Exceeding 500 Gbps thin film lithium niobate microring modulator and its applications
यह शोध पत्र सिलिकॉन नाइट्राइड-लोडेड प्लेटफॉर्म पर एक अल्ट्रा-हाई-स्पीड थिन फिल्म लिथियम नियोबेट माइक्रोरिंग मॉड्यूलेटर प्रस्तुत करता है जो 517 Gbps की रिकॉर्ड-तोड़ मॉड्यूलेशन दर, 110 GHz से अधिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक बैंडविड्थ और 1.5 fJ/bit ऊर्जा खपत प्राप्त करता है, जो अगली पीढ़ी के फोटोनिक कंप्यूटिंग और वायरलेस संचार प्रणालियों के लिए परिवर्तनकारी क्षमता को प्रदर्शित करता है।
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दुनिया के डेटा को ले जाने वाले अदृश्य राजमार्गों में, प्रकाश ही वाहन है। इस प्रकाश को उपयोगी बनाने के लिए, इंजीनियरों को इसे अविश्वसनीय गति से चालू और बंद करने, या इसकी चमक बदलने में सक्षम होना चाहिए। ये स्विच, जिन्हें मॉड्युलेटर (modulators) कहा जाता है, आधुनिक संचार के द्वारपाल हैं, जो कंप्यूटरों से प्राप्त विद्युत संकेतों को प्रकाश के उन स्पंदनों (pulses) में बदल देते हैं जो फाइबर ऑप्टिक्स के माध्यम से यात्रा करते हैं। दशकों तक, सबसे विश्वसनीय स्विच लंबे, सीधे उपकरण रहे हैं जिन्हें एक ही कंप्यूटर चिप पर सघन रूप से पैक करना कठिन होता है। हालांकि छोटे, रिंग के आकार के स्विच मौजूद हैं, लेकिन वे ऐतिहासिक रूप से सबसे कठिन कार्यों के लिए बहुत धीमे रहे हैं, क्योंकि वे अक्सर एक ऐसे बॉटलनेक (bottleneck) में फंस जाते हैं जहाँ प्रकाश को जल्दी बदलने के लिए लूप के भीतर बहुत अधिक समय तक रुकना पड़ता है। इस सीमा ने तेज़ इंटरनेट, अधिक शक्तिशाली आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस और वायरलेस संचार के नए तरीकों की क्षमता को रोक रखा है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक रिंग के आकार का स्विच बनाया है जो इस गति की बाधा को तोड़ देता है, यह सिद्ध करते हुए कि एक छोटा सा लूप डेटा को पहले की तुलना में कहीं अधिक तेज़ी से स्थानांतरित कर सकता है। लिथियम नियोबेट (lithium nate) की एक पतली परत, जो प्रकाश को नियंत्रित करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है, को सिलिकॉन नाइट्राइड की एक परत के साथ जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो संक्षिप्त भी है और असाधारण रूप से तेज़ भी। उनकी सफलता की कुंजी बिजली के तारों का चतुर पुनर्गठन था जो प्रकाश को नियंत्रित करते हैं। एक मानक, साधारण तार के बजाय, उन्होंने रिंग को एक सममित, ट्रैवलिंग-वेव इलेक्ट्रोड (traveling-wave electrode) से लपेटा जो विद्युत संकेतों के लिए एक हाई-स्पीड हाईवे की तरह कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि वे बिना किसी देरी के प्रकाश को बदलने के लिए सही समय पर पहुँचें। उन्होंने सिग्नल के किसी भी नुकसान को रोकने के लिए प्रकाश पथ के घुमावों को भी सुव्यवस्थित किया, जिससे उपकरण 517 गीगाबिट प्रति सेकंड की आश्चर्यजनक गति से संचालित होने में सक्षम हुआ। इस गति को समझने के लिए, यह एकल उपकरण एक उच्च-परिभाषा (high-definition) वाली फिल्म की पूरी सामग्री को एक सेकंड से भी कम समय में प्रसारित कर सकता है।
शोधकर्ताओं ने केवल उपकरण का निर्माण ही नहीं किया; उन्होंने इसकी बहुमुखी प्रतिभा को सिद्ध करने के लिए इसे दो बहुत अलग क्षेत्रों में काम पर लगाया। सबसे पहले, उन्होंने इसका उपयोग आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के लिए गणना करने हेतु किया, विशेष रूप से छवियों में पैटर्न पहचानने के लिए। डेटा को लाइट रिंग में फीड करके, सिस्टम तस्वीरों में विशेषताओं, जैसे कि एक आइरिस (iris) के अद्वितीय पैटर्न या किसी आकृति के किनारों को, पूर्ण सटीकता के साथ तुरंत पहचान सकता था। यह दर्शाता है कि ये छोटे ऑप्टिकल रिंग भविष्य के सुपर-फास्ट कंप्यूटरों के मस्तिष्क के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो बिजली की गति के बजाय प्रकाश की गति से सूचना को संसाधित करते हैं। दूसरा, टीम ने एक वायरलेस संचार प्रणाली में इस उपकरण का परीक्षण किया। उन्होंने हवा के माध्यम से प्रकाश के विभिन्न रंगों का उपयोग करके एक साथ डेटा के कई प्रवाह भेजने के लिए रिंग का उपयोग किया। मात्र तीन फीट से कम की दूरी पर, सिस्टम ने एक एकल चैनल पर 360 गीगाबिट प्रति सेकंड की दर से डेटा सफलतापूर्वक प्रसारित किया, और विभिन्न लक्ष्यों के बीच टकराने के बावजूद भी एक स्पष्ट सिग्नल बनाए रखा।
इस उपलब्धि को जो बात विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाती है, वह है वह दक्षता जिसके साथ यह उपकरण संचालित होता है। अपनी तीव्र गति के बावजूद, यह लगभग नगण्य ऊर्जा की खपत करता है, जो पुरानी तकनीकों द्वारा आवश्यक शक्ति के एक बहुत छोटे अंश का ही उपयोग करता है। अत्यधिक गति और कम ऊर्जा उपयोग का यह संयोजन एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ डेटा सेंटर और संचार नेटवर्क अत्यधिक गर्मी उत्पन्न किए बिना या पावर ग्रिड को खाली किए बिना भारी मात्रा में जानकारी को संभाल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उनका उपकरण विभिन्न परिस्थितियों में विश्वसनीय रूप से कार्य करता है, और इन रिकॉर्ड-तोड़ गति पर भी डेटा स्पष्ट और त्रुटिहीन रहता है। प्रकाश को धीमी लूपों में फंसाने वाली भौतिक सीमाओं को पार करके, यह कार्य फोटोनिक प्रणालियों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलता है जो आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस और वैश्विक कनेक्टिविटी की बढ़ती मांगों को पूरा कर सकती है।
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