सिलिकॉन फोटोनिक्स

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सिलिकॉन फोटोनिक्स फोटोनिक्स सिस्टम का अध्ययन और अनुप्रयोग है जो ऑप्टिकल माध्यम के रूप में सिलिकॉन का उपयोग करता है।[1][2][3][4][5] सिलिकॉन को आमतौर पर microphotonics घटकों में nanoscale के | उप-माइक्रोमीटर परिशुद्धता के साथ प्रतिरूपित किया जाता है।[4] ये अवरक्त में काम करते हैं, आमतौर पर अधिकांश फाइबर ऑप्टिक दूरसंचार प्रणालियों द्वारा उपयोग किए जाने वाले 1.55 माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य पर।[6] सिलिकॉन आमतौर पर सिलिका की एक परत के शीर्ष पर स्थित होता है (microelectronics में इन्सुलेटर पर सिलिकॉन के अनुरूप) को इन्सुलेटर (SOI) पर सिलिकॉन के रूप में जाना जाता है।[4][5]

सिलिकॉन फोटोनिक्स 300 मिमी वेफर

सिलिकॉन फोटोनिक उपकरणों को मौजूदा अर्धचालक निर्माण तकनीकों का उपयोग करके बनाया जा सकता है, और क्योंकि सिलिकॉन पहले से ही अधिकांश एकीकृत परिपथों के लिए सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किया जाता है, इसलिए हाइब्रिड डिवाइस बनाना संभव है जिसमें प्रकाशिकी और इलेक्ट्रानिक्स घटक एक माइक्रोचिप पर एकीकृत होते हैं।[6] नतीजतन, आईबीएम और इंटेल सहित कई इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माताओं के साथ-साथ शैक्षणिक अनुसंधान समूहों द्वारा सिलिकॉन फोटोनिक्स पर सक्रिय रूप से शोध किया जा रहा है, मूर के कानून के साथ ट्रैक रखने के साधन के रूप में, ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट का उपयोग करके एकीकृत के बीच और भीतर तेजी से डेटा हस्तांतरण प्रदान करने के लिए सर्किट।[7][8][9]

सिलिकॉन उपकरणों के माध्यम से प्रकाश का प्रसार केर प्रभाव, रमन प्रभाव, दो फोटॉन अवशोषण | दो-फोटॉन अवशोषण और फोटॉन और फ्री चार्ज वाहक के बीच बातचीत सहित गैर-रैखिक प्रकाशिकी घटनाओं की एक श्रृंखला द्वारा नियंत्रित होता है।[10] अरैखिकता की उपस्थिति मौलिक महत्व की है, क्योंकि यह प्रकाश को प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने में सक्षम बनाती है,[11] इस प्रकार प्रकाश के निष्क्रिय संचरण के अलावा तरंगदैर्घ्य रूपांतरण और ऑल-ऑप्टिकल 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। रेफरी>Talebi Fard, Sahba; Grist, Samantha M.; Donzella, Valentina; Schmidt, Shon A.; Flueckiger, Jonas; Wang, Xu; Shi, Wei; Millspaugh, Andrew; Webb, Mitchell; Ratner, Daniel M.; Cheung, Karen C.; Chrostowski, Lukas (2013). "Label-free silicon photonic biosensors for use in clinical diagnostics". In Kubby, Joel; Reed, Graham T (eds.). सिलिकॉन फोटोनिक्स VIII. Vol. 8629. p. 862909. doi:10.1117/12.2005832. S2CID 123382866.</ref>[12] और वे सॉलिटॉन (ऑप्टिक्स) जैसी विदेशी अरैखिक ऑप्टिकल घटनाओं का समर्थन करने की संभावना प्रदान करते हैं।[13][14][15]

अनुप्रयोग

ऑप्टिकल संचार

एक विशिष्ट ऑप्टिकल लिंक में, डेटा को पहले इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर या सीधे मॉड्यूटेड लेजर का उपयोग करके इलेक्ट्रिकल से ऑप्टिकल डोमेन में स्थानांतरित किया जाता है। एक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिक तीव्रता और/या ऑप्टिकल वाहक के चरण को बदल सकता है। सिलिकॉन फोटोनिक्स में, मॉडुलन प्राप्त करने की एक सामान्य तकनीक मुक्त आवेश वाहकों के घनत्व में परिवर्तन करना है। सोरेफ और बेनेट के अनुभवजन्य समीकरणों द्वारा वर्णित इलेक्ट्रॉन और छेद घनत्व के बदलाव सिलिकॉन के अपवर्तक सूचकांक के वास्तविक और काल्पनिक भाग को बदलते हैं।[16] माड्युलेटर में आगे-पक्षपाती पिन डायोड दोनों शामिल हो सकते हैं, जो आम तौर पर बड़े फेज-शिफ्ट उत्पन्न करते हैं लेकिन कम गति से पीड़ित होते हैं,[17] और साथ ही रिवर्स-बायस्ड PN जंक्शन।Cite error: Closing </ref> missing for <ref> tag मच-जेन्डर इंटरफेरोमीटर|मैक-जेन्डर इंटरफेरोमीटर जैसे गैर-अनुनाद मॉड्यूलेटर, मिलीमीटर रेंज में विशिष्ट आयाम होते हैं और आमतौर पर दूरसंचार या डेटाकॉम अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं। गुंजयमान उपकरण, जैसे कि रिंग-रेज़ोनेटर, केवल कुछ दसियों माइक्रोमीटर के आयाम हो सकते हैं, इसलिए बहुत छोटे क्षेत्रों पर कब्जा कर लेते हैं। 2013 में, शोधकर्ताओं ने एक गुंजयमान कमी न्यूनाधिक का प्रदर्शन किया जिसे मानक सिलिकॉन-ऑन-इन्सुलेटर पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (SOI CMOS) निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया जा सकता है। रेफरी>{{Cite journal | last1 = Shainline | first1 = J. M. | last2 = Orcutt | first2 = J. S. | last3 = Wade | first3 = M. T. | last4 = Nammari | first4 = K. | last5 = Moss | first5 = B. | last6 = Georgas | first6 = M. | last7 = Sun | first7 = C. | last8 = Ram | first8 = R. J. | last9 = Stojanović | first9 = V. | last10 = Popović | first10 = M. A. | s2cid = 16603677 | doi = 10.1364/OL.38.002657 | title = डिप्लेशन-मोड कैरियर-प्लाज्मा ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर जीरो-चेंज एडवांस्ड सीएमओएस में| journal = Optics Letters | volume = 38 | issue = 15 | pages = 2657–2659 | year = 2013 | pmid = 23903103|bibcode = 2013OptL...38.2657S }</ref> इसी तरह के उपकरण को SOI के बजाय बल्क CMOS में भी प्रदर्शित किया गया है। रेफरी>"प्रमुख सिलिकॉन फोटोनिक्स सफलता माइक्रोप्रोसेसरों में निरंतर घातीय वृद्धि की अनुमति दे सकती है". KurzweilAI. 8 October 2013. Archived from the original on 8 October 2013. Retrieved 8 October 2013.</ref>[18] रिसीवर पक्ष पर, ऑप्टिकल सिग्नल आम तौर पर अर्धचालक फोटोडिटेक्टर का उपयोग कर विद्युत डोमेन में परिवर्तित हो जाता है। वाहक उत्पादन के लिए उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक में आमतौर पर फोटॉन ऊर्जा की तुलना में एक बैंड-गैप छोटा होता है, और सबसे आम विकल्प शुद्ध जर्मेनियम है।[19][20] अधिकांश डिटेक्टर वाहक निष्कर्षण के लिए पीएन जंक्शन का उपयोग करते हैं, हालांकि, मेटल-सेमीकंडक्टर जंक्शनों (सेमीकंडक्टर के रूप में जर्मेनियम के साथ) पर आधारित डिटेक्टरों को सिलिकॉन वेवगाइड्स में भी एकीकृत किया गया है।[21] अभी हाल ही में, सिलिकॉन-जर्मेनियम हिमस्खलन फोटोडायोड 40 Gbit/s पर संचालित करने में सक्षम बनाया गया है।[22][23] सक्रिय ऑप्टिकल केबलों के रूप में पूर्ण ट्रांससीवर्स का व्यवसायीकरण किया गया है। रेफरी>Narasimha, A. (2008). "एक 0.13 µm CMOS सिलिकॉन-ऑन-इंसुलेटर तकनीक में एक 40-Gb/s QSFP ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक ट्रांसीवर". Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference (OFC): OMK7. ISBN 978-1-55752-859-9. Archived from the original on 16 April 2023. Retrieved 14 September 2012.</ref>

ऑप्टिकल संचार को उनके लिंक की पहुंच या लंबाई के आधार पर आसानी से वर्गीकृत किया जाता है। अधिकांश सिलिकॉन फोटोनिक संचार अब तक दूरसंचार तक ही सीमित रहे हैं रेफरी>Doerr, Christopher R.; et al. (2015). "Silicon photonic integration in telecommunications". In Yamada, Koji (ed.). Photonic Integration and Photonics-Electronics Convergence on Silicon. p. 7. Bibcode:2015FrP.....3...37D. doi:10.3389/fphy.2015.00037. {{cite book}}: |journal= ignored (help)</ref> और डेटाकॉम अनुप्रयोग, रेफरी>Orcutt, Jason; et al. (2016). 25Gb/s पर मोनोलिथिक सिलिकॉन फोटोनिक्स. Optical Fiber Communication Conference. OSA. pp. Th4H.1. doi:10.1364/OFC.2016.Th4H.1.</ref>[24] जहां पहुंच क्रमशः कई किलोमीटर या कई मीटर की हो।

हालाँकि, सिलिकॉन फोटोनिक्स से कंप्यूटरकॉम में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उम्मीद है, जहाँ ऑप्टिकल लिंक की सेंटीमीटर से मीटर रेंज तक पहुँच होती है। वास्तव में, कंप्यूटर प्रौद्योगिकी में प्रगति (और मूर के नियम की निरंतरता) तेजी से एकीकृत सर्किट के बीच और भीतर तेजी से डेटा हस्तांतरण पर निर्भर होती जा रही है।[25] ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट आगे बढ़ने का रास्ता प्रदान कर सकते हैं, और एक बार मानक सिलिकॉन चिप्स पर एकीकृत होने पर सिलिकॉन फोटोनिक्स विशेष रूप से उपयोगी साबित हो सकते हैं।[6][26][27] 2006 में, Intel के वरिष्ठ उपाध्यक्ष - और भावी CEO - पैट जेलसिंगर ने कहा कि, आज ऑप्टिक्स एक विशिष्ट तकनीक है। कल, यह हमारे द्वारा निर्मित प्रत्येक चिप की मुख्य धारा है।[8]

ऑप्टिकल इनपुट/आउटपुट (I/O) के साथ पहला माइक्रोप्रोसेसर दिसंबर 2015 में शून्य-परिवर्तन CMOS फोटोनिक्स के रूप में ज्ञात दृष्टिकोण का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया था।[28] यह पहला प्रदर्शन 45 nm SOI 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 खपत 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।[29] दूसरों को लगता है कि थर्मल समस्याओं (तापमान के साथ क्वांटम दक्षता कम हो जाती है, और कंप्यूटर चिप्स आमतौर पर गर्म होते हैं) और सीएमओएस-संगतता के मुद्दों के कारण इसे ऑफ-चिप रहना चाहिए। ऐसा ही एक उपकरण हाइब्रिड सिलिकॉन लेजर है, जिसमें सिलिकॉन को लेज़िंग माध्यम के रूप में एक अलग अर्धचालक (जैसे इंडियम फास्फाइड ) से जोड़ा जाता है।[30] अन्य उपकरणों में ऑल-सिलिकॉन रमन लेजर शामिल हैं[31] या एक ऑल-सिलिकॉन ब्रिलौइन लेज़र <रेफरी नाम = ओटरस्ट्रॉम 1113–1116 >Otterstrom, Nils T.; Behunin, Ryan O.; Kittlaus, Eric A.; Wang, Zheng; Rakich, Peter T. (8 June 2018). "एक सिलिकॉन ब्रिलॉइन लेजर". Science. 360 (6393): 1113–1116. arXiv:1705.05813. Bibcode:2018Sci...360.1113O. doi:10.1126/science.aar6113. ISSN 0036-8075. PMID 29880687. S2CID 46979719.</ref> जिसमें सिलिकॉन लेज़िंग माध्यम के रूप में कार्य करता है।

2012 में, आईबीएम ने घोषणा की कि उसने 90 नैनोमीटर पैमाने पर ऑप्टिकल घटकों को हासिल किया है जिसे मानक तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है और पारंपरिक चिप्स में शामिल किया जा सकता है।[7][32] 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 मौजूदा केबलों को प्रतिस्थापित नहीं करती है क्योंकि इसमें विद्युत और ऑप्टिकल संकेतों को आपस में जोड़ने के लिए एक अलग सर्किट बोर्ड की आवश्यकता होती है। इसकी उन्नत गति एक रैक पर ब्लेड को जोड़ने वाले केबलों की संख्या को कम करने की क्षमता प्रदान करती है और यहां तक ​​कि प्रोसेसर, स्टोरेज और मेमोरी को अलग-अलग ब्लेड में अलग करने की क्षमता प्रदान करती है ताकि अधिक कुशल शीतलन और गतिशील कॉन्फ़िगरेशन की अनुमति मिल सके।[33] ग्राफीन फोटोडेटेक्टर्स में कई महत्वपूर्ण पहलुओं में जर्मेनियम उपकरणों को पार करने की क्षमता है, हालांकि वे तेजी से सुधार के बावजूद वर्तमान पीढ़ी की क्षमता के पीछे परिमाण के एक आदेश के बारे में रहते हैं। ग्रैफेन डिवाइस बहुत उच्च आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं, और सिद्धांत रूप में उच्च बैंडविड्थ तक पहुंच सकते हैं। ग्रैफेन जर्मेनियम की तुलना में तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित कर सकता है। प्रकाश की एक ही किरण में एक 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 कम हो सकती है। अंत में, ग्राफीन डिटेक्टर सिद्धांत रूप में एक सरल और कम खर्चीला ऑन-चिप एकीकरण की अनुमति देते हैं। हालांकि, ग्रैफेन प्रकाश को दृढ़ता से अवशोषित नहीं करता है। सिलिकॉन वेवगाइड को ग्राफीन शीट के साथ पेयर करने से प्रकाश बेहतर होता है और इंटरेक्शन अधिकतम होता है। इस तरह के पहले उपकरण का प्रदर्शन 2011 में किया गया था। पारंपरिक निर्माण तकनीकों का उपयोग करके ऐसे उपकरणों का निर्माण प्रदर्शित नहीं किया गया है।[34]


ऑप्टिकल राउटर और सिग्नल प्रोसेसर

फाइबर ऑप्टिक दूरसंचार के लिए सिग्नल राउटर में सिलिकॉन फोटोनिक्स का एक अन्य अनुप्रयोग है। कई घटकों में फैले होने के बजाय, एक ही चिप पर ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक भागों को बनाकर निर्माण को बहुत सरल बनाया जा सकता है।[35] एक व्यापक उद्देश्य ऑल-ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग है, जिससे पारंपरिक रूप से इलेक्ट्रॉनिक रूप में संकेतों में हेरफेर करके किए जाने वाले कार्य सीधे ऑप्टिकल रूप में किए जाते हैं।[3][36] एक महत्वपूर्ण उदाहरण ऑल-ऑप्टिकल स्विचिंग है, जिससे ऑप्टिकल सिग्नल की रूटिंग को अन्य ऑप्टिकल सिग्नल द्वारा सीधे नियंत्रित किया जाता है।[37] एक अन्य उदाहरण ऑल-ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य रूपांतरण है।[38]

2013 में, कैलिफोर्निया और इजराइल में स्थित कम्पास-ईओएस नामक एक स्टार्ट - अप कंपनी , एक वाणिज्यिक सिलिकॉन-टू-फोटोनिक्स राउटर पेश करने वाली पहली कंपनी थी। रेफरी>"छह साल की योजना के बाद, कम्पास-ईओएस सिस्को को धधकते-तेज़ राउटर बनाने के लिए ले जाता है". venturebeat.com. 12 March 2013. Archived from the original on 5 May 2013. Retrieved 25 April 2013.</ref>

=== 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 अलावा, अगर इसे सफलतापूर्वक प्राप्त किया जाता है तो डेटा सेंटर की बिजली खपत में काफी कमी आ सकती है। सांडिया राष्ट्रीय प्रयोगशालाएँ के शोधकर्ता,[39] कोटुरा, निप्पॉन टेलीग्राफ और टेलीफोन, द्रोह और विभिन्न शैक्षणिक संस्थान इस कार्यक्षमता को साबित करने का प्रयास कर रहे हैं। 2010 के एक पेपर में माइक्रोरिंग सिलिकॉन उपकरणों का उपयोग करते हुए 80 किमी, 12.5 Gbit/s ट्रांसमिशन के एक प्रोटोटाइप पर रिपोर्ट किया गया।[40]

लाइट-फील्ड डिस्प्ले

2015 तक, यूएस स्टार्टअप कंपनी मैजिक लीप एक संवर्धित वास्तविकता प्रदर्शन के उद्देश्य के लिए सिलिकॉन फोटोनिक्स का उपयोग करके प्रकाश क्षेत्र | लाइट-फील्ड चिप पर काम कर रही है।[41]


भौतिक गुण

ऑप्टिकल गाइडिंग और फैलाव टेलरिंग

सिलिकॉन लगभग 1.1 माइक्रोमीटर से ऊपर तरंग दैर्ध्य के साथ अवरक्त प्रकाश के लिए पारदर्शिता (प्रकाशिकी) है।[42] सिलिकॉन का अपवर्तनांक भी बहुत अधिक होता है, लगभग 3.5।[42] इस उच्च सूचकांक द्वारा प्रदान किया गया तंग ऑप्टिकल कारावास सूक्ष्म ऑप्टिकल वेवगाइड्स के लिए अनुमति देता है, जिसमें केवल कुछ सौ नैनोमीटर के क्रॉस-आंशिक आयाम हो सकते हैं।[10]एकल मोड प्रचार प्राप्त किया जा सकता है,[10]इस प्रकार (सिंगल-मोड ऑप्टिकल फाइबर की तरह) मोडल फैलाव की समस्या को दूर करता है।

इस तंग बंधन से उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के लिए मजबूत इंटरफ़ेस की स्थिति फैलाव (ऑप्टिक्स) को काफी हद तक बदल देती है। वेवगाइड ज्यामिति का चयन करके, वांछित गुणों के लिए फैलाव को तैयार करना संभव है, जो अल्ट्राशॉर्ट दालों की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण महत्व है।[10] विशेष रूप से, समूह वेग फैलाव (अर्थात, तरंग दैर्ध्य के साथ समूह वेग किस हद तक भिन्न होता है) को बारीकी से नियंत्रित किया जा सकता है। 1.55 माइक्रोमीटर पर बल्क सिलिकॉन में, समूह वेग फैलाव (जीवीडी) उस दालों में सामान्य होता है, जिसमें लंबी तरंग दैर्ध्य वाली तरंगें कम तरंग दैर्ध्य वाले लोगों की तुलना में उच्च समूह वेग के साथ यात्रा करती हैं। एक उपयुक्त वेवगाइड ज्यामिति का चयन करके, हालांकि, इसे उल्टा करना और विषम जीवीडी प्राप्त करना संभव है, जिसमें कम तरंग दैर्ध्य वाली दालें तेजी से यात्रा करती हैं।[43][44][45] विषम फैलाव महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सॉलिटन प्रचार और मॉडुलन संबंधी अस्थिरता के लिए एक शर्त है।[46]

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 एक परत होना आवश्यक है। यह आमतौर पर सिलिका होता है, जिसका अपवर्तक सूचकांक बहुत कम होता है (रुचि के तरंग दैर्ध्य क्षेत्र में लगभग 1.44)।[47]), और इस प्रकार सिलिकॉन-सिलिका इंटरफ़ेस पर प्रकाश (सिलिकॉन-एयर इंटरफ़ेस पर प्रकाश की तरह) पूर्ण आंतरिक परावर्तन से गुजरता है, और सिलिकॉन में बना रहता है। इस निर्माण को इन्सुलेटर पर सिलिकॉन के रूप में जाना जाता है।[4][5] इसका नाम इलेक्ट्रॉनिक्स में इन्सुलेटर पर सिलिकॉन की तकनीक के नाम पर रखा गया है, जिससे परजीवी समाई को कम करने और प्रदर्शन में सुधार करने के लिए इन्सुलेटर (विद्युत) की एक परत पर घटकों का निर्माण किया जाता है।[48]

केर गैर-रैखिकता

सिलिकॉन में फोकसिंग केर अरेखीयता है, जिसमें अपवर्तक सूचकांक ऑप्टिकल तीव्रता के साथ बढ़ता है।[10]बल्क सिलिकॉन में यह प्रभाव विशेष रूप से मजबूत नहीं है, लेकिन एक बहुत छोटे क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र में प्रकाश को केंद्रित करने के लिए सिलिकॉन वेवगाइड का उपयोग करके इसे बहुत बढ़ाया जा सकता है।[13] यह गैर-रैखिक प्रकाशिकी प्रभावों को कम शक्तियों पर देखने की अनुमति देता है। एक स्लॉट वेवगाइड का उपयोग करके गैर-रैखिकता को और बढ़ाया जा सकता है, जिसमें सिलिकॉन के उच्च अपवर्तक सूचकांक का उपयोग प्रकाश को एक केंद्रीय क्षेत्र में दृढ़ता से गैर-रैखिक बहुलक से भरने के लिए किया जाता है।[49]

केर गैर-रैखिकता ऑप्टिकल घटनाओं की एक विस्तृत विविधता को रेखांकित करती है।[46] एक उदाहरण चार तरंग मिश्रण है, जिसे ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धन प्राप्त करने के लिए सिलिकॉन में लागू किया गया है,[50] पैरामीट्रिक वेवलेंथ कनवर्ज़न,[38]और आवृत्ति कंघी पीढ़ी।,[51][52] Kerr nonlinearity भी मॉडुलन संबंधी अस्थिरता पैदा कर सकता है, जिसमें यह एक ऑप्टिकल तरंग से विचलन को मजबूत करता है, जिससे आवृत्ति स्पेक्ट्रम-साइडबैंड की पीढ़ी और दालों की एक ट्रेन में तरंग के अंतिम टूटने की ओर अग्रसर होता है।[53] एक अन्य उदाहरण (जैसा कि नीचे वर्णित है) सॉलिटॉन प्रचार है।

दो फोटॉन अवशोषण

सिलिकॉन दो फोटॉन अवशोषण (टीपीए) प्रदर्शित करता है, जिसमें फोटोन की एक जोड़ी एक इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी को उत्तेजित करने के लिए कार्य कर सकती है।[10] यह प्रक्रिया केर प्रभाव से संबंधित है, और अपारदर्शिता के गणितीय विवरण के अनुरूप, एक जटिल संख्या केर गैर-रैखिकता के काल्पनिक संख्या-भाग के रूप में सोचा जा सकता है।[10] 1.55 माइक्रोमीटर दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर, यह काल्पनिक भाग वास्तविक भाग का लगभग 10% है।[54]

टीपीए का प्रभाव अत्यधिक विघटनकारी है, क्योंकि यह प्रकाश को बर्बाद करता है और अवांछित गर्मी उत्पन्न करता है।[55] इसे कम किया जा सकता है, हालांकि, या तो लंबी तरंग दैर्ध्य पर स्विच करके (जिस पर टीपीए से केर अनुपात गिरता है),[56] या स्लॉट वेवगाइड्स का उपयोग करके (जिसमें आंतरिक अरैखिक सामग्री का टीपीए से केर अनुपात कम होता है)।[49] वैकल्पिक रूप से, टीपीए के माध्यम से खोई हुई ऊर्जा को आंशिक रूप से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है (जैसा कि नीचे वर्णित है) इसे उत्पन्न आवेश वाहकों से निकालकर।[57]

फ्री चार्ज कैरियर इंटरैक्शन

सिलिकॉन के भीतर अर्धचालकों में चार्ज वाहक फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं और इसके अपवर्तक सूचकांक को बदल सकते हैं।[58] यह उच्च तीव्रता और लंबी अवधि के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि टीपीए द्वारा वाहक एकाग्रता का निर्माण किया जा रहा है। फ्री चार्ज कैरियर्स का प्रभाव अक्सर (लेकिन हमेशा नहीं) अवांछित होता है, और उन्हें हटाने के लिए विभिन्न तरीकों का प्रस्ताव किया गया है। ऐसी ही एक योजना वाहक पुनर्संयोजन को बढ़ाने के लिए हीलियम के साथ सिलिकॉन को आयनित करना है।[59] वाहक के जीवनकाल को कम करने के लिए ज्यामिति के उपयुक्त विकल्प का भी उपयोग किया जा सकता है। रिब वेवगाइड्स (जिसमें वेवगाइड्स सिलिकॉन की एक 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।[60]

वाहक हटाने के लिए एक अधिक उन्नत योजना एक पिन डायोड के आंतरिक अर्धचालक में वेवगाइड को एकीकृत करना है, जो रिवर्स बायस्ड है ताकि वाहक वेवगाइड कोर से दूर आकर्षित हों।[61] अभी भी एक अधिक परिष्कृत योजना है, डायोड को एक सर्किट के हिस्से के रूप में उपयोग करना जिसमें वोल्टेज और विद्युत प्रवाह चरण से बाहर हैं, इस प्रकार वेवगाइड से बिजली निकालने की अनुमति मिलती है।[57] इस शक्ति का स्रोत दो फोटॉन अवशोषण के लिए खोया हुआ प्रकाश है, और इसलिए इसमें से कुछ को पुनर्प्राप्त करके, शुद्ध हानि (और जिस दर पर गर्मी उत्पन्न होती है) को कम किया जा सकता है।

जैसा ऊपर बताया गया है, प्रकाश को संशोधित करने के लिए, फ्री चार्ज वाहक प्रभाव का रचनात्मक रूप से भी उपयोग किया जा सकता है।[17][62][63]

दूसरे क्रम की गैर-रैखिकता

इसकी क्रिस्टलीय संरचना के सेंट्रोसममिति के कारण बल्क सिलिकॉन में दूसरे क्रम की गैर-रैखिकता मौजूद नहीं हो सकती है। हालाँकि, तनाव लगाने से, सिलिकॉन की व्युत्क्रम समरूपता को तोड़ा जा सकता है। यह एक पतली सिलिकॉन फिल्म पर एक सिलिकॉन नाइट्राइड परत जमा करके उदाहरण के लिए प्राप्त किया जा सकता है।[64] पॉकेल्स प्रभाव, सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण, ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर, ऑप्टिकल कंप्यूटिंग | अल्ट्रा-फास्ट ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग और इन्फ्रारेड | मध्य-इन्फ्रारेड पीढ़ी के लिए दूसरे क्रम की गैर-रैखिक घटना का शोषण किया जा सकता है। कुशल गैर-रैखिक रूपांतरण के लिए हालांकि शामिल ऑप्टिकल तरंगों के बीच चरण मिलान # चरण मिलान की आवश्यकता होती है। तनी हुई सिलिकॉन पर आधारित द्वितीय-क्रम की अरैखिक वेवगाइड, मोडल फैलाव द्वारा चरण मिलान#चरण मिलान प्राप्त कर सकती हैं। फैलाव-इंजीनियरिंग।[65] हालांकि, अभी तक प्रायोगिक प्रदर्शन केवल उन डिजाइनों पर आधारित हैं जो चरण मिलान#चरण मिलान नहीं हैं।[66] यह दिखाया गया है कि फेज मैचिंग # फेज मैचिंग सिलिकॉन डबल स्लॉट वेवगाइड्स में भी प्राप्त किया जा सकता है, जो अत्यधिक नॉनलाइनियर ऑर्गेनिक क्लैडिंग के साथ लेपित है।[67] और समय-समय पर तनावग्रस्त सिलिकॉन वेवगाइड्स में।[68]


रमन प्रभाव

सिलिकॉन रमन प्रभाव को प्रदर्शित करता है, जिसमें एक फोटॉन को थोड़ी अलग ऊर्जा के साथ एक फोटॉन के लिए आदान-प्रदान किया जाता है, जो सामग्री के उत्तेजना या विश्राम के अनुरूप होता है। सिलिकॉन के रमन ट्रांज़िशन में एकल, बहुत संकीर्ण आवृत्ति शिखर का प्रभुत्व है, जो रमन प्रवर्धन जैसी ब्रॉडबैंड घटनाओं के लिए समस्याग्रस्त है, लेकिन रमन लेसरों जैसे नैरोबैंड उपकरणों के लिए फायदेमंद है।[10]रमन प्रवर्धन और रमन लेसरों के प्रारंभिक अध्ययन यूसीएलए में शुरू हुए, जिसके कारण फ़ाइबर रेज़ोनेटर (ऑप्टिक्स एक्सप्रेस 2004) के साथ सिलिकॉन रमन एम्पलीफायरों और सिलिकॉन स्पंदित रमन लेज़र के शुद्ध लाभ का प्रदर्शन हुआ। नतीजतन, 2005 में ऑल-सिलिकॉन रमन लेसरों का निर्माण किया गया।[31]


ब्रिलौइन प्रभाव

रमन प्रभाव में, फोटॉन लगभग 15 THz की आवृत्ति के साथ फ़ोनॉन # ध्वनिक और ऑप्टिकल फ़ोनॉन द्वारा लाल- या नीले रंग में स्थानांतरित होते हैं। हालांकि, सिलिकॉन वेवगाइड्स भी फोनोन#अकॉस्टिक और ऑप्टिकल फोनॉन उत्तेजनाओं का समर्थन करते हैं। प्रकाश के साथ इन ध्वनिक फ़ोनों की परस्पर क्रिया को ब्रिलौइन बिखराव 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 मजबूत ब्रिलौइन बिखरने का उत्पादन संभव हो जाता है।[69][70] संकीर्ण बैंड ऑप्टिकल एम्पलीफायरों को बनाने के लिए उत्तेजित ब्रिलौइन स्कैटरिंग का उपयोग किया गया है[71][72][73] साथ ही ऑल-सिलिकॉन ब्रिलौइन लेज़र। <रेफरी नाम = ओटरस्ट्रॉम 1113–1116 /> कैविटी ऑप्टोमैकेनिक्स के क्षेत्र में फोटॉन और ध्वनिक फोनन के बीच की बातचीत का भी अध्ययन किया जाता है, हालांकि इंटरेक्शन का निरीक्षण करने के लिए 3डी ऑप्टिकल कैविटी आवश्यक नहीं हैं।[74] उदाहरण के लिए, सिलिकॉन वेवगाइड्स के अलावा फाइबर में ऑप्टोमैकेनिकल कपलिंग का भी प्रदर्शन किया गया है[75] और चाकोजेनाइड वेवगाइड्स में।[76]


सोलिटन्स

सिलिकॉन वेवगाइड्स के माध्यम से प्रकाश के विकास को क्यूबिक नॉनलाइनियर श्रोडिंगर समीकरण के साथ अनुमानित किया जा सकता है,[10]जो अतिशयोक्तिपूर्ण छेदक-जैसे सॉलिटॉन समाधानों को स्वीकार करने के लिए उल्लेखनीय है।[77] ये ऑप्टिकल सॉलिटॉन (जिन्हें प्रकाशित तंतु में भी जाना जाता है) स्व चरण मॉडुलन के बीच संतुलन का परिणाम होता है (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 फैलाव।[46] कोलंबिया विश्वविद्यालय के विश्वविद्यालयों के समूहों द्वारा सिलिकॉन वेवगाइड्स में ऐसे सॉलिटॉन देखे गए हैं,[13]रोचेस्टर विश्वविद्यालय,[14]और स्नान विश्वविद्यालय।[15]


यह भी देखें

संदर्भ

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