सिलिकॉन फोटोनिक्स

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सिलिकॉन फोटोनिक्स फोटोनिक प्रणाली का अध्ययन और अनुप्रयोग है जो प्रकाशिकी माध्यम के रूप में सिलिकॉन का उपयोग करता है।[1][2][3][4][5][6] सिलिकॉन को सामान्यतः उप-माइक्रोमीटर परिशुद्धता के साथ माइक्रोफोटोनिक घटकों में प्रतिरूपित किया जाता है।[5] ये अवरक्त में कार्य करते हैं, सामान्यतः अधिकांश फाइबर ऑप्टिक दूरसंचार प्रणालियों द्वारा उपयोग किए जाने वाले 1.55 माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य पर होता है।[7] सिलिकॉन सामान्यतः सिलिका की परत के शीर्ष पर स्थित होता है, जिसे (माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में समान निर्माण के अनुरूप) इन्सुलेटर (एसओआई) पर सिलिकॉन के रूप में जाना जाता है।[5][6]

सिलिकॉन फोटोनिक्स 300 मिमी वेफर

सिलिकॉन फोटोनिक उपकरणों को उपस्थित अर्धचालक निर्माण प्रौद्योगिकी का उपयोग करके निर्माण किया जा सकता है, और क्योंकि सिलिकॉन पूर्व से ही अधिकांश एकीकृत परिपथ के लिए सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किया जाता है, इसलिए हाइब्रिड डिवाइस बनाना संभव है जिसमें प्रकाशिकी और इलेक्ट्रानिक्स घटक माइक्रोचिप पर एकीकृत होते हैं।[7] परिणामस्वरुप, माइक्रोचिप्स के मध्य और अंदर दोनों में तीव्रता से डेटा ट्रांसफर प्रदान करने के लिए प्रकाशिकी इंटरकनेक्ट का उपयोग करके, आईबीएम और इंटेल सहित अनेक इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माताओं के साथ-साथ शैक्षणिक अनुसंधान समूहों के माध्यम से सिलिकॉन फोटोनिक्स पर सक्रिय रूप से शोध किया जा रहा है।[8][9][10]

सिलिकॉन उपकरणों के माध्यम से प्रकाश का प्रसार केर प्रभाव, रमन प्रभाव, दो फोटॉन अवशोषण और फोटॉन मुक्त आवेश वाहकों के मध्य अन्योन्यक्रियाओं सहित अरेखीय प्रकाशिकी परिघटनाओं की श्रृंखला द्वारा नियंत्रित होता है।[11] अरैखिकता की उपस्थिति मौलिक महत्व की है, क्योंकि यह प्रकाश को प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने में सक्षम बनाती है,[12] इस प्रकार प्रकाश के निष्क्रिय संचरण के अतिरिक्त तरंगदैर्घ्य रूपांतरण और ऑल-प्रकाशिकी सिग्नल रूटिंग जैसे अनुप्रयोगों की अनुमति देता है।

सिलिकॉन वेवगाइड्स भी महान शैक्षणिक रुचि के हैं, उनके अद्वितीय मार्गदर्शक गुणों के कारण, उनका उपयोग संचार, इंटरकनेक्ट, बायोसेंसर, के लिए किया जा सकता है।[13][14] और वे सॉलिटॉन प्रचार जैसे विदेशी अरैखिक प्रकाशिकी घटनाओं का समर्थन करने की संभावना प्रदान करते हैं।[15][16][17]

अनुप्रयोग

प्रकाशिकी संचार

विशिष्ट प्रकाशिकी लिंक में, आँकड़ों को प्रथम इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर या सीधे मॉड्यूटेड लेजर का उपयोग करके विद्युतीय से प्रकाशिकी डोमेन में स्थानांतरित किया जाता है। इलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिक तीव्रता और प्रकाशिकी वाहक के चरण को परिवर्तित कर सकता है। सिलिकॉन फोटोनिक्स में, मॉडुलन प्राप्त करने की सामान्य प्रौद्योगिकी मुक्त आवेश वाहकों के घनत्व में परिवर्तन करना है। सोरेफ और बेनेट के अनुभवजन्य समीकरणों के माध्यम से वर्णित इलेक्ट्रॉन और छेद घनत्व के परिवर्तन सिलिकॉन के अपवर्तक सूचकांक के वास्तविक और काल्पनिक भाग को परिवर्तित करते हैं। माड्युलेटर में आगे-पक्षपाती पिन डायोड दोनों सम्मलित हो सकते हैं, जो सामान्यतः बड़े फेज-शिफ्ट उत्पन्न करते हैं किन्तु अल्प गति से पीड़ित होते हैं जर्मेनियम डिटेक्टरों के साथ एकीकृत माइक्रोरिंग मॉड्यूलेटर के साथ एक प्रोटोटाइप प्रकाशिकी इंटरकनेक्ट का प्रदर्शन किया गया है। मच-जेन्डर इंटरफेरोमीटर जैसे गैर-अनुनाद मॉड्यूलेटर, मिलीमीटर श्रेणी में विशिष्ट आयाम होते हैं और सामान्यतः दूरसंचार या डेटाकॉम अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं। उपकरण, जैसे कि रिंग-रेज़ोनेटर, केवल कुछ दसियों माइक्रोमीटर के आयाम हो सकते हैं, इसलिए अधिक छोटे क्षेत्रों पर अधिकार कर लेते हैं। 2013 में, शोधकर्ताओं ने अल्पता न्यूनाधिक का प्रदर्शन किया जिसे मानक सिलिकॉन-ऑन-इन्सुलेटर पूरक धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक (एसओआई सीएमओएस) निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया जा सकता है। इसी प्रकार के उपकरण को एसओआई के अतिरिक्त बल्क सीएमओएस में भी प्रदर्शित किया गया है।[18][19]

रिसीवर पक्ष पर, प्रकाशिकी सिग्नल सामान्यतः अर्धचालक फोटोडिटेक्टर का उपयोग कर विद्युत डोमेन में परिवर्तित हो जाता है। वाहक उत्पादन के लिए उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक में सामान्यतः फोटॉन ऊर्जा की तुलना में बैंड-गैप छोटा होता है, और सबसे सामान्य विकल्प शुद्ध जर्मेनियम है।[20][21] अधिकांश डिटेक्टर वाहक निष्कर्षण के लिए पीएन जंक्शन का उपयोग करते हैं, चूँकि, मेटल-अर्धचालक जंक्शनों (अर्धचालक के रूप में जर्मेनियम के साथ) पर आधारित डिटेक्टरों को सिलिकॉन वेवगाइड्स में भी एकीकृत किया गया है।[22] वर्तमान में, सिलिकॉन-जर्मेनियम हिमस्खलन फोटोडायोड 40 Gbit/s पर संचालित करने में सक्षम बनाया गया है।[23][24] Modulators can consist of both forward-biased PIN diodes, which generally generate large phase-shifts but suffer of lower speeds,[2] as well as of reverse-biased PN junctions.[25] सक्रिय प्रकाशिकी केबलों के रूप में पूर्ण ट्रांससीवर्स का व्यवसायीकरण किया गया है।[26]

प्रकाशिकी संचार को उनके लिंक की पहुंच या लंबाई के आधार पर सरलता से वर्गीकृत किया जाता है। अधिकांश सिलिकॉन फोटोनिक संचार अभी तक दूरसंचार[27] और डेटाकॉम अनुप्रयोगों तक ही सीमित रहे हैं,[28][29] जहां क्रमशः कई किलोमीटर या कई मीटर की पहुंच है।

चूँकि, सिलिकॉन फोटोनिक्स से कंप्यूटरकॉम में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की अपेक्षा है, जहाँ प्रकाशिकी लिंक की सेंटीमीटर से मीटर श्रेणी तक पहुँच होती है। वास्तव में, कंप्यूटर प्रौद्योगिकी में प्रगति (और मूर के नियम की निरंतरता) तीव्रता से एकीकृत परिपथ के मध्य और अंदर तीव्रता से डेटा हस्तांतरण पर निर्भर होती जा रही है।[30] प्रकाशिकी इंटरकनेक्ट आगे बढ़ने का मार्ग प्रदान कर सकते हैं, और मानक सिलिकॉन चिप्स पर एकीकृत होने पर सिलिकॉन फोटोनिक्स विशेष रूप से उपयोगी सिद्ध हो सकते हैं।[7][31][32] 2006 में, इंटेल के वरिष्ठ उपाध्यक्ष- और भावी सीईओ- पैट जेलसिंगर ने कहा कि, आज प्रकाशिकी विशिष्ट प्रौद्योगिकी है। कल, यह हमारे के माध्यम से निर्मित प्रत्येक चिप की मुख्य धारा है।[9]

प्रकाशिकी इनपुट/आउटपुट (I/O) के साथ प्रथम माइक्रोप्रोसेसर दिसंबर 2015 में शून्य-परिवर्तन सीएमओएस फोटोनिक्स के रूप में ज्ञात दृष्टिकोण का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया था।[33] यह प्रथम प्रदर्शन 45 nm एसओआई नोड पर आधारित था, और द्वि-दिशात्मक चिप-टू-चिप लिंक 2×2.5 Gbit/s की दर से संचालित किया गया था। लिंक की कुल ऊर्जा व्यय की गणना 16 pJ/b की गई थी और ऑफ-चिप लेज़र के योगदान का प्रभुत्व था।

कुछ शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि ऑन-चिप लेजर स्रोत की आवश्यकता है।[34] दूसरों को लगता है कि थर्मल समस्याओं (तापमान के साथ क्वांटम दक्षता अल्प हो जाती है, और कंप्यूटर चिप्स सामान्यतः गर्म होते हैं) और सीएमओएस-संगतता के उद्देश्यों के कारण इसे ऑफ-चिप रहना चाहिए। ऐसा ही उपकरण हाइब्रिड सिलिकॉन लेजर है, जिसमें सिलिकॉन को लेज़िंग माध्यम के रूप में भिन्न अर्धचालक (जैसे इंडियम फास्फाइड ) से जोड़ा जाता है।[35] अन्य उपकरणों में ऑल-सिलिकॉन रमन लेजर[36] या ऑल-सिलिकॉन ब्रिलौइन लेज़र सम्मलित हैं,[37] जिसमें सिलिकॉन लेज़िंग माध्यम के रूप में कार्य करता है।

2012 में, आईबीएम ने घोषणा की कि उसने 90 नैनोमीटर स्तर पर प्रकाशिकी घटकों को प्राप्त किया है जिसे मानक प्रौद्योगिकी का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है और पारंपरिक चिप्स में सम्मलित किया जा सकता है।[8][38] सितंबर 2013 में, इंटेल ने डेटा केंद्रों के अंदर सर्वर को जोड़ने के लिए लगभग पांच मिलीमीटर व्यास वाली केबल के साथ प्रति सेकंड 100 गीगाबिट्स की गति से डेटा संचारित करने की तकनीक की घोषणा की। पारंपरिक PCI-E डेटा केबल आठ गीगाबिट प्रति सेकंड तक डेटा ले जाते हैं, जबकि नेटवर्किंग केबल 40 Gbit/s तक पहुँचते हैं। USB मानक का नवीनतम संस्करण दस Gbit/s पर सबसे ऊपर है। प्रौद्योगिकी सीधे उपस्थित केबलों को प्रतिस्थापित नहीं करती है क्योंकि इसमें विद्युत और प्रकाशिकी संकेतों को आपस में जोड़ने के लिए भिन्न परिपथ बोर्ड की आवश्यकता होती है। इसकी उन्नत गति रैक पर ब्लेड को जोड़ने वाले केबलों की संख्या को अल्प करने की क्षमता प्रदान करती है और यहां तक ​​कि प्रोसेसर, स्टोरेज और मेमोरी को भिन्न -भिन्न ब्लेड में भिन्न करने की क्षमता प्रदान करती है जिससे कि अधिक कुशल शीतलन और गतिशील कॉन्फ़िगरेशन की अनुमति मिल सके।[39]

ग्राफीन फोटोडेटेक्टर्स में अनेक महत्वपूर्ण पहलुओं में जर्मेनियम उपकरणों को पार करने की क्षमता है, चूँकि वे तीव्रता से सुधार के अतिरिक्त वर्तमान पीढ़ी की क्षमता के पीछे परिमाण के आदेश के सम्बन्ध में रहते हैं। ग्रैफेन डिवाइस अधिक उच्च आवृत्तियों पर कार्य कर सकते हैं, और सिद्धांत रूप में उच्च बैंडविड्थ तक पहुंच सकते हैं। ग्रैफेन जर्मेनियम की तुलना में तरंग दैर्ध्य की विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित कर सकता है। प्रकाश की किरण में साथ अधिक डेटा धाराओं को प्रसारित करने के लिए उस संपत्ति का शोषण किया जा सकता है। जर्मेनियम डिटेक्टरों के विपरीत, ग्राफीन फोटोडेटेक्टरों को लागू वोल्टेज की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे ऊर्जा की जरूरत अल्प हो सकती है। अंत में, ग्राफीन डिटेक्टर सिद्धांत रूप में सरल और अल्प खर्चीला ऑन-चिप एकीकरण की अनुमति देते हैं। चूँकि, ग्रैफेन प्रकाश को दृढ़ता से अवशोषित नहीं करता है। सिलिकॉन वेवगाइड को ग्राफीन शीट के साथ पेयर करने से प्रकाश उत्तम होता है और इंटरेक्शन अधिकतम होता है। इस प्रकार के प्रथम उपकरण का प्रदर्शन 2011 में किया गया था। पारंपरिक निर्माण प्रौद्योगिकी का उपयोग करके ऐसे उपकरणों का निर्माण प्रदर्शित नहीं किया गया है।[40]

प्रकाशिकी राउटर और सिग्नल प्रोसेसर

प्रकाशिकी संचार के लिए सिग्नल राउटर में सिलिकॉन फोटोनिक्स का अन्य अनुप्रयोग है। अनेक घटकों में विस्तारित होने के अतिरिक्त, चिप पर प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक भागों को बनाकर निर्माण को अधिक सरल बनाया जा सकता है।[41] व्यापक उद्देश्य ऑल-प्रकाशिकी सिग्नल प्रोसेसिंग है, जिससे पारंपरिक रूप से इलेक्ट्रॉनिक रूप में संकेतों में हेरफेर करके किए जाने वाले कार्य सीधे प्रकाशिकी रूप में किए जाते हैं।[4][42] महत्वपूर्ण उदाहरण ऑल-प्रकाशिकी स्विचिंग है, जिससे प्रकाशिकी सिग्नल की रूटिंग को अन्य प्रकाशिकी सिग्नल के माध्यम से सीधे नियंत्रित किया जाता है।[43] अन्य उदाहरण ऑल-प्रकाशिकी तरंग दैर्ध्य रूपांतरण है।[44]

2013 में, कैलिफोर्निया और इजराइल में स्थित कम्पास-ईओएस नामक स्टार्ट-अप कंपनी, वाणिज्यिक सिलिकॉन-टू-फोटोनिक्स राउटर प्रस्तुत करने वाली प्रथम कंपनी थी।[45]

सिलिकॉन फोटोनिक्स का उपयोग कर लंबी दूरी की दूरसंचार

सिलिकॉन माइक्रोफोटोनिक्स संभावित रूप से माइक्रो-स्केल, अल्ट्रा लो पावर डिवाइस प्रदान करके इंटरनेट की बैंडविड्थ क्षमता बढ़ा सकता है। इसके अतिरिक्त, यदि इसे सफलतापूर्वक प्राप्त किया जाता है तो डेटा सेंटर की विद्युत व्यय में अधिक अल्पता आ सकती है। सांडिया राष्ट्रीय प्रयोगशालाएँ के शोधकर्ता,[46] कोटुरा, निप्पॉन टेलीग्राफ और टेलीफोन, द्रोह और विभिन्न शैक्षणिक संस्थान इस कार्यक्षमता को प्रमाणित करने का प्रयास कर रहे हैं। 2010 के पेपर में माइक्रोरिंग सिलिकॉन उपकरणों का उपयोग करते हुए 80 किमी, 12.5 Gbit/s ट्रांसमिशन के प्रोटोटाइप पर रिपोर्ट किया गया।[47]

प्रकाश-क्षेत्र प्रदर्शन

2015 तक, यूएस स्टार्टअप कंपनी मैजिक लीप संवर्धित वास्तविकता प्रदर्शन के उद्देश्य के लिए सिलिकॉन फोटोनिक्स का उपयोग करके प्रकाश क्षेत्र चिप पर कार्य कर रही है।[48]

भौतिक गुण

प्रकाशिकी गाइडिंग और विस्तार टेलरिंग

सिलिकॉन लगभग 1.1 माइक्रोमीटर से ऊपर तरंग दैर्ध्य के साथ अवरक्त प्रकाश के लिए पारदर्शिता (प्रकाशिकी) है।[49] सिलिकॉन का भी अधिक उच्च अपवर्तक लगभग 3.5 होता है।[49] इस उच्च सूचकांक के माध्यम से प्रदान किया गया तंग प्रकाशिकी कारावास सूक्ष्म प्रकाशिकी वेवगाइड्स के लिए अनुमति देता है, जिसमें एकमात्र कुछ सौ नैनोमीटर के क्रॉस-आंशिक आयाम हो सकते हैं।[11] एकल मोड प्रचार प्राप्त किया जा सकता है,[11]इस प्रकार (सिंगल-मोड प्रकाशिकी फाइबर की तरह) मोडल विस्तार की समस्या को दूर करता है।

इस तंग बंधन से उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के लिए स्थिर इंटरफ़ेस की स्थिति विस्तार (ऑप्टिक्स) को अधिक सीमा तक परिवर्तित कर देती है। वेवगाइड ज्यामिति का चयन करके, वांछित गुणों के लिए विस्तार को तैयार करना संभव है, जो अल्ट्राशॉर्ट दालों की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण महत्व है।[11] विशेष रूप से, समूह वेग विस्तार (अर्थात, तरंग दैर्ध्य के साथ समूह वेग किस सीमा तक भिन्न होता है) को बारीकी से नियंत्रित किया जा सकता है। 1.55 माइक्रोमीटर पर बल्क सिलिकॉन में, समूह वेग विस्तार (जीवीडी) उस दालों में सामान्य होता है, जिसमें लंबी तरंग दैर्ध्य वाली तरंगें अल्प तरंग दैर्ध्य वाले लोगों की समानता में उच्च समूह वेग के साथ यात्रा करती हैं। उपयुक्त वेवगाइड ज्यामिति का चयन करके, चूंकि, इसे उल्टा करना और विषम जीवीडी प्राप्त करना संभव है, जिसमें अल्प तरंग दैर्ध्य वाली दालें तीव्रता से यात्रा करती हैं।[50][51][52] विषम विस्तार महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सॉलिटन प्रचार और मॉडुलन संबंधी अस्थिरता के लिए नियम है।[53]

सिलिकॉन फोटोनिक घटकों के लिए वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) के बल्क सिलिकॉन से वैकल्पिक रूप से स्वतंत्र रहने के लिए जिस पर वे गढ़े जाते हैं, इसमें हस्तक्षेप करने वाली सामग्री की परत होना आवश्यक है। यह सामान्यतः सिलिका होता है, जिसका अपवर्तक सूचकांक अधिक अल्प होता है (रुचि के तरंग दैर्ध्य क्षेत्र में लगभग 1.44)।[54]), और इस प्रकार सिलिकॉन-सिलिका इंटरफ़ेस पर प्रकाश (सिलिकॉन-एयर इंटरफ़ेस पर प्रकाश के जैसे) पूर्ण आंतरिक परावर्तन से निकलता है, और सिलिकॉन में बना रहता है। इस निर्माण को इन्सुलेटर पर सिलिकॉन के रूप में जाना जाता है।[5][6] इसका नाम इलेक्ट्रॉनिक्स में इन्सुलेटर पर सिलिकॉन की प्रौद्योगिकी के नाम पर रखा गया है, जिससे परजीवी संधारित्र को अल्प करने और प्रदर्शन में सुधार करने के लिए इन्सुलेटर (विद्युत) की परत पर घटकों का निर्माण किया जाता है।[55]

केर अरेखीयता

सिलिकॉन में फोकसिंग केर अरेखीयता है, जिसमें अपवर्तक सूचकांक प्रकाशिकी तीव्रता के साथ बढ़ता है।[11]बल्क सिलिकॉन में यह प्रभाव विशेष रूप से स्थिर नहीं है, किन्तु अधिक छोटे क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र में प्रकाश को केंद्रित करने के लिए सिलिकॉन वेवगाइड का उपयोग करके इसे अधिक बढ़ाया जा सकता है।[15] यह गैर-रैखिक प्रकाशिकी प्रभावों को अल्प शक्तियों पर देखने की अनुमति देता है। स्लॉट वेवगाइड का उपयोग करके अरैखिकता को और बढ़ाया जा सकता है, जिसमें सिलिकॉन के उच्च अपवर्तक सूचकांक का उपयोग प्रकाश को केंद्रीय क्षेत्र में दृढ़ता से गैर-रैखिक बहुलक से भरने के लिए किया जाता है।[56]

केर अरैखिकता प्रकाशिकी घटनाओं की विस्तृत विविधता को रेखांकित करती है।[53] उदाहरण चार तरंग मिश्रण है, जिसे प्रकाशिकी पैरामीट्रिक प्रवर्धन प्राप्त करने के लिए सिलिकॉन में प्रारम्भ किया गया है,[57] पैरामीट्रिक वेवलेंथ कनवर्ज़न,[44]और आवृत्ति कंघी पीढ़ी है।[58][59]

केर गैर-रेखिकता भी मॉडुलन संबंधी अस्थिरता उत्पन्न कर सकता है, जिसमें यह प्रकाशिकी तरंग से विचलन को स्थिर करता है, जिससे आवृत्ति स्पेक्ट्रम-साइडबैंड की पीढ़ी और दालों की ट्रेन में तरंग के अंतिम विभक्त की ओर अग्रसर होता है।[60] अन्य उदाहरण (जैसा कि नीचे वर्णित है) सॉलिटॉन प्रचार है।

दो फोटॉन अवशोषण

सिलिकॉन दो फोटॉन अवशोषण (टीपीए) प्रदर्शित करता है, जिसमें फोटोन की जोड़ी इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी को उत्तेजित करने के लिए कार्य कर सकती है।[11] यह प्रक्रिया केर प्रभाव से संबंधित है, और अपारदर्शिता के गणितीय विवरण के अनुरूप, जटिल संख्या केर गैर-रैखिकता के काल्पनिक संख्या-भाग के रूप में सोचा जा सकता है।[11] 1.55 माइक्रोमीटर दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर, यह काल्पनिक भाग वास्तविक भाग का लगभग 10% है।[61]

टीपीए का प्रभाव अत्यधिक विघटनकारी है, क्योंकि यह प्रकाश को बर्बाद करता है और अवांछित गर्मी उत्पन्न करता है।[62] इसे अल्प किया जा सकता है, चूंकि, या तो लंबी तरंग दैर्ध्य पर स्विच करके (जिस पर टीपीए से केर अनुपात गिरता है),[63] या स्लॉट वेवगाइड्स का उपयोग करके किया जा सकता है (जिसमें आंतरिक अरैखिक सामग्री का टीपीए से केर अनुपात अल्प होता है)।[56] वैकल्पिक रूप से, टीपीए के माध्यम से विलुप्त ऊर्जा को आंशिक रूप से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है (जैसा कि नीचे वर्णित है) इसे उत्पन्न आवेश वाहकों से निकालकर होता है।[64]

मुक्त आवेश वाहक अन्योन्यक्रिया

सिलिकॉन के अंदर अर्धचालकों में आवेश वाहक फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं और इसके अपवर्तक सूचकांक को परिवर्तित कर सकते हैं।[65] यह उच्च तीव्रता और लंबी अवधि के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि टीपीए के माध्यम से वाहक एकाग्रता का निर्माण किया जा रहा है।मुक्त आवेश वाहक का प्रभाव अधिकांशतः (किन्तु सदैव नहीं) अवांछित होता है, और उन्हें विस्थापित करने के लिए विभिन्न विधि का प्रस्ताव किया गया है। ऐसी ही योजना वाहक पुनर्संयोजन को बढ़ाने के लिए हीलियम के साथ सिलिकॉन को आयनित करना है।[66] वाहक के जीवनकाल को अल्प करने के लिए ज्यामिति के उपयुक्त विकल्प का भी उपयोग किया जा सकता है। रिब वेवगाइड्स (जिसमें वेवगाइड्स सिलिकॉन की व्यापक परत में मोटे क्षेत्रों से युक्त होते हैं) सिलिका-सिलिकॉन इंटरफ़ेस पर वाहक पुनर्संयोजन और वेवगाइड कोर से वाहकों के प्रसार दोनों को बढ़ाते हैं।[67]

वाहक विस्थापित करने के लिए अधिक उन्नत योजना पिन डायोड के आंतरिक अर्धचालक में वेवगाइड को एकीकृत करना है, जो रिवर्स बायस्ड है जिससे वाहक वेवगाइड कोर से दूर आकर्षित हों।[68] अभी भी अधिक परिष्कृत योजना है, डायोड को परिपथ के भाग के रूप में उपयोग करना जिसमें वोल्टेज और विद्युत प्रवाह चरण से बाहर हैं, इस प्रकार वेवगाइड से विद्युत निकालने की अनुमति मिलती है।[64] इस शक्ति का स्रोत दो फोटॉन अवशोषण के लिए विलुप्त प्रकाश है, और इसलिए इसमें से कुछ को पुनर्प्राप्त करके, शुद्ध हानि (और जिस दर पर गर्मी उत्पन्न होती है) को अल्प किया जा सकता है।

जैसा ऊपर बताया गया है, प्रकाश को संशोधित करने के लिए, मुक्त आवेश वाहक प्रभाव का रचनात्मक रूप से भी उपयोग किया जा सकता है।[2][25][69]

दूसरे क्रम की अरैखिकता

इसकी क्रिस्टलीय संरचना के सेंट्रोसिमेट्री के कारण बल्क सिलिकॉन में दूसरे क्रम की अरैखिकता उपस्थित नहीं हो सकती है। चूँकि, तनाव लगाने से, सिलिकॉन की व्युत्क्रम समरूपता को तोड़ा जा सकता है। यह पतली सिलिकॉन फिल्म पर सिलिकॉन नाइट्राइड परत जमा करके उदाहरण के लिए प्राप्त किया जा सकता है।[70]

ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन, सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण, पैरामीट्रिक प्रवर्धन, अल्ट्रा-फास्ट प्रकाशिकी सिग्नल प्रोसेसिंग और मध्य-इन्फ्रारेड पीढ़ी के लिए दूसरे क्रम की गैर-रैखिक घटना का शोषण किया जा सकता है। कुशल गैर-रैखिक रूपांतरण के लिए चूँकि सम्मलित प्रकाशिकी तरंगों के मध्य चरण मिलान की आवश्यकता होती है। तनावग्रस्त सिलिकॉन पर आधारित द्वितीय-क्रम की अरैखिक वेवगाइड, मोडल विस्तार-अभियांत्रिकी[71] द्वारा चरण मिलान प्राप्त कर सकते हैं।

अभी तक चूँकि, प्रायोगिक प्रदर्शन एकमात्र उन डिजाइनों पर आधारित होते हैं जो चरण मिलान नहीं होते हैं।[72]

यह दिखाया गया है कि चरण मिलान सिलिकॉन डबल स्लॉट वेवगाइड्स में भी प्राप्त किया जा सकता है, जो अत्यधिक गैर-रैखिक कार्बनिक क्लैडिंग[73] और समय-समय पर तनावग्रस्त सिलिकॉन वेवगाइड्स के साथ लेपित होते हैं।[74]

रमन प्रभाव

सिलिकॉन रमन प्रभाव को प्रदर्शित करता है, जिसमें फोटॉन को थोड़ी भिन्न ऊर्जा के साथ फोटॉन के लिए आदान-प्रदान किया जाता है, जो सामग्री की उत्तेजना या विश्राम के अनुरूप होता है। सिलिकॉन के रमन ट्रांज़िशन में एकल, अधिक संकीर्ण आवृत्ति शिखर का प्रभुत्व है, जो रमन प्रवर्धन जैसी ब्रॉडबैंड घटनाओं के लिए समस्याग्रस्त है, किन्तु रमन लेसरों जैसे नैरोबैंड उपकरणों के लिए लाभदायक है।[11]रमन प्रवर्धन और रमन लेसरों के प्रारंभिक अध्ययन यूसीएलए में प्रारंभ हुए, जिसके कारण फ़ाइबर रेज़ोनेटर (ऑप्टिक्स एक्सप्रेस 2004) के साथ सिलिकॉन रमन एम्पलीफायरों और सिलिकॉन स्पंदित रमन लेज़र के शुद्ध लाभ का प्रदर्शन हुआ। परिणाम स्वरुप , 2005 में ऑल-सिलिकॉन रमन लेसरों का निर्माण किया गया।[36]

ब्रिलौइन प्रभाव

रमन प्रभाव में, फोटॉन लगभग 15 THz की आवृत्ति के साथ फ़ोनॉन ध्वनिक और प्रकाशिकी फ़ोनॉन के माध्यम से लाल- या नीले रंग में स्थानांतरित होते हैं। चूंकि, सिलिकॉन वेवगाइड्स भी फोनोन अकॉस्टिक और प्रकाशिकी फोनॉन उत्तेजनाओं का समर्थन करते हैं। प्रकाश के साथ इन ध्वनिक फ़ोनों की परस्पर क्रिया को ब्रिलौइन स्कैटरिंग कहा जाता है। इन ध्वनिक फ़ोनों की आवृत्तियाँ और मोड आकार सिलिकॉन वेवगाइड्स की ज्यामिति और आकार पर निर्भर होते हैं, जिससे कुछ मेगाहर्ट्ज से लेकर दसियों गीगाहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों पर दृढ़ ब्रिलौइन स्कैटरिंग का उत्पादन संभव हो जाता है।[75][76] संकीर्ण बैंड प्रकाशिकी एम्पलीफायरों को बनाने के लिए उत्तेजित ब्रिलौइन स्कैटरिंग का उपयोग किया गया है[77][78][79] साथ ही ऑल-सिलिकॉन ब्रिलौइन लेज़र बनाने के लिए किया गया है। <रेफरी नाम = ओटरस्ट्रॉम 1113–1116 /> कैविटी ऑप्टोमैकेनिक्स के क्षेत्र में फोटॉन और ध्वनिक फोनन के मध्य की परस्परक्रिया का भी अध्ययन किया जाता है, चूंकि इंटरेक्शन का निरीक्षण करने के लिए 3डी प्रकाशिकी कैविटी आवश्यक नहीं हैं।[80] उदाहरण के लिए, सिलिकॉन वेवगाइड्स के अतिरिक्त और क्लैकोजेनाइड वेवगाइड्स में[81] ऑप्टोमैकेनिकल कपलिंग का भी प्रदर्शन किया गया है ।[82]

सोलिटन्स

सिलिकॉन वेवगाइड्स के माध्यम से प्रकाश के विकास को क्यूबिक नॉनलाइनियर श्रोडिंगर समीकरण के साथ अनुमानित किया जा सकता है,[11]जो अतिशयोक्तिपूर्ण छेदक-जैसे सॉलिटॉन समाधानों को स्वीकार करने के लिए उल्लेखनीय है।[83] ये प्रकाशिकी सॉलिटॉन (जिन्हें प्रकाशित तंतु में भी जाना जाता है) स्व चरण मॉडुलन (जिसके कारण पल्स के अग्रणी किनारे को रेडशिफ्ट किया जाता है भौतिक ऑप्टिक्स या रेडिएटिव ट्रांसफर और ट्रेलिंग एज के कारण प्रभाव ब्लूशिफ्टेड) ​​और विषम समूह वेग विस्तार के मध्य संतुलन का परिणाम होता है।[53] कोलंबिया के विश्वविद्यालयों,[15]रोचेस्टर,[16]और बाथ[17] के समूहों के माध्यम से सिलिकॉन वेवगाइड्स में ऐसे सॉलिटॉन देखे गए हैं ।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Soref, Richard A.; Lorenzo, Joseph P. (1986). "All-silicon active and passive guided-wave components for lambda= 1.3 and 1.6 microns". IEEE Journal of Quantum Electronics. 22 (6): 873–879. Bibcode:1986IJQE...22..873S. doi:10.1109/JQE.1986.1073057. Archived from the original on 2 December 2020. Retrieved 2 July 2019.
  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 Barrios, C.A.; Almeida, V.R.; Panepucci, R.; Lipson, M. (2003). "Electrooptic Modulation of Silicon-on-Insulator Submicrometer-Size Waveguide Devices". Journal of Lightwave Technology. 21 (10): 2332–2339. Bibcode:2003JLwT...21.2332B. doi:10.1109/JLT.2003.818167.
  3. ↑ Jalali, Bahram; Fathpour, Sasan (2006). "सिलिकॉन फोटोनिक्स". Journal of Lightwave Technology. 24 (12): 4600–4615. Bibcode:2006JLwT...24.4600J. doi:10.1109/JLT.2006.885782.
  4. ↑ 4.0 4.1 Almeida, V. R.; Barrios, C. A.; Panepucci, R. R.; Lipson, M (2004). "एक सिलिकॉन चिप पर प्रकाश का ऑल-ऑप्टिकल नियंत्रण". Nature. 431 (7012): 1081–1084. Bibcode:2004Natur.431.1081A. doi:10.1038/nature02921. PMID 15510144. S2CID 4404067.
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