સિલિકોન ફોટોનિક્સ: તાંબાના વાયરથી પ્રકાશની ગતિ સુધી ડેટા ટ્રાન્સમિશનની ક્રાંતિ

આજના સમયમાં ડિજિટલ ડેટાની માંગ ચક્રવૃદ્ધિ દરે વધી રહી છે. કમ્પ્યુટર પ્રોસેસરની અંદર અને તેની વચ્ચે માહિતીની આપ-લે કરવા માટે અત્યાર સુધી તાંબાના (copper) વાયરોનો ઉપયોગ થતો આવ્યો છે. પરંતુ જેમ જેમ પ્રોસેસિંગ ગતિ વધી રહી છે, તેમ તાંબાના વાયરમાંથી વહેતો વીજપ્રવાહ વધુ ગરમી અને ઊર્જાનો વેડફાટ ઉત્પન્ન કરે છે, જે મૂરના નિયમ (Moore's Law) ને આગળ વધારવામાં મોટી અડચણરૂપ બન્યો છે. આ સમસ્યાના ઉકેલ તરીકે સિલિકોન ફોટોનિક્સ (Silicon Photonics) ટેકનોલોજીનો ઉદ્ભવ થયો છે, જે માહિતીના વહન માટે ઇલેક્ટ્રોન્સના સ્થાને ઓપ્ટિકલ એટલે કે પ્રકાશના કિરણોનો ઉપયોગ કરે છે.

સિલિકોન ફોટોનિક્સ એ એવી ટેકનોલોજી છે જેમાં સિલિકોનનો ઉપયોગ ઓપ્ટિકલ માધ્યમ તરીકે થાય છે. આ સિલિકોન માળખાને સબ-માઇક્રોમીટર (sub-micrometre) સ્તરની ચોકસાઈથી કંડારીને સૂક્ષ્મ ફોટોનિક ઘટકો તૈયાર કરવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે આ સિસ્ટમ ૧.૫૫ માઇક્રોમીટર (1.55 micrometre) ની ઇન્ફ્રારેડ તરંગલંબાઈ પર કામ કરે છે, જે ફાઇબર ઓપ્ટિક ટેલિકોમ્યુનિકેશનમાં વ્યાપકપણે વપરાય છે. આ ચિપમાં સિલિકોન સામાન્ય રીતે સિલિકાના પડ પર સ્થિત હોય છે, જેને સિલિકોન ઓન ઇન્સ્યુલેટર (Silicon on Insulator - SOI) કહેવામાં આવે છે.

આ ટેકનોલોજીની સૌથી મોટી ખાસિયત એ છે કે તે હાલની સેમિકન્ડક્ટર ફેબ્રિકેશન ટેકનોલોજીનો જ ઉપયોગ કરે છે. સિલિકોન પહેલેથી જ મોટાભાગના ઇન્ટિગ્રેટેડ સરકિટનો પાયો હોવાથી, ઓપ્ટિકલ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકોને એક જ માઇક્રોચિપ પર ભેગા કરીને હાઇબ્રિડ ડિવાઇસ બનાવવું શક્ય બન્યું છે. ૨૦૦૬ માં Intel ના તત્કાલીન સિનિયર વાઇસ પ્રેસિડેન્ટ પેટ ગેલસિંગરે (Pat Gelsinger) કહ્યું હતું કે, "આજે ઓપ્ટિક્સ એક વિશિષ્ટ ટેકનોલોજી છે, પરંતુ આવતીકાલે તે આપણે બનાવીએ છીએ તે દરેક ચિપનો મુખ્ય પ્રવાહ બનશે." આ ક્ષેત્રમાં IBM અને Intel જેવી મોટી સેમિકન્ડક્ટર કંપનીઓ ભારે સંશોધન કરી રહી છે.

મોડ્યુલેશનથી ડીટેક્શન: આ સિસ્ટમ કેવી રીતે કામ કરે છે?

ઓપ્ટિકલ કનેક્શનમાં માહિતી પહોંચાડવા માટે સૌપ્રથમ ડેટાને ઇલેક્ટ્રિકલ ક્ષેત્રમાંથી ઓપ્ટિકલ એટલે કે પ્રકાશ ક્ષેત્રમાં ફેરવવો પડે છે. આ કામ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટર (electro-optic modulator) અથવા સીધા મોડ્યુલેટ થતા લેઝર વડે થાય છે. મોડ્યુલેટર પ્રકાશની તીવ્રતા અથવા તેના ફેઝ (phase) માં ફેરફાર કરીને ડેટા કોડ કરે છે. સિલિકોન ફોટોનિક્સમાં, મોડ્યુલેશન હાંસલ કરવા માટે મુક્ત ચાર્જ કેરિયર્સ (free charge carriers) ની ઘનતા બદલવામાં આવે છે.

ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ (hole) ની ઘનતામાં થતા ફેરફારો સિલિકોનના વક્રીભવનાંક (refractive index) ના વાસ્તવિક અને કાલ્પનિક ભાગમાં બદલાવ લાવે છે, જે સોરેફ અને બેનેટના અનુભવજન્ય સમીકરણો (Soref and Bennett empirical equations) દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. આ મોડ્યુલેટર્સમાં ફોરવર્ડ-બાયસ્ડ PIN ડાયોડ હોઈ શકે છે, જે મોટો ફેઝ-શિફ્ટ આપે છે પણ ગતિ ધીમી હોય છે, અથવા રિવર્સ-બાયસ્ડ p–n જંકશન હોઈ શકે છે. આ સિવાય માચ-ઝેહન્ડર ઇન્ટરફેરોમીટર (Mach-Zehnder interferometers - MZIs) જેવા બિન-રેઝોનન્ટ મોડ્યુલેટર્સ મિલીમીટર કદના હોય છે અને ટેલિકોમમાં વપરાય છે, જ્યારે રિંગ-રેઝોનેટર (ring-resonators) જેવા રેઝોનન્ટ સાધનો માત્ર દસ માઇક્રોમીટર કદના હોય છે.

રીસીવર બાજુએ, ઓપ્ટિકલ સિગ્નલને સેમિકન્ડક્ટર ફોટોડિટેક્ટર (photodetector) દ્વારા પાછા ઇલેક્ટ્રિકલ ડેટામાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે. આ માટે શુદ્ધ જર્મેનિયમ (Germanium) નો ઉપયોગ સૌથી વધુ થાય છે કારણ કે તેનો બેન્ડ-ગેપ ફોટોન ઊર્જા કરતાં નાનો હોય છે. સંશોધકોએ ૪૦ Gbit/s ની ગતિએ કામ કરી શકે તેવા સિલિકોન-જર્મેનિયમ એવલાન્ચ ફોટોડિટેક્ટર્સ (SiGe avalanche photodiodes) પણ બનાવ્યા છે. તે સિવાય ગ્રાફીન ફોટોડિટેક્ટર (graphene photodetectors) પણ જર્મેનિયમ કરતાં વધુ બેન્ડવિડ્થ અને ઓછો ઊર્જા વપરાશ આપવાની ક્ષમતા ધરાવે છે.

ગતિ અને ક્ષમતાના આંકડા: પ્રયોગશાળાથી વાસ્તવિકતા સુધી

સિલિકોન ફોટોનિક્સ ટેકનોલોજીમાં છેલ્લા દોઢ દાયકામાં આશ્ચર્યજનક પ્રગતિ નોંધાઈ છે. ૨૦૧૦ માં Intel એ સિલિકોન ફોટોનિક્સનો ઉપયોગ કરીને ૫૦ Gbit/s નું ઓપ્ટિકલ કનેક્શન સફળતાપૂર્વક પ્રદર્શિત કર્યું હતું. ત્યારબાદ ડિસેમ્બર ૨૦૧૫ માં "zero-change" CMOS ફોટોનિક્સ અભિગમનો ઉપયોગ કરીને ઓપ્ટિકલ ઇનપુટ/આઉટપુટ (I/O) ધરાવતો પ્રથમ માઇક્રોપ્રોસેસર દર્શાવવામાં આવ્યો, જેને ફાઇબર-ટુ-ધી-પ્રોસેસર (fiber-to-the-processor) કહેવાય છે. આ ઉપકરણ ૪૫ nm SOI નોડ પર આધારિત હતું અને તેની દ્વિ-દિશાત્મક ચિપ-ટુ-ચિપ લિંક ૨×૨.૫ Gbit/s ની ઝડપે ચાલી હતી, જેનો કુલ ઊર્જા વપરાશ માત્ર ૧૬ pJ/b (પીકોજૂલ પ્રતિ બિટ) હતો.

ઉત્પાદન અને સ્કેલિંગ ક્ષેત્રે, ૨૦૧૨ માં IBM એ જાહેરાત કરી હતી કે તેમણે ૯૦ નાનોમીટર (90 nm) સ્કેલ પર ઓપ્ટિકલ ઘટકો હાંસલ કર્યા છે જેને પ્રમાણભૂત ચિપ નિર્માણ તકનીકો સાથે સાંકળી શકાય છે. સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૩ માં Intel એ ડેટા સેન્ટર સરવરને જોડવા માટે માત્ર ૫ મિલીમીટર વ્યાસ ધરાવતા કેબલ પર ૧૦૦ Gbit/s ની ઝડપે ડેટા ટ્રાન્સમિટ કરવાની તકનીકની જાહેરાત કરી હતી. સરખામણી માટે, પરંપરાગત PCI-E ડેટા કેબલ ૮ Gbit/s, નેટવર્કિંગ કેબલ ૪૦ Gbit/s અને યુએસબી (USB) નું નવું વર્ઝન ૧૦ Gbit/s ની ગતિ આપે છે.

લાંબા અંતરના ટેલિકોમ્યુનિકેશનમાં પણ આ ટેકનોલોજીએ શક્તિ બતાવી છે. Sandia, Kotura, NTT, Fujitsu અને વિવિધ એકેડેમિક સંસ્થાઓના સંશોધકોએ માઇક્રોરિંગ સિલિકોન ડિવાઇસનો ઉપયોગ કરીને ૮૦ કિલોમીટર (80 km) ના અંતર સુધી ૧૨.૫ Gbit/s ની ઝડપે ડેટા પહોંચાડવાનો પ્રોટોટાઇપ સફળતાપૂર્વક ચલાવી બતાવ્યો હતો.

નોન-લીનિયર ઓપ્ટિક્સ અને ઓન-ચિપ લેઝરના પડકારો

સિલિકોન ઉપકરણોમાંથી પ્રકાશ પસાર થાય છે ત્યારે તેમાં કેટલીક નોન-લીનિયર (nonlinear) ઓપ્ટિકલ ઘટનાઓ જોવા મળે છે. જેમાં કેર અસર (Kerr effect), રામન અસર (Raman effect), ટુ-ફોટોન એબ્સોર્પ્શન (two-photon absorption) અને ફ્રી ચાર્જ કેરિયર્સ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા મુખ્ય છે. આ નોન-લીનિયર ગુણધર્મોને કારણે પ્રકાશ જ પ્રકાશ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે, જેથી ઓલ-ઓપ્ટિકલ સિગ્નલ રૂટિંગ અને વેવલેન્થ કન્વર્ઝન જેવા કાર્યો સરળ બને છે. તે સોલિટોન પ્રોપેગેશન (soliton propagation) જેવી અનોખી ઘટનાઓને પણ સપોર્ટ કરે છે.

ઓપ્ટિકલ કમ્પ્યુટિંગમાં એક મોટો વાદ-વિવાદ ઓન-ચિપ લેઝર (on-chip laser) વિરુદ્ધ ઓફ-ચિપ લેઝરનો છે. કેટલાક સંશોધકો માને છે કે ચિપ પર જ લેઝર સ્ત્રોત હોવો જોઈએ, જ્યારે અન્ય લોકો થર્મલ (ગરમી) સમસ્યાઓને કારણે તેને બહાર રાખવાની સલાહ આપે છે. કમ્પ્યુટર ચિપ્સ ગરમ થાય છે અને તાપમાન વધતાં લેઝરની ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા ઘટે છે. આના ઉકેલ તરીકે હાઇબ્રિડ સિલિકોન લેઝર (hybrid silicon laser) બનાવવામાં આવ્યા છે, જેમાં સિલિકોનને ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ (Indium Phosphide) જેવા અન્ય સેમિકન્ડક્ટર સાથે જોડવામાં આવે છે. તે સિવાય ઓલ-સિલિકોન રામન અને બ્રિલુઇન (Brillouin) લેઝર પણ વિકસાવવામાં આવ્યા છે.

પ્રકાશ સંકેતોના ઓલ-ઓપ્ટિકલ સ્વિચિંગ (all-optical switching) વડે ઓપ્ટિકલ રૂટર પણ બનાવવામાં આવ્યા છે. ૨૦૧૩ માં કેલિફોર્નિયા અને ઇઝરાયેલ સ્થિત સ્ટાર્ટઅપ કંપની Compass-EOS એ વિશ્વનો પ્રથમ વ્યાવસાયિક સિલિકોન-ટુ-ફોટોનિક્સ રૂટર રજૂ કર્યો હતો.

એઆઈ ઇન્ફરન્સ, ૩D ઇન્ટિગ્રેશન અને ભવિષ્યની દિશા

કમ્પ્યુટિંગની નવી ક્ષિતિજ ગણાતા કૃત્રિમ બુદ્ધિમત્તા (Artificial Intelligence) ક્ષેત્રે પણ સિલિકોન ફોટોનિક્સ ક્રાંતિ લાવી રહ્યું છે. પરંપરાગત ટ્રાન્ઝિસ્ટર ધરાવતા પ્રોસેસરોની સરખામણીમાં ઓપ્ટિકલ એઆઈ ઇન્ફરન્સ પ્રોસેસર્સ (AI inference processors) અત્યંત ઓછી ઊર્જા વાપરે છે. આ માટે માચ-ઝેહન્ડર ઇન્ટરફેરોમીટર્સ (MZIs) ને નાનોઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ સિસ્ટમ્સ સાથે જોડીને પ્રકાશના ફેઝમાં ફ્રેક્શનલ ફેરફાર કરવામાં આવે છે.

ચિપમાં જગ્યાની મર્યાદા દૂર કરવા માટે મનોલિથિક મલ્ટીલેયર ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેશન (Monolithic Multilayer Photonic Integration - MPI) નો ઉપયોગ થાય છે. ઓપ્ટિકલ વેવગાઇડનું કદ સેંકડો નાનોમીટરનું હોય છે, જે ટ્રાન્ઝિસ્ટરના કદ કરતાં ખૂબ મોટું હોવાથી મોંઘા સમકાલીન CMOS નોડ્સ પર જગ્યા રોકવી આર્થિક રીતે પોસાતી નથી. ૩D ઇન્ટિગ્રેશન દ્વારા એક જ ચિપમાં ઊભા સ્તરોમાં (vertically stacked layers) ઓપ્ટિકલ ઘટકો ગોઠવવામાં આવે છે. UCLA ખાતે બહરામ જલાલી (Bahram Jalali) અને તેમના વિદ્યાર્થીઓએ સિમોક્સ ૩D સ્કલ્પટિંગ (Simox 3D Sculpting) ટેકનોલોજી વિકસાવી છે, જેમાં ૩ ઊભા કપ્લડ લેયર્સ સુધી ઓપ્ટિકલ સર્કિટ બનાવી શકાય છે.

ડેટા સેન્ટરોમાં GPU ક્લસ્ટર્સ વચ્ચેના કનેક્શનથી લઈને ઓગમેન્ટેડ રિયાલિટી (AR) ડિસ્પ્લે સુધી આ ટેકનોલોજી વિસ્તરી રહી છે. ઉદાહરણ તરીકે, ૨૦૧૫ માં અમેરિકી સ્ટાર્ટઅપ Magic Leap એ એઆર ડિસ્પ્લે માટે સિલિકોન ફોટોનિક્સ આધારિત લાઇટ-ફિલ્ડ ચિપ પર કામ કરવાની જાહેરાત કરી હતી. જેમ જેમ AI અને સુપરકમ્પ્યુટિંગ ક્ષેત્રે ડેટા પ્રોસેસિંગની માંગ વધશે, તેમ સિલિકોન ફોટોનિક્સ પરંપરાગત ઇલેક્ટ્રોનિક્સની જગ્યા લઈને ઓપ્ટિકલ યુગનું આગમન સુનિશ્ચિત કરશે.