परिचय
इलेक्ट्रॉनिक इंटिग्रेटेड सर्किट्स (EICs) च्या यशाने प्रेरित होऊन, फोटोनिक इंटिग्रेटेड सर्किट्स (PICs) चे क्षेत्र १९६९ मध्ये स्थापनेपासून विकसित होत आहे. तथापि, EICs च्या विपरीत, विविध फोटोनिक अनुप्रयोगांना समर्थन देण्यास सक्षम असलेल्या सार्वत्रिक प्लॅटफॉर्मचा विकास हा एक मोठा आव्हान आहे. हा लेख उदयोन्मुख लिथियम निओबेट ऑन इन्सुलेटर (LNOI) तंत्रज्ञानाचा शोध घेतो, जो पुढील पिढीच्या PICs साठी वेगाने एक आशादायक उपाय बनला आहे.
एलएनओआय तंत्रज्ञानाचा उदय
लिथियम निओबेट (LN) हे फोटोनिक अनुप्रयोगांसाठी एक प्रमुख पदार्थ म्हणून फार पूर्वीपासून ओळखले जात आहे. तथापि, पातळ-फिल्म LNOI आणि प्रगत फॅब्रिकेशन तंत्रांच्या आगमनानेच त्याची पूर्ण क्षमता उघड झाली आहे. संशोधकांनी LNOI प्लॅटफॉर्मवर अल्ट्रा-लो-लॉस रिज वेव्हगाइड्स आणि अल्ट्रा-हाय-क्यू मायक्रोरेझोनेटर यशस्वीरित्या प्रदर्शित केले आहेत [1], ज्यामुळे एकात्मिक फोटोनिक्समध्ये एक महत्त्वपूर्ण झेप दिसून येते.
एलएनओआय तंत्रज्ञानाचे प्रमुख फायदे
- अति-कमी ऑप्टिकल नुकसान(कमीत कमी ०.०१ डीबी/सेमी)
- उच्च दर्जाच्या नॅनोफोटोनिक संरचना
- विविध नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्रक्रियांसाठी समर्थन
- एकात्मिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक (EO) ट्युनेबिलिटी
LNOI वरील नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्रक्रिया
LNOI प्लॅटफॉर्मवर बनवलेल्या उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या नॅनोफोटोनिक संरचना उल्लेखनीय कार्यक्षमतेसह आणि किमान पंप पॉवरसह प्रमुख नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्रक्रियांची अंमलबजावणी करण्यास सक्षम करतात. प्रात्यक्षिक प्रक्रियांमध्ये हे समाविष्ट आहे:
- दुसरी हार्मोनिक पिढी (SHG)
- बेरीज फ्रिक्वेन्सी जनरेशन (SFG)
- फरक वारंवारता निर्मिती (DFG)
- पॅरामीट्रिक डाउन-कन्व्हर्जन (PDC)
- फोर-वेव्ह मिक्सिंग (FWM)
या प्रक्रियांना अनुकूलित करण्यासाठी विविध फेज-मॅचिंग योजना लागू करण्यात आल्या आहेत, ज्यामुळे LNOI एक अत्यंत बहुमुखी नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्लॅटफॉर्म म्हणून स्थापित झाले आहे.
इलेक्ट्रो-ऑप्टिकली ट्यून करण्यायोग्य एकात्मिक उपकरणे
LNOI तंत्रज्ञानामुळे सक्रिय आणि निष्क्रिय ट्यून करण्यायोग्य फोटोनिक उपकरणांच्या विस्तृत श्रेणीचा विकास देखील शक्य झाला आहे, जसे की:
- हाय-स्पीड ऑप्टिकल मॉड्युलेटर
- पुन्हा कॉन्फिगर करण्यायोग्य मल्टीफंक्शनल PICs
- ट्यून करण्यायोग्य वारंवारता कंघी
- मायक्रो-ऑप्टोमेकॅनिकल स्प्रिंग्ज
ही उपकरणे प्रकाश सिग्नलचे अचूक, उच्च-गती नियंत्रण साध्य करण्यासाठी लिथियम निओबेटच्या अंतर्गत EO गुणधर्मांचा वापर करतात.
एलएनओआय फोटोनिक्सचे व्यावहारिक उपयोग
LNOI-आधारित PICs आता वाढत्या संख्येने व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये स्वीकारले जात आहेत, ज्यात समाविष्ट आहे:
- मायक्रोवेव्ह-टू-ऑप्टिकल कन्व्हर्टर
- ऑप्टिकल सेन्सर्स
- ऑन-चिप स्पेक्ट्रोमीटर
- ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कंघी
- प्रगत दूरसंचार प्रणाली
हे अनुप्रयोग फोटोलिथोग्राफिक फॅब्रिकेशनद्वारे स्केलेबल, ऊर्जा-कार्यक्षम उपाय ऑफर करताना, बल्क-ऑप्टिक घटकांच्या कामगिरीशी जुळण्यासाठी LNOI ची क्षमता दर्शवितात.
सध्याची आव्हाने आणि भविष्यातील दिशानिर्देश
आशादायक प्रगती असूनही, LNOI तंत्रज्ञानाला अनेक तांत्रिक अडथळ्यांचा सामना करावा लागतो:
अ) ऑप्टिकल लॉस आणखी कमी करणे
सध्याचा वेव्हगाइड तोटा (०.०१ डीबी/सेमी) अजूनही पदार्थाच्या शोषण मर्यादेपेक्षा खूपच जास्त आहे. पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा आणि शोषण-संबंधित दोष कमी करण्यासाठी आयन-स्लाइसिंग तंत्र आणि नॅनोफॅब्रिकेशनमध्ये प्रगती आवश्यक आहे.
ब) सुधारित वेव्हगाइड भूमिती नियंत्रण
उच्च एकात्मता घनतेसाठी पुनरावृत्तीक्षमतेचा त्याग न करता किंवा प्रसारण तोटा वाढवता न येता ७०० एनएमपेक्षा कमी वेव्हगाइड्स आणि २ μm पेक्षा कमी कपलिंग गॅप्स सक्षम करणे अत्यंत महत्वाचे आहे.
क) कपलिंग कार्यक्षमता वाढवणे
टॅपर्ड फायबर आणि मोड कन्व्हर्टर उच्च कपलिंग कार्यक्षमता प्राप्त करण्यास मदत करतात, तर अँटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्ज एअर-मटेरियल इंटरफेस रिफ्लेक्शन्स आणखी कमी करू शकतात.
ड) कमी-तोटा ध्रुवीकरण घटकांचा विकास
LNOI वरील ध्रुवीकरण-असंवेदनशील फोटोनिक उपकरणे आवश्यक आहेत, ज्यांना मुक्त-जागा ध्रुवीकरणकर्त्यांच्या कामगिरीशी जुळणारे घटक आवश्यक आहेत.
e) नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्सचे एकत्रीकरण
ऑप्टिकल कामगिरी कमी न करता मोठ्या प्रमाणात नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स प्रभावीपणे एकत्रित करणे ही एक महत्त्वाची संशोधन दिशा आहे.
f) प्रगत फेज मॅचिंग आणि डिस्पर्शन इंजिनिअरिंग
नॉनलाइनर ऑप्टिक्ससाठी सब-मायक्रॉन रिझोल्यूशनवर विश्वसनीय डोमेन पॅटर्निंग महत्वाचे आहे परंतु LNOI प्लॅटफॉर्मवर ते एक अपरिपक्व तंत्रज्ञान राहिले आहे.
g) फॅब्रिकेशन दोषांसाठी भरपाई
पर्यावरणीय बदलांमुळे किंवा फॅब्रिकेशन व्हेरिएन्समुळे होणाऱ्या फेज शिफ्ट्स कमी करण्यासाठी तंत्रे वास्तविक जगात तैनातीसाठी आवश्यक आहेत.
h) कार्यक्षम मल्टी-चिप कपलिंग
सिंगल-वेफर इंटिग्रेशन मर्यादेपलीकडे जाण्यासाठी अनेक LNOI चिप्समधील कार्यक्षम जोडणीचे निराकरण करणे आवश्यक आहे.
सक्रिय आणि निष्क्रिय घटकांचे मोनोलिथिक एकत्रीकरण
LNOI PICs साठी एक मुख्य आव्हान म्हणजे सक्रिय आणि निष्क्रिय घटकांचे किफायतशीर मोनोलिथिक एकत्रीकरण जसे की:
- लेसर
- डिटेक्टर
- नॉनलाइनर तरंगलांबी कन्व्हर्टर
- मॉड्युलेटर
- मल्टीप्लेक्सर्स/डीमल्टीप्लेक्सर्स
सध्याच्या धोरणांमध्ये हे समाविष्ट आहे:
अ) एलएनओआयचे आयन डोपिंग:
नियुक्त केलेल्या प्रदेशांमध्ये सक्रिय आयनांचे निवडक डोपिंग केल्याने चिपवर प्रकाश स्रोत निर्माण होऊ शकतात.
ब) बंधन आणि विषम एकात्मता:
प्री-फॅब्रिकेटेड पॅसिव्ह LNOI PICs ला डोप्ड LNOI लेयर्स किंवा III-V लेसरसह बाँडिंग केल्याने पर्यायी मार्ग मिळतो.
क) हायब्रिड अ‍ॅक्टिव्ह/पॅसिव्ह एलएनओआय वेफर फॅब्रिकेशन:
आयन स्लाइसिंगपूर्वी डोप केलेले आणि अनडॉप केलेले एलएन वेफर्स बाँडिंग करणे हा एक नाविन्यपूर्ण दृष्टिकोन आहे, ज्यामुळे सक्रिय आणि निष्क्रिय दोन्ही क्षेत्रांसह एलएनओआय वेफर्स तयार होतात.
आकृती १हायब्रिड इंटिग्रेटेड अ‍ॅक्टिव्ह/पॅसिव्ह पीआयसीची संकल्पना स्पष्ट करते, जिथे एकल लिथोग्राफिक प्रक्रिया दोन्ही प्रकारच्या घटकांचे अखंड संरेखन आणि एकत्रीकरण सक्षम करते.
फोटोडिटेक्टरचे एकत्रीकरण
LNOI-आधारित PIC मध्ये फोटोडिटेक्टर एकत्रित करणे हे पूर्णपणे कार्यशील प्रणालींकडे जाणारे आणखी एक महत्त्वाचे पाऊल आहे. दोन प्राथमिक दृष्टिकोनांचा तपास सुरू आहे:
अ) विषम एकात्मता:
सेमीकंडक्टर नॅनोस्ट्रक्चर्सना LNOI वेव्हगाईड्सशी क्षणिकरित्या जोडले जाऊ शकते. तथापि, शोध कार्यक्षमता आणि स्केलेबिलिटीमध्ये सुधारणा अजूनही आवश्यक आहेत.
ब) रेषीय तरंगलांबी रूपांतरण:
LN चे नॉनलाइनर गुणधर्म वेव्हगाइड्समध्ये फ्रिक्वेन्सी रूपांतरण करण्यास अनुमती देतात, ज्यामुळे ऑपरेटिंग तरंगलांबी काहीही असो, मानक सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरचा वापर शक्य होतो.
निष्कर्ष
LNOI तंत्रज्ञानाच्या जलद प्रगतीमुळे उद्योग एका सार्वत्रिक PIC प्लॅटफॉर्मच्या जवळ येतो जो विविध प्रकारच्या अनुप्रयोगांना सेवा देण्यास सक्षम आहे. विद्यमान आव्हानांना तोंड देऊन आणि मोनोलिथिक आणि डिटेक्टर इंटिग्रेशनमध्ये नवकल्पना पुढे नेऊन, LNOI-आधारित PIC मध्ये दूरसंचार, क्वांटम माहिती आणि सेन्सिंग सारख्या क्षेत्रात क्रांती घडवून आणण्याची क्षमता आहे.
EICs च्या यश आणि परिणामाशी जुळणारे स्केलेबल PICs चे दीर्घकालीन स्वप्न पूर्ण करण्याचे आश्वासन LNOI कडे आहे. नानजिंग फोटोनिक्स प्रोसेस प्लॅटफॉर्म आणि झियाओयाओटेक डिझाइन प्लॅटफॉर्म सारख्या सततच्या संशोधन आणि विकास प्रयत्नांमुळे एकात्मिक फोटोनिक्सचे भविष्य घडवण्यात आणि तंत्रज्ञानाच्या क्षेत्रात नवीन शक्यता उघडण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावली जाईल.
पोस्ट वेळ: जुलै-१८-२०२५