भविष्य ऑप्टिकल रिसीवरों में ग्राफीन आधारित फोटो डिटेक्टरों के उपयोग की खोज

ऑप्टिकल रिसीवर का विकास: ग्राफीन फोटोडेटा एक विघटनकारी प्रौद्योगिकी के रूप में

उच्च डेटा संचरण गति और ऑप्टिकल संचार प्रणालियों में कम बिजली की खपत के लिए निरंतर मांग ने फोटोडेटेक्टर्स के लिए उपन्यास सामग्री में अनुसंधान किया है। तृतीय-V अर्धचालक या जर्मनियम पर आधारित पारंपरिक फोटोडेटा प्रदर्शन प्लेटौस तक पहुंच गए हैं, विशेष रूप से बैंडविड्थ, वर्णक्रमीय रेंज और एकीकरण लचीलेपन के संदर्भ में। ग्राफेन, कार्बन की एक एकल परमाणु परत से बना एक दो आयामी सामग्री, अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल रिसीवर के लिए एक परिवर्तनीय मंच के रूप में उभरा है। इसकी असाधारण वाहक गतिशीलता, ब्रॉडबैंड अवशोषण और मौजूदा अर्धचालक प्रक्रियाओं के साथ संगतता इसे विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में अति तेज, उच्च संवेदनशीलता फोटोडाइटेक्शन के लिए एक सम्मोहक उम्मीदवार बनाती है।

ग्राफेन के अद्वितीय Optoelectronic गुण को समझना

ग्रेफेन की बैंड संरचना में डायरेक बिंदु पर शून्य बैंडगैप होता है, जो यूवी से टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों तक के फोटॉनों को अवशोषित करने में सक्षम बनाता है। अवशोषण गुणांक दृश्य प्रकाश के लिए लगभग 2.3% प्रति परत है, जो पारंपरिक अर्धचालकों की तुलना में मामूली है, लेकिन परतों को स्टैक करने या प्लास्मोनिक और वेवगाइड संरचनाओं के साथ एकीकृत करने की क्षमता की भरपाई कर सकती है। क्रोशियल रूप से, ग्राफीन 200,000 सेमी2 / वी से अधिक की अत्यधिक उच्च वाहक गतिशीलता प्रदर्शित करता है।

मुख्य प्रदर्शन मीट्रिक: उत्तरदायित्व, बैंडविड्थ और शोर

किसी भी फोटो डिटेक्टर के लिए एक ऑप्टिकल रिसीवर में इस्तेमाल किया गया, तीन मीट्रिक प्रमुख प्रणाली डिजाइन: उत्तरदायित्व (A/W), बैंडविड्थ (Hz), और शोर समकक्ष शक्ति (NEP)। ग्राफीन आधारित फोटोडेक्टर (GBPDs) ने 100 गीगाहर्ट्ज से परे आंतरिक बैंडविड्थ का प्रदर्शन किया है, कई पारंपरिक डिटेक्टरों को पार कर गया है। हालांकि, प्रिस्टीन ग्राफीन में प्रतिक्रिया कम अवशोषण क्षमता (कुछ परत ग्राफीन के लिए सबसे ~ 6% पर) और फोटोजेनेटेड वाहकों की तेजी से पुनर्संयोजन द्वारा सीमित है। इस पर काबू पाने के लिए शोधकर्ताओं ने हाइब्रिड डिटेक्टरों को इंजीनियर किया है जो फोटोोलाइटिक प्रभाव, जैसे कि फोटोोलाइटिक प्रभाव, प्रभाव, जैसे कि प्रभाव।

Parameter	Typical Graphene Detector	Conventional (InGaAs/Ge)
Responsivity (A/W)	0.001 – 1 (without gain)	0.5 – 1.0
Bandwidth (3dB)	50 – 200 GHz	10 – 60 GHz
Dark Current	Low (μA scale)	Low to moderate
Spectral Range	UV to THz	Typically 900-1700 nm
Temperature Range	Broad (cryogenic to 400K)	Limited by material

ऑप्टिकल रिसीवर के लिए ग्राफीन आधारित फोटोडेटेक्टर्स की वास्तुकला

कई उपकरण आर्किटेक्चर प्रदर्शित किए गए हैं, प्रत्येक विशिष्ट व्यापार-बंद के साथ विभिन्न रिसीवर अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। सबसे आम डिजाइनों में फोटोकॉन्डेक्टिव डिटेक्टरों, फोटोडायोडों में अंतर्निहित फ़ील्ड (जैसे, धातु-ग्राफीन-धातु, ग्राफीन- पी-एन जंक्शनों) और फोटोट्रांसिस्टर शामिल हैं। अधिक उन्नत विन्यास प्रकाश अवशोषण और दर्जी वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया को बढ़ाने के लिए प्लास्मोन एंटेना, मेटामटेरियल्स, या माइक्रोकेविटीज़ के साथ ग्राफीन को एकीकृत करते हैं।

धातु-ग्राफीन धातु (MGM) Photodetectors

MGM photodetectors में, एक graphene चैनल दो धातु संपर्कों को जोड़ता है। धातु-ग्राफीन इंटरफेस पर Schottky बाधा एक अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र बनाता है जो photogenerated इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े को अलग करता है। असममित बाधा ऊंचाई शून्य पूर्वाग्रह पर भी एक फोटो-वर्तमान उत्पन्न करती है, कम पूर्वाग्रह पर कम अंधेरे वर्तमान और उच्च प्रतिक्रिया प्रदान करती है। ये डिटेक्टर मानक लिथोग्राफी का उपयोग करके तैयार करने के लिए सरल हैं और सिलिकॉन फोटोनिक्स के साथ संगत हैं। हालांकि, कम अवशोषण अभी भी क्वांटम दक्षता को सीमित करता है। ऑप्टिकल वेवगाइड्स के साथ एकीकरण, जहां ग्राफीन परत के साथ प्रकाश प्रणिक्षिप्तताएं, अवशोषण पथ की लंबाई और एकता को बढ़ा सकती हैं।

Graphene-Silicon हाइब्रिड फोटोडेटेक्टर

एक पारंपरिक सिलिकॉन फोटोडायोड के साथ ग्राफीन का संयोजन ग्राफीन के उच्च गति वाले वाहक के लाभों को जोड़ते हुए परिपक्व सिलिकॉन फोटोनिक्स पारिस्थितिकी तंत्र का लाभ उठाता है। एक ग्राफीन-सिलिकॉन Schottky photodiode में, ग्राफीन पारदर्शी कंडक्टर और एक फोटोएक्टिव परत के रूप में कार्य करता है। ग्राफीन-सी इंटरफेस पर निर्मित क्षमता वाहक को कुशलतापूर्वक अलग करती है, जो 20 ps से नीचे 30% से अधिक आंतरिक क्वांटम दक्षता प्राप्त करती है। ये उपकरण CMOS प्लेटफार्मों पर ऑप्टिकल रिसीवर के मोनोलिथिक एकीकरण के लिए आशाजनक हैं, हालांकि इंटरफेस की गुणवत्ता की सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग अंधेरे वर्तमान और Fermi स्तर की पिनिंग को कम करने के लिए आवश्यक है।

प्लास्मोनिक रूप से बढ़ी हुई ग्राफीन डिटेक्टर

कम अवशोषण को संबोधित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उच्च बैंडविड्थ को बनाए रखते हुए 10-100 × द्वारा प्रभावी प्रतिक्रिया को बढ़ा सकते हैं, क्योंकि मुख्य रूप से ऑप्टिकल अवशोषण में वृद्धि, वाहक गतिशीलता नहीं है। उदाहरण के लिए, सोने के धनुष वाले एंटेना या चांदी नैनोरॉड्स की सरणी को मोनोलायर ग्राफीन में 70% तक की घटना प्रकाश को अवशोषित करने के लिए दिखाया गया है। इस तरह के डिजाइन विशेष रूप से घने तरंग दैर्ध्य विभाजन बहुसंकेतक (DWDM) के लिए अनुकूल हैं।

प्रदर्शन की बोतल नेक और वर्तमान अनुसंधान निर्देश

रैपिड प्रयोगशाला प्रगति के बावजूद, GBPDs से पहले कई चुनौतियों को संबोधित किया जाना चाहिए, वाणिज्यिक ऑप्टिकल रिसीवर में मौजूदा तकनीकों को प्रतिस्थापित कर सकता है। प्राथमिक मुद्दा अवशोषण और बैंडविड्थ के बीच व्यापार-बंद रहता है: अवशोषण बढ़ाने के लिए, आम तौर पर किसी को डिवाइस क्षेत्र को बढ़ाना चाहिए या एकाधिक परतों का उपयोग करना चाहिए, जो समाई को बढ़ाता है और बैंडविड्थ को कम करता है। हाइब्रिड दृष्टिकोण जैसे कि ग्राफेन की पोलरिटॉन की मेजबानी करने की अनूठी क्षमता का उपयोग करना इन को अलग कर सकता है, लेकिन सटीक नैनोपैटर्निंग और उन्नत निर्माण तकनीकों की आवश्यकता होती है।

• कम प्रकाश अवशोषण (≤2.3% प्रति monolayer) मूलभूत सीमा बनी हुई है; बहुपरत ग्राफीन लाभ अवशोषण लेकिन अंतरपरत बिखरने की शुरूआत करती है जो वाहक गतिशीलता को कम करती है।
• ]बड़े पैमाने के संश्लेषण उच्च गुणवत्ता वाले, समान ग्राफीन के माध्यम से रासायनिक वाष्प जमावट (CVD) अभी भी अनाज की सीमाओं, झुर्रियाँ और संदूषण जैसे मुद्दों का सामना करता है, जो डिवाइस के प्रदर्शन को कम करता है।
• ]]] (जैसे, सिलिकॉन नाइट्राइड, सिलिकॉन-ऑन-इन्सुलेटर) के साथ एकीकरण को अनुकूलित हस्तांतरण विधियों और ग्राफीन के आंतरिक गुणों को संरक्षित करने के लिए encapsulation की आवश्यकता होती है।
• ]Thermal प्रबंधन उच्च शक्ति ऑप्टिकल रिसीवर में महत्वपूर्ण हो जाता है क्योंकि ग्राफीन की तापीय चालकता उच्च है लेकिन प्रति परमाणु इसकी छोटी गर्मी क्षमता तीव्र निरंतर तरंग रोशनी के तहत तेजी से स्थानीय हीटिंग का कारण बन सकती है।

हाल के अध्ययनों ने आशाजनक समाधानों का प्रदर्शन किया है। उदाहरण के लिए, एक 2018 का पेपर Nature Photonics]]]] ने एक ग्राफीन फोटोडेटा की सूचना दी जिसमें एक सिलिकॉन नाइट्राइड वेवगाइड को 0.5 A/W उत्तरदायित्व और 50 GHz बैंडविड्थ प्राप्त हुई। ]IEE जर्नल ऑफ सेलेक्टेड टॉपिक्स इन क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स ] ने 10 A/W से अधिक की प्रतिक्रिया के साथ एक ग्राफीन-ऑर्गनिक संरचना दिखाया, हालांकि कुछ हद तक सीमित थी।

ऑप्टिकल रिसीवर में ग्राफीन फोटोडेक्टर के लिए भविष्य आउटलुक

आगे देख, भविष्य में ऑप्टिकल रिसीवर में GBPD की भूमिका को आश्वस्त किया गया है, लेकिन व्यावसायिकीकरण के रास्ते को विनिर्माण और प्रणाली-स्तर एकीकरण चुनौतियों को हल करने की आवश्यकता है। सबसे अधिक संभावना प्रारंभिक तैनाती उच्च गति वाले लघु-पहुंच इंटरकनेक्ट (<1 km) में होगी जैसे कि डेटा केंद्रों में इस्तेमाल किए जाने वाले लोगों, जहां बैंडविड्थ घनत्व और ऊर्जा प्रति बिट पैरामाउंट हैं। यहां, शून्य-ब्यास ऑपरेशन (विद्युत आपूर्ति को खत्म करने) और अति-कॉम्पैक्ट पदचिह्न तत्काल लाभ प्रदान करता है। इस बीच, लंबे समय तक और सुसंगत रिसीवर पहले संतुलित विन्यास में GBPDs को अपना सकते हैं जहां सामान्य मोड अस्वीकृति और कम शोर महत्वपूर्ण हैं।

पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर संचार से परे, ग्राफीन फोटोडेटा नए अनुप्रयोगों के लिए खुला दरवाजे: लचीला सब्सट्रेट पर एकीकृत फोटोनिक सर्किट, ऑप्टिकल दिल दर सेंसर का उपयोग करके पहनने योग्य स्वास्थ्य मॉनिटर, और यहां तक कि सुरक्षा और गैर विनाशकारी परीक्षण के लिए टेराहर्ट्ज इमेजिंग सिस्टम भी। ग्राफीन के यांत्रिक लचीलेपन और उच्च गति के प्रदर्शन का संयोजन अनुरूप ऑप्टिकल रिसीवर को सक्षम बनाता है जो घुमावदार सतहों से जुड़ा हो सकता है या वस्त्रों में एम्बेडेड हो सकता है।

लैब से फैब तक रोडमैप

कई कंपनियों और अनुसंधान संघ सक्रिय रूप से स्केलेबल ग्राफीन उत्पादन और उपकरण एकीकरण पर काम कर रहे हैं। यूरोपीय संघ के ग्राफीन फ्लैगशिप कार्यक्रम ने औद्योगिक साझेदारी में तेजी ला दी है, और इलेक्ट्रॉनिक गुणवत्ता के साथ वेफर-स्केल CVD ग्राफीन के हाल के प्रदर्शनों से पता चलता है कि निर्माण बाधाएं दूर हो सकती हैं। एक बार विश्वसनीय हस्तांतरण और डोपिंग नियंत्रण हासिल किया जाता है, ग्राफीन फोटोडेटेक्टर अगले पांच वर्षों में पायलट उत्पादन में प्रवेश कर सकते हैं।

कला राज्य की व्यापक समीक्षा के लिए, 2021 में समीक्षा Nature Communications]] ग्राफेन फोटोनिक्स और इसकी संभावनाओं का एक उत्कृष्ट अवलोकन प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, Journal of Materialschemistry C] ने विशेष रूप से सीएमओएस बैक-एंड-ऑफ-लाइन के साथ फोटो डिटेक्टर एकीकरण पर कई कार्यों को प्रकाशित किया है।

निष्कर्ष

ग्रेफेन आधारित फोटो डिटेक्टर ऑप्टिकल रिसीवर डिजाइन के लिए एक प्रतिमान बदलाव का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो पारंपरिक अर्धचालकों की सामग्री सीमाओं से परे चलती है। गति, वर्णक्रमीय रेंज और एकीकरण लचीलेपन में आंतरिक फायदे के साथ, उन्हें अगली पीढ़ी के संचार प्रणालियों को सक्षम करने के लिए तैयार किया जाता है जो तेजी से, अधिक ऊर्जा कुशल और अधिक अनुकूल हैं। जबकि महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौतियों का सामना करना पड़ा है, विशेष रूप से अवशोषण क्षमता और विनिर्माण स्केलेबिलिटी के आसपास, सामग्री विज्ञान और उपकरण इंजीनियरिंग में प्रगति की गति से पता चलता है कि ऑप्टिकल रिसीवर के लिए पहला वाणिज्यिक ग्राफीन फोटोडेक्टर इस दशक के भीतर पहुंचेंगे। उनका प्रभाव केवल उच्च गति वाले डेटा केंद्रों में नहीं बल्कि उभरते क्षेत्रों में भी महसूस किया जाएगा जहां हल्के और हल्के हैं।