પરિચય
ઇલેક્ટ્રોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ્સ (EICs) ની સફળતાથી પ્રેરિત થઈને, ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ્સ (PICs) નું ક્ષેત્ર 1969 માં તેની શરૂઆતથી જ વિકસિત થઈ રહ્યું છે. જો કે, EICs થી વિપરીત, વિવિધ ફોટોનિક એપ્લિકેશનોને ટેકો આપવા સક્ષમ સાર્વત્રિક પ્લેટફોર્મનો વિકાસ એક મોટો પડકાર છે. આ લેખ ઉભરતી લિથિયમ નિઓબેટ ઓન ઇન્સ્યુલેટર (LNOI) ટેકનોલોજીની શોધ કરે છે, જે ઝડપથી આગામી પેઢીના PICs માટે એક આશાસ્પદ ઉકેલ બની ગઈ છે.
LNOI ટેકનોલોજીનો ઉદય
લિથિયમ નિયોબેટ (LN) લાંબા સમયથી ફોટોનિક એપ્લિકેશન્સ માટે મુખ્ય સામગ્રી તરીકે ઓળખાય છે. જો કે, પાતળા-ફિલ્મ LNOI અને અદ્યતન ફેબ્રિકેશન તકનીકોના આગમન સાથે જ તેની સંપૂર્ણ સંભાવના ખુલી છે. સંશોધકોએ LNOI પ્લેટફોર્મ્સ [1] પર અલ્ટ્રા-લો-લોસ રિજ વેવગાઇડ્સ અને અલ્ટ્રા-હાઇ-Q માઇક્રોરેઝોનેટર્સનું સફળતાપૂર્વક પ્રદર્શન કર્યું છે, જે સંકલિત ફોટોનિક્સમાં નોંધપાત્ર છલાંગ દર્શાવે છે.
LNOI ટેકનોલોજીના મુખ્ય ફાયદા
- અલ્ટ્રા-લો ઓપ્ટિકલ નુકશાન(0.01 dB/cm જેટલું ઓછું)
- ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા નેનોફોટોનિક માળખાં
- વિવિધ બિનરેખીય ઓપ્ટિકલ પ્રક્રિયાઓ માટે સપોર્ટ
- ઇન્ટિગ્રેટેડ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક (EO) ટ્યુનેબિલિટી
LNOI પર નોનલાઇનર ઓપ્ટિકલ પ્રક્રિયાઓ
LNOI પ્લેટફોર્મ પર બનાવેલ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન નેનોફોટોનિક માળખાં નોંધપાત્ર કાર્યક્ષમતા અને ન્યૂનતમ પંપ શક્તિ સાથે મુખ્ય બિન-રેખીય ઓપ્ટિકલ પ્રક્રિયાઓને અમલમાં મૂકવા સક્ષમ બનાવે છે. પ્રદર્શિત પ્રક્રિયાઓમાં શામેલ છે:
- બીજી હાર્મોનિક પેઢી (SHG)
- સમ ફ્રીક્વન્સી જનરેશન (SFG)
- ડિફરન્સ ફ્રીક્વન્સી જનરેશન (DFG)
- પેરામેટ્રિક ડાઉન-કન્વર્ઝન (PDC)
- ફોર-વેવ મિક્સિંગ (FWM)
આ પ્રક્રિયાઓને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે વિવિધ ફેઝ-મેચિંગ યોજનાઓ અમલમાં મૂકવામાં આવી છે, જેનાથી LNOI એક અત્યંત બહુમુખી નોનલાઇનર ઓપ્ટિકલ પ્લેટફોર્મ તરીકે સ્થાપિત થયું છે.
ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલી ટ્યુનેબલ ઇન્ટિગ્રેટેડ ડિવાઇસીસ
LNOI ટેકનોલોજીએ સક્રિય અને નિષ્ક્રિય ટ્યુનેબલ ફોટોનિક ઉપકરણોની વિશાળ શ્રેણીના વિકાસને પણ સક્ષમ બનાવ્યું છે, જેમ કે:
- હાઇ-સ્પીડ ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર
- ફરીથી ગોઠવી શકાય તેવા મલ્ટિફંક્શનલ PIC
- ટ્યુનેબલ ફ્રીક્વન્સી કોમ્બ્સ
- માઇક્રો-ઓપ્ટોમિકેનિકલ સ્પ્રિંગ્સ
આ ઉપકરણો પ્રકાશ સંકેતોનું ચોક્કસ, હાઇ-સ્પીડ નિયંત્રણ પ્રાપ્ત કરવા માટે લિથિયમ નિયોબેટના આંતરિક EO ગુણધર્મોનો ઉપયોગ કરે છે.
LNOI ફોટોનિક્સના વ્યવહારુ ઉપયોગો
LNOI-આધારિત PICs હવે વધતી જતી સંખ્યામાં વ્યવહારુ એપ્લિકેશનોમાં અપનાવવામાં આવી રહ્યા છે, જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
- માઇક્રોવેવ-ટુ-ઓપ્ટિકલ કન્વર્ટર
- ઓપ્ટિકલ સેન્સર્સ
- ઓન-ચિપ સ્પેક્ટ્રોમીટર્સ
- ઓપ્ટિકલ ફ્રીક્વન્સી કોમ્બ્સ
- અદ્યતન ટેલિકોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સ
આ એપ્લિકેશનો LNOI ની બલ્ક-ઓપ્ટિક ઘટકોના પ્રદર્શન સાથે મેળ ખાવાની ક્ષમતા દર્શાવે છે, જ્યારે ફોટોલિથોગ્રાફિક ફેબ્રિકેશન દ્વારા સ્કેલેબલ, ઊર્જા-કાર્યક્ષમ ઉકેલો પ્રદાન કરે છે.
વર્તમાન પડકારો અને ભવિષ્યની દિશાઓ
આશાસ્પદ પ્રગતિ હોવા છતાં, LNOI ટેકનોલોજી અનેક તકનીકી અવરોધોનો સામનો કરે છે:
a) ઓપ્ટિકલ નુકશાનમાં વધુ ઘટાડો
વર્તમાન વેવગાઇડ નુકશાન (0.01 dB/cm) હજુ પણ સામગ્રી શોષણ મર્યાદા કરતા ઘણી વધારે છે. સપાટીની ખરબચડીતા અને શોષણ-સંબંધિત ખામીઓને ઘટાડવા માટે આયન-સ્લાઇસિંગ તકનીકો અને નેનોફેબ્રિકેશનમાં પ્રગતિની જરૂર છે.
b) સુધારેલ વેવગાઇડ ભૂમિતિ નિયંત્રણ
ઉચ્ચ સંકલન ઘનતા માટે પુનરાવર્તિતતાનો ભોગ આપ્યા વિના અથવા પ્રચાર નુકશાન વધાર્યા વિના સબ-700 nm વેવગાઇડ્સ અને સબ-2 μm કપ્લિંગ ગેપ્સને સક્ષમ કરવું મહત્વપૂર્ણ છે.
c) કપલિંગ કાર્યક્ષમતા વધારવી
જ્યારે ટેપર્ડ ફાઇબર્સ અને મોડ કન્વર્ટર ઉચ્ચ કપલિંગ કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરવામાં મદદ કરે છે, ત્યારે એન્ટિ-રિફ્લેક્શન કોટિંગ્સ હવા-મટીરિયલ ઇન્ટરફેસ પ્રતિબિંબને વધુ ઘટાડી શકે છે.
d) ઓછા નુકસાનવાળા ધ્રુવીકરણ ઘટકોનો વિકાસ
LNOI પર ધ્રુવીકરણ-અસંવેદનશીલ ફોટોનિક ઉપકરણો આવશ્યક છે, જેમાં ફ્રી-સ્પેસ પોલરાઇઝર્સના પ્રદર્શન સાથે મેળ ખાતા ઘટકોની જરૂર પડે છે.
e) નિયંત્રણ ઇલેક્ટ્રોનિક્સનું એકીકરણ
ઓપ્ટિકલ કામગીરીને ઘટાડ્યા વિના મોટા પાયે નિયંત્રણ ઇલેક્ટ્રોનિક્સને અસરકારક રીતે સંકલિત કરવું એ એક મુખ્ય સંશોધન દિશા છે.
f) એડવાન્સ્ડ ફેઝ મેચિંગ અને ડિસ્પરશન એન્જિનિયરિંગ
બિન-રેખીય ઓપ્ટિક્સ માટે સબ-માઇક્રોન રિઝોલ્યુશન પર વિશ્વસનીય ડોમેન પેટર્નિંગ મહત્વપૂર્ણ છે પરંતુ LNOI પ્લેટફોર્મ પર તે એક અપરિપક્વ ટેકનોલોજી રહે છે.
g) ફેબ્રિકેશન ખામીઓ માટે વળતર
વાસ્તવિક દુનિયાના ઉપયોગ માટે પર્યાવરણીય ફેરફારો અથવા ફેબ્રિકેશન ભિન્નતાને કારણે ફેઝ શિફ્ટ ઘટાડવા માટેની તકનીકો આવશ્યક છે.
h) કાર્યક્ષમ મલ્ટી-ચિપ કપલિંગ
સિંગલ-વેફર ઇન્ટિગ્રેશન મર્યાદાથી આગળ વધવા માટે બહુવિધ LNOI ચિપ્સ વચ્ચે કાર્યક્ષમ જોડાણને સંબોધવું જરૂરી છે.
સક્રિય અને નિષ્ક્રિય ઘટકોનું મોનોલિથિક એકીકરણ
LNOI PIC માટે એક મુખ્ય પડકાર એ સક્રિય અને નિષ્ક્રિય ઘટકોનું ખર્ચ-અસરકારક મોનોલિથિક એકીકરણ છે જેમ કે:
- લેસરો
- ડિટેક્ટર
- બિનરેખીય તરંગલંબાઇ કન્વર્ટર
- મોડ્યુલેટર
- મલ્ટિપ્લેક્સર્સ/ડિમલ્ટિપ્લેક્સર્સ
વર્તમાન વ્યૂહરચનાઓ શામેલ છે:
a) LNOI નું આયન ડોપિંગ:
નિયુક્ત પ્રદેશોમાં સક્રિય આયનોનું પસંદગીયુક્ત ડોપિંગ ઓન-ચિપ પ્રકાશ સ્ત્રોતો તરફ દોરી શકે છે.
b) બંધન અને વિજાતીય એકીકરણ:
ડોપેડ LNOI સ્તરો અથવા III-V લેસર સાથે પ્રિ-ફેબ્રિકેટેડ પેસિવ LNOI PIC ને બોન્ડિંગ કરવાથી વૈકલ્પિક માર્ગ મળે છે.
c) હાઇબ્રિડ એક્ટિવ/પેસિવ LNOI વેફર ફેબ્રિકેશન:
એક નવીન અભિગમમાં આયન સ્લાઇસિંગ પહેલાં ડોપેડ અને અનડોપેડ LN વેફર્સને જોડવાનો સમાવેશ થાય છે, જેના પરિણામે સક્રિય અને નિષ્ક્રિય બંને ક્ષેત્રો સાથે LNOI વેફર બને છે.
આકૃતિ 1હાઇબ્રિડ ઇન્ટિગ્રેટેડ એક્ટિવ/પેસિવ PICs ની વિભાવનાને સમજાવે છે, જ્યાં એક જ લિથોગ્રાફિક પ્રક્રિયા બંને પ્રકારના ઘટકોના સીમલેસ ગોઠવણી અને એકીકરણને સક્ષમ બનાવે છે.
ફોટોડિટેક્ટર્સનું એકીકરણ
LNOI-આધારિત PIC માં ફોટોડિટેક્ટર્સનું સંકલન એ સંપૂર્ણ રીતે કાર્યરત સિસ્ટમો તરફનું બીજું એક મહત્વપૂર્ણ પગલું છે. બે પ્રાથમિક અભિગમોની તપાસ ચાલી રહી છે:
a) વિજાતીય એકીકરણ:
સેમિકન્ડક્ટર નેનોસ્ટ્રક્ચર્સને LNOI વેવગાઇડ્સ સાથે ક્ષણિક રીતે જોડી શકાય છે. જો કે, શોધ કાર્યક્ષમતા અને માપનીયતામાં હજુ પણ સુધારાની જરૂર છે.
b) બિનરેખીય તરંગલંબાઇ રૂપાંતર:
LN ના બિનરેખીય ગુણધર્મો વેવગાઇડ્સમાં ફ્રીક્વન્સી રૂપાંતરણને મંજૂરી આપે છે, જે કાર્યકારી તરંગલંબાઇને ધ્યાનમાં લીધા વિના પ્રમાણભૂત સિલિકોન ફોટોડિટેક્ટરનો ઉપયોગ સક્ષમ બનાવે છે.
નિષ્કર્ષ
LNOI ટેકનોલોજીનો ઝડપી વિકાસ ઉદ્યોગને એક સાર્વત્રિક PIC પ્લેટફોર્મની નજીક લાવે છે જે વિવિધ પ્રકારના એપ્લિકેશનોને સેવા આપવા સક્ષમ છે. હાલના પડકારોને સંબોધીને અને મોનોલિથિક અને ડિટેક્ટર એકીકરણમાં નવીનતાઓને આગળ ધપાવીને, LNOI-આધારિત PICs ટેલિકોમ્યુનિકેશન, ક્વોન્ટમ માહિતી અને સેન્સિંગ જેવા ક્ષેત્રોમાં ક્રાંતિ લાવવાની ક્ષમતા ધરાવે છે.
LNOI સ્કેલેબલ PICs ના લાંબા સમયથી ચાલતા વિઝનને પૂર્ણ કરવાનું વચન ધરાવે છે, જે EICs ની સફળતા અને અસર સાથે મેળ ખાય છે. સતત R&D પ્રયાસો - જેમ કે નાનજિંગ ફોટોનિક્સ પ્રોસેસ પ્લેટફોર્મ અને XiaoyaoTech ડિઝાઇન પ્લેટફોર્મ - સંકલિત ફોટોનિક્સના ભવિષ્યને આકાર આપવામાં અને ટેકનોલોજી ડોમેન્સમાં નવી શક્યતાઓ ખોલવામાં મહત્વપૂર્ણ રહેશે.
પોસ્ટ સમય: જુલાઈ-૧૮-૨૦૨૫