Dispersion-Engineered SOI Ridge Waveguides for Broadband Nonlinear Photonics and Polarization-Insensitive Transport

सिलिकॉन चिप के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश आमतौर पर एक कठिन विकल्प का सामना करता है। प्रकाश को कसकर संकुचित रखने के लिए ताकि यह सामग्री के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया कर सके, इंजीनियर चैनलों को अत्यंत संकीर्ण बनाते हैं। लेकिन यह तंग जगह एक समस्या पैदा करती है: प्रकाश के विभिन्न रंग बहुत अलग-अलग गति से चलते हैं, जिससे सिग्नल फैल जाता है और अपना आकार खो देता है। यह प्रभाव, जिसे डिस्पर्शन (dispersion) कहा जाता है, सिलिकॉन चिप्स का उपयोग करके प्रकाश के नए रंग उत्पन्न करने या बिना किसी विरूपण के जटिल डेटा ले जाने के मार्ग में एक बड़ी बाधा है। वर्षों से, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन के आकार को बदलकर इसे ठीक करने की कोशिश की है, लेकिन इन समाधानों ने अक्सर नई समस्याएं पैदा कीं, जैसे कि प्रकाश को इसके ओरिएंटेशन (orientation) के आधार पर अलग तरह से व्यवहार करने के लिए मजबूर करना या चैनल के खुरदरे किनारों से बहुत अधिक प्रकाश का बिखर जाना।

एक शोधकर्ता ने अब सिलिकॉन वेवगाइड (waveguide) को सावधानीपूर्वक नया आकार देकर इन परस्पर विरोधी मांगों को हल करने का एक तरीका खोज लिया है। पूरी तरह से नक्काशीदार (etched), पतली सिलिकॉन पट्टी का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक छोटी, बिना नक्काशी वाले आधार वाली एक रिज (ridge) बनाई, जिससे एक ऐसी संरचना तैयार हुई जो एक तार और एक चौड़े चैनल के बीच हाइब्रिड की तरह कार्य करती है। ऊपरी रिज की चौड़ाई और निचले आधार की मोटाई को समायोजित करके, उन्होंने दो विशिष्ट डिजाइन खोजे जो अलग-अलग समस्याओं का समाधान करते हैं। एक डिजाइन रंगों के बीच गति के अंतर को कम करता है (flatten), जिससे प्रकाश की एक विस्तृत श्रृंखला बिना फैले एक साथ यात्रा कर सकती है। दूसरा डिजाइन चैनल को प्रकाश के ओरिएंटेशन के प्रति अदृश्य बनाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सिग्नल अपने ओरिएंटेशन के बावजूद समान समय पर पहुँचता है।

शोधकर्ता ने अपने कार्य के लिए 'सिलिकॉन-ऑन-इंसुलेटर' नामक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक कांच की परत के ऊपर रखी सिलिकॉन की एक पतली परत से बनी होती है। मानक डिजाइनों में, प्रकाश एक बहुत छोटे क्रॉस-सेक्शन में सीमित होता है, जो प्रकाश को सिलिकॉन के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए तो उत्कृष्ट है लेकिन प्रकाश के रंगों को सिंक्रोनाइज़ रखने के लिए बहुत खराब है। शोधकर्ता ने महसूस किया कि नीचे एक पतली सिलिकॉन स्लैब छोड़कर, वे प्रकाश को थोड़ा फैलने दे सकते हैं। यह छोटा सा बदलाव रंगों को अलग करने की सिलिकॉन की स्वाभाविक प्रवृत्ति को संतुलित करता है। उन्होंने चौड़ाई और मोटाई के हजारों विविधताओं का परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, ताकि उन विशिष्ट आयामों की खोज की जा सके जो प्रकाश को तरंग दैर्ध्य (wavelengths) की एक विस्तृत श्रृंखला में समान गति से यात्रा करने में सक्षम बनाएं।

उनका पहला सफल डिजाइन, जिसका उद्देश्य प्रकाश के नए रंग उत्पन्न करना है, एक ऐसी रिज का उपयोग करता है जो 480 नैनोमीटर चौड़ी है और जिसका आधार 65 नैनोग्राम मोटा है। इस विन्यास (configuration) में, शोधकर्ता ने पाया कि रंगों के बीच गति का अंतर 300 नैनोमीटर के विस्तार में लगभग सपाट हो गया, जो 1400 से 1700 नैनोमीटर तक की सीमा को कवर करता है। यह सपाटपन (flatness) महत्वपूर्ण है क्योंकि यह 'फोर-वेव मिक्सिंग' (four-wave mixing) नामक प्रक्रिया को पहले की तुलना में बहुत व्यापक रेंज में कुशलतापूर्वक काम करने की अनुमति देता है। अपने सिमुलेशन में, इस डिजाइन ने प्रकाश के एक एकल पल्स को 1150 से 2200 नैनोमीटर तक के नए रंगों के विस्तृत स्पेक्ट्रम को उत्पन्न करने की अनुमति दी, जो स्पेक्ट्रम का लगभग एक पूरा ऑक्टेव (octave) है। उन्होंने यह भी सिम्युलेट किया कि यह प्रकाश एक छोटे रिंग-आकार के कैविटी के भीतर कैसा व्यवहार करेगा, जिससे पता चला कि यह निरंतर घूमने वाले एक स्थिर, एकल पल्स को बना सकता है, जो 79 विशिष्ट आवृत्तियों (frequencies) की एक सटीक "कॉम्ब" (comb) बनाता है। यह सुझाव देता है कि इस डिजाइन का उपयोग अत्यधिक सटीक ऑप्टिकल क्लॉक बनाने या चिप पर जटिल गणनाएं करने के लिए किया जा सकता है।

दूसरा डिजाइन एक अलग समस्या को संबोधित करता है: पोलराइजेशन (polarization)। मानक सिलिकॉन चैनलों में, एक ओरिएंटेशन में यात्रा करने वाला प्रकाश दूसरे लंबवत (perpendicular) ओरिएंटेशन में यात्रा करने वाले प्रकाश की तुलना में अलग गति से चलता है। यह अंतर सिग्नल को विकृत कर देता है, जो आधुनिक संचार प्रणालियों के लिए एक बड़ी समस्या है जो अधिक डेटा ले जाने के लिए दोनों ओरिएंटेशन का उपयोग करती हैं। शोधकर्ता ने पाया कि रिज को 570 नैनोमीटर चौड़ा और आधार को 127 नैनोमीटर मोटा बनाकर, वे दोनों ओरिएंटेशन को लगभग एक ही गति से यात्रा करा सकते हैं। उनके सिमुलेशन में, गति का अंतर इतना कम था कि एक पल्स को एक सेंटीमीटर की दूरी पर भटकने में आधा फेमटोसेकंड (femtosecond) से भी कम समय लगेगा। सटीकता का यह स्तर यह सुनिश्चित करता है कि चैनल को समय संबंधी त्रुटियों को ठीक करने के लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता नहीं है।

ऑप्टिकल गुणों के अलावा, शोधकर्ता ने इस बात पर भी गौर किया कि इन चैनलों से यात्रा करते समय कितना प्रकाश नष्ट होता है। जब प्रकाश निर्माण के दौरान बने खुरदरे किनारों से टकराता है, तो वह बिखर जाता है और गायब हो जाता है। चूंकि नए रिज डिजाइन प्रकाश को चैनल के केंद्र में अधिक रहने देते हैं और खुरदरी साइडवॉल्स (sidewalls) से कम टकराते हैं, इसलिए शोधकर्ता ने गणना की कि स्कैटरिंग लॉस (scattering loss) काफी कम हो जाता है। पहले डिजाइन के लिए, मानक पतले तार की तुलना में नुकसान लगभग 58 प्रतिशत कम हो जाता है। दूसरे डिजाइन के लिए, नुकसान इससे भी कम है। शोधकर्ता ने यह भी सिम्युलेट किया कि प्रकाश एक मानक पतले तार से इन नए रिज आकारों में कैसे जाएगा, जिसके लिए एक क्रमिक टेपर (taper) का उपयोग किया गया। उन्होंने पाया कि संक्रमण (transition) सुचारू है, जिसमें लगभग कोई प्रकाश वापस परावर्तित नहीं होता है और बहुत कम नुकसान होता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि इन नए डिजाइनों को मौजूदा चिप लेआउट में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।

अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि ये विशिष्ट आयाम उन छोटी त्रुटियों के प्रति भी मजबूत (robust) हैं जो निर्माण के दौरान अनिवार्य रूप से होती हैं। भले ही रिज की चौड़ाई में 10 नैनोमीटर का अंतर हो या आधार की मोटाई में 5 नैनोमीटर का अंतर हो, प्रकाश इच्छित व्यवहार ही करेगा। यह सहनशीलता (tolerance) एक सैद्धांतिक डिजाइन को एक वास्तविक, बड़े पैमाने पर उत्पादित होने वाले उपकरण में बदलने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। इन ज्यामितीय समायोजनों को समय के साथ प्रकाश पल्स के विकसित होने के विस्तृत कंप्यूटर मॉडल के साथ जोड़कर, शोधकर्ता ने सिलिकॉन फोटोनिक्स के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है। उनका कार्य दिखाता है कि केवल सिलिकॉन को नया आकार देकर, उन लंबे समय से चले आ रहे समझौतों (trade-offs) को दूर करना संभव है जिन्होंने ऑप्टिकल चिप्स के प्रदर्शन को सीमित किया है, जिससे संचार और सेंसिंग के लिए अधिक शक्तिशाली और कुशल उपकरणों के द्वार खुलते हैं।