इन्सुलेटरमा लिथियम निओबेट (LNOI): फोटोनिक एकीकृत सर्किटहरूको प्रगतिलाई अगाडि बढाउँदै

परिचय

इलेक्ट्रोनिक एकीकृत सर्किट (EICs) को सफलताबाट प्रेरित भएर, फोटोनिक एकीकृत सर्किट (PICs) को क्षेत्र १९६९ मा स्थापना भएदेखि नै विकसित हुँदै आएको छ। यद्यपि, EICs भन्दा फरक, विविध फोटोनिक अनुप्रयोगहरूलाई समर्थन गर्न सक्षम विश्वव्यापी प्लेटफर्मको विकास एक प्रमुख चुनौती बनेको छ। यस लेखले उदीयमान लिथियम निओबेट अन इन्सुलेटर (LNOI) प्रविधिको अन्वेषण गर्दछ, जुन द्रुत रूपमा अर्को पुस्ताका PICs को लागि एक आशाजनक समाधान बनेको छ।

LNOI प्रविधिको उदय

लिथियम निओबेट (LN) लाई लामो समयदेखि फोटोनिक अनुप्रयोगहरूको लागि एक प्रमुख सामग्रीको रूपमा मान्यता दिइएको छ। यद्यपि, पातलो-फिल्म LNOI र उन्नत निर्माण प्रविधिहरूको आगमनसँगै यसको पूर्ण क्षमता अनलक भएको छ। अनुसन्धानकर्ताहरूले LNOI प्लेटफर्महरूमा अल्ट्रा-लो-लोस रिज वेभगाइडहरू र अल्ट्रा-हाई-क्यू माइक्रोरेसोनेटरहरू सफलतापूर्वक प्रदर्शन गरेका छन् [1], एकीकृत फोटोनिक्समा महत्त्वपूर्ण छलांग चिन्ह लगाउँदै।

LNOI प्रविधिका प्रमुख फाइदाहरू

• अति-कम अप्टिकल क्षति(न्यूनतम ०.०१ dB/cm)
• उच्च-गुणस्तरको न्यानोफोटोनिक संरचनाहरू
• विविध गैर-रेखीय अप्टिकल प्रक्रियाहरूको लागि समर्थन
• एकीकृत इलेक्ट्रो-अप्टिक (EO) ट्युनेबिलिटी

LNOI मा ननलाइनर अप्टिकल प्रक्रियाहरू

LNOI प्लेटफर्ममा निर्मित उच्च-प्रदर्शन न्यानोफोटोनिक संरचनाहरूले उल्लेखनीय दक्षता र न्यूनतम पम्प शक्तिको साथ प्रमुख गैर-रेखीय अप्टिकल प्रक्रियाहरूको प्राप्तिलाई सक्षम बनाउँछ। प्रदर्शन गरिएका प्रक्रियाहरूमा समावेश छन्:

• दोस्रो हार्मोनिक जेनेरेसन (SHG)
• योग आवृत्ति उत्पादन (SFG)
• भिन्नता आवृत्ति उत्पादन (DFG)
• प्यारामेट्रिक डाउन-रूपान्तरण (PDC)
• फोर-वेभ मिक्सिङ (FWM)

यी प्रक्रियाहरूलाई अनुकूलन गर्न विभिन्न चरण-मिलान योजनाहरू लागू गरिएको छ, जसले LNOI लाई अत्यधिक बहुमुखी गैर-रेखीय अप्टिकल प्लेटफर्मको रूपमा स्थापित गर्दछ।

इलेक्ट्रो-अप्टिकल ट्युनेबल एकीकृत उपकरणहरू

LNOI प्रविधिले सक्रिय र निष्क्रिय ट्युनेबल फोटोनिक उपकरणहरूको विस्तृत दायराको विकासलाई पनि सक्षम बनाएको छ, जस्तै:

• उच्च-गति अप्टिकल मोड्युलेटरहरू
• पुन: कन्फिगर गर्न मिल्ने बहु-कार्यात्मक PIC हरू
• ट्युनेबल फ्रिक्वेन्सी कम्ब्स
• माइक्रो-अप्टोमेकानिकल स्प्रिङहरू

यी उपकरणहरूले प्रकाश संकेतहरूको सटीक, उच्च-गति नियन्त्रण प्राप्त गर्न लिथियम निओबेटको आन्तरिक EO गुणहरूको लाभ उठाउँछन्।

LNOI फोटोनिक्सको व्यावहारिक अनुप्रयोगहरू

LNOI-आधारित PIC हरू अब बढ्दो संख्यामा व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूमा अपनाइँदै छन्, जसमा समावेश छन्:

• माइक्रोवेभ-देखि-अप्टिकल कन्भर्टरहरू
• अप्टिकल सेन्सरहरू
• अन-चिप स्पेक्ट्रोमिटरहरू
• अप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कम्ब्स
• उन्नत दूरसञ्चार प्रणालीहरू

यी अनुप्रयोगहरूले फोटोलिथोग्राफिक निर्माण मार्फत स्केलेबल, ऊर्जा-कुशल समाधानहरू प्रदान गर्दै, बल्क-अप्टिक कम्पोनेन्टहरूको प्रदर्शनसँग मेल खाने LNOI को क्षमता प्रदर्शन गर्छन्।

वर्तमान चुनौतीहरू र भविष्यका दिशाहरू

आशाजनक प्रगतिको बावजुद, LNOI प्रविधिले धेरै प्राविधिक अवरोधहरूको सामना गर्दछ:

क) अप्टिकल नोक्सानलाई थप कम गर्ने
हालको वेभगाइड नोक्सान (०.०१ dB/cm) अझै पनि सामग्री अवशोषण सीमा भन्दा धेरै उच्च छ। सतहको खस्रोपन र अवशोषण-सम्बन्धित दोषहरू कम गर्न आयन-स्लाइसिङ प्रविधिहरू र न्यानोफ्याब्रिकेसनमा प्रगति आवश्यक छ।

ख) सुधारिएको वेभगाइड ज्यामिति नियन्त्रण
उच्च एकीकरण घनत्वको लागि दोहोरिने क्षमतालाई त्याग नगरी वा प्रसार हानि नबढाई सब-७०० एनएम वेभगाइडहरू र सब-२ μm युग्मन अन्तरालहरू सक्षम पार्नु महत्त्वपूर्ण छ।

ग) युग्मन दक्षता बढाउने
टेपर्ड फाइबर र मोड कन्भर्टरहरूले उच्च युग्मन दक्षता प्राप्त गर्न मद्दत गर्छन्, तर एन्टी-रिफ्लेक्सन कोटिंग्सले वायु-सामग्री इन्टरफेस परावर्तनलाई अझ कम गर्न सक्छ।

घ) कम-क्षति ध्रुवीकरण घटकहरूको विकास
LNOI मा ध्रुवीकरण-असंवेदनशील फोटोनिक उपकरणहरू आवश्यक छन्, जसलाई फ्री-स्पेस पोलराइजरहरूको प्रदर्शनसँग मेल खाने घटकहरू आवश्यक पर्दछ।

e) नियन्त्रण इलेक्ट्रोनिक्सको एकीकरण
अप्टिकल कार्यसम्पादनमा कमी नल्याएर ठूला-स्तरीय नियन्त्रण इलेक्ट्रोनिक्सलाई प्रभावकारी रूपमा एकीकृत गर्नु एक प्रमुख अनुसन्धान दिशा हो।

f) उन्नत चरण मिलान र फैलावट इन्जिनियरिङ
ननलाइनर अप्टिक्सको लागि सब-माइक्रोन रिजोल्युसनमा भरपर्दो डोमेन ढाँचा महत्त्वपूर्ण छ तर LNOI प्लेटफर्ममा यो अपरिपक्व प्रविधि नै रहन्छ।

छ) निर्माण दोषहरूको लागि क्षतिपूर्ति
वास्तविक-विश्व तैनातीका लागि वातावरणीय परिवर्तन वा निर्माण भिन्नताका कारण हुने चरण परिवर्तनहरूलाई कम गर्ने प्रविधिहरू आवश्यक छन्।

ज) कुशल बहु-चिप युग्मन
एकल-वेफर एकीकरण सीमाभन्दा बाहिर मापन गर्न धेरै LNOI चिपहरू बीच कुशल युग्मनलाई सम्बोधन गर्नु आवश्यक छ।

सक्रिय र निष्क्रिय घटकहरूको मोनोलिथिक एकीकरण

LNOI PIC हरूको लागि एउटा मुख्य चुनौती भनेको सक्रिय र निष्क्रिय घटकहरूको लागत-प्रभावी मोनोलिथिक एकीकरण हो जस्तै:

• लेजरहरू
• डिटेक्टरहरू
• ननलाइनर तरंगदैर्ध्य कन्भर्टरहरू
• मोड्युलेटरहरू
• मल्टिप्लेक्सर/डिमल्टीप्लेक्सरहरू

हालका रणनीतिहरूमा समावेश छन्:

क) LNOI को आयन डोपिङ:
तोकिएका क्षेत्रहरूमा सक्रिय आयनहरूको छनौट डोपिङले अन-चिप प्रकाश स्रोतहरू निम्त्याउन सक्छ।

ख) बन्धन र विषम एकीकरण:
डोप गरिएको LNOI तहहरू वा III-V लेजरहरूसँग पूर्व-निर्मित निष्क्रिय LNOI PIC हरूलाई बन्धन गर्नाले वैकल्पिक मार्ग प्रदान गर्दछ।

ग) हाइब्रिड सक्रिय/निष्क्रिय LNOI वेफर निर्माण:
एउटा नवीन दृष्टिकोणमा आयन स्लाइसिङ गर्नु अघि डोप गरिएको र अनडुप गरिएको LN वेफरहरूलाई बन्धन गर्ने समावेश छ, जसको परिणामस्वरूप सक्रिय र निष्क्रिय दुवै क्षेत्रहरूसँग LNOI वेफरहरू हुन्छन्।

चित्र १हाइब्रिड एकीकृत सक्रिय/निष्क्रिय PICs को अवधारणालाई चित्रण गर्दछ, जहाँ एकल लिथोग्राफिक प्रक्रियाले दुवै प्रकारका घटकहरूको निर्बाध पङ्क्तिबद्धता र एकीकरणलाई सक्षम बनाउँछ।

फोटोडिटेक्टरहरूको एकीकरण

LNOI-आधारित PIC हरूमा फोटोडिटेक्टरहरू एकीकृत गर्नु पूर्ण रूपमा कार्यात्मक प्रणालीहरूतर्फ अर्को महत्त्वपूर्ण कदम हो। दुई प्राथमिक दृष्टिकोणहरू अनुसन्धान अन्तर्गत छन्:

क) विषम एकीकरण:
अर्धचालक न्यानोस्ट्रक्चरहरूलाई LNOI वेभगाइडहरूमा क्षणिक रूपमा जोड्न सकिन्छ। यद्यपि, पत्ता लगाउने दक्षता र स्केलेबिलिटीमा सुधार अझै आवश्यक छ।

ख) ननलाइनर तरंगदैर्ध्य रूपान्तरण:
LN को गैर-रेखीय गुणहरूले वेभगाइडहरू भित्र फ्रिक्वेन्सी रूपान्तरणलाई अनुमति दिन्छ, जसले गर्दा सञ्चालन तरंगदैर्ध्यको पर्वाह नगरी मानक सिलिकन फोटोडिटेक्टरहरूको प्रयोग सक्षम हुन्छ।

निष्कर्ष

LNOI प्रविधिको द्रुत प्रगतिले उद्योगलाई व्यापक दायराका अनुप्रयोगहरू सेवा गर्न सक्षम विश्वव्यापी PIC प्लेटफर्मको नजिक ल्याउँछ। अवस्थित चुनौतीहरूलाई सम्बोधन गरेर र मोनोलिथिक र डिटेक्टर एकीकरणमा नवीनताहरूलाई अगाडि बढाएर, LNOI-आधारित PIC हरूमा दूरसञ्चार, क्वान्टम जानकारी, र सेन्सिङ जस्ता क्षेत्रहरूमा क्रान्तिकारी परिवर्तन ल्याउने क्षमता छ।

LNOI ले EICs को सफलता र प्रभावसँग मेल खाने स्केलेबल PICs को लामो समयदेखिको दृष्टिकोण पूरा गर्ने वाचा राख्छ। निरन्तर अनुसन्धान र विकास प्रयासहरू - जस्तै नान्जिङ फोटोनिक्स प्रक्रिया प्लेटफर्म र XiaoyaoTech डिजाइन प्लेटफर्म - एकीकृत फोटोनिक्सको भविष्यलाई आकार दिन र प्रविधि क्षेत्रहरूमा नयाँ सम्भावनाहरू अनलक गर्न महत्त्वपूर्ण हुनेछन्।