जा सके। उनका नया "सस्पेंडेड" संस्करण 8 मिलीमीटर लंबा था। जब उन्होंने इसका परीक्षण किया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। उन्होंने पाया कि उपकरण 110 GHz की बैंडविड्थ के साथ चालू और बंद हो सकता था। इसे समझने के लिए, यह वह फ्रीक्वेंसी रेंज है जहाँ उपकरण अभी भी अपनी अधिकतम शक्ति के आधे पर काम कर सकता है; यह इस बात का माप है कि स्विच कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया दे सकता है।

उन्होंने "हाफ-वे वोल्टेज" (half-wave voltage) को भी मापा, जो स्विच को पलटने के लिए आवश्यक विद्युत शक्ति की मात्रा है। उनके उपकरण को पूर्ण स्विच करने के लिए केवल 5.1 वोल्ट की आवश्यकता थी, जो इतने तेज़ उपकरण के लिए काफी कुशल है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने जांचा कि क्या उपकरण समय के साथ स्थिर रहता है। अन्य सामग्रियों के विपरीत जो गर्म होने या पुराना होने पर भटक जाती हैं और भ्रमित हो जाती हैं, यह लिथियम टेंटलेट डिवाइस स्थिर रहा, जिसने आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में परीक्षण के बाद भी कोई महत्वपूर्ण विचलन नहीं दिखाया।

लेकिन असली परीक्षण वास्तविक डेटा भेजना था। शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण को एक हाई-स्पीड लेजर और एक कंप्यूटर सिस्टम से जोड़ा ताकि PAM8 (जो केवल काले और सफेद के बजाय 8 अलग-अलग ग्रे शेड्स का उपयोग करके संदेश भेजने जैसा है) नामक विधि का उपयोग करके संदेश भेजे जा सकें। उन्होंने अपने उपकरण को उसकी सीमाओं तक पहुँचाया, 180 बिलियन सिम्बल्स प्रति सेकंड की सिंबल दर पर डेटा भेजते हुए। परिणाम? उन्होंने 460 Gbit/s की नेट डेटा दर प्राप्त की। इसका मतलब है कि केवल एक सेकंड में, उपकरण इतना डेटा प्रसारित कर सकता है जो किताबों के एक विशाल पुस्तकालय को भर दे। यह प्रदर्शन वर्तमान में लिथियम नाइओबेट (एक समान सामग्री) से बने सर्वश्रेष्ठ उपकरणों के बराबर है, लेकिन नया तरीका सरल और संभावित रूप से सस्ता है क्योंकि इसमें चिप को एक विशेष, महंगी लो-परमिटिविटी सबस्ट्रेट से जोड़ने की आवश्यकता नहीं होती है।

यह क्यों मायने रखता है

इस खोज की खूबसूरती यह है कि इसके लिए चिप बनाने के तरीके में पूर्ण बदलाव की आवश्यकता नहीं है। शोधकर्ताओं ने मानक विनिर्माण चरणों का उपयोग किया और बस तारों के नीचे सिलिकॉन हटाने के लिए एक "सर्जरी" चरण जोड़ा। यह उन मौजूदा कारखानों के अनुकूल है जो पहले से ही इन चिप्स का निर्माण कर रहे हैं। यह साबित करके कि आप केवल तारों को हवा में लटकाकर उच्च-गति प्रदर्शन प्राप्त कर सकते हैं, उन्होंने तेज़, अधिक कुशल इंटरनेट कनेक्शन के लिए द्वार खोल दिए हैं। चाहे वह हमारे AI को शक्ति देने वाले विशाल डेटा सेंटर हों, अगली पीढ़ी के 5G और 6G नेटवर्क हों, या बस सभी के लिए तेज़ डाउनलोड, यह "फ्लोटिंग" स्विच एक स्पष्ट मार्ग दिखाता है। यह साबित होता है कि कभी-कभी, चीजों को तेज़ करने का सबसे अच्छा तरीका बेहतर इंजन बनाना नहीं, बल्कि उस वजन को हटाना है जो उसे नीचे खींच रहा है।