परिचय
इलेक्ट्रॉनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (ईआईसी) की सफलता से प्रेरित होकर, फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (पीआईसी) का क्षेत्र 1969 में अपनी स्थापना के बाद से लगातार विकसित हो रहा है। हालांकि, ईआईसी के विपरीत, विविध फोटोनिक अनुप्रयोगों को समर्थन देने में सक्षम एक सार्वभौमिक प्लेटफॉर्म का विकास अभी भी एक बड़ी चुनौती बना हुआ है। यह लेख उभरती हुई लिथियम नायोबेट ऑन इंसुलेटर (एलएएनओआई) तकनीक का विश्लेषण करता है, जो तेजी से अगली पीढ़ी के पीआईसी के लिए एक आशाजनक समाधान के रूप में उभर रही है।
एलएनओआई प्रौद्योगिकी का उदय
लिथियम नायोबेट (LN) को लंबे समय से फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए एक प्रमुख सामग्री के रूप में मान्यता प्राप्त है। हालांकि, पतली-फिल्म LNOI और उन्नत निर्माण तकनीकों के आगमन के साथ ही इसकी पूरी क्षमता का पता चला है। शोधकर्ताओं ने LNOI प्लेटफार्मों पर अल्ट्रा-लो-लॉस रिज वेवगाइड्स और अल्ट्रा-हाई-क्यू माइक्रोरेजोनेटर्स का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है [1], जो एकीकृत फोटोनिक्स में एक महत्वपूर्ण छलांग है।
एलएनओआई प्रौद्योगिकी के प्रमुख लाभ
- अत्यंत कम प्रकाशीय हानि(0.01 dB/cm जितना कम)
- उच्च गुणवत्ता वाली नैनोफोटोनिक संरचनाएं
- विविध गैर-रेखीय प्रकाशिक प्रक्रियाओं के लिए समर्थन
- एकीकृत इलेक्ट्रो-ऑप्टिक (ईओ) ट्यूनेबिलिटी
LNOI पर अरैखिक प्रकाशिक प्रक्रियाएँ
LNOI प्लेटफॉर्म पर निर्मित उच्च-प्रदर्शन नैनोफोटोनिक संरचनाएं उल्लेखनीय दक्षता और न्यूनतम पंप शक्ति के साथ प्रमुख गैर-रेखीय प्रकाशीय प्रक्रियाओं को साकार करने में सक्षम बनाती हैं। प्रदर्शित प्रक्रियाओं में शामिल हैं:
- द्वितीय हार्मोनिक जनरेशन (एसएचजी)
- योग आवृत्ति उत्पादन (एसएफजी)
- अंतर आवृत्ति उत्पादन (डीएफजी)
- पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन (पीडीसी)
- चार-तरंग मिश्रण (एफडब्ल्यूएम)
इन प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए विभिन्न चरण-मिलान योजनाओं को लागू किया गया है, जिससे एलएनओआई एक अत्यधिक बहुमुखी गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म के रूप में स्थापित हो गया है।
इलेक्ट्रो-ऑप्टिकली ट्यूनेबल इंटीग्रेटेड डिवाइसेस
एलएनओआई तकनीक ने सक्रिय और निष्क्रिय ट्यूनेबल फोटोनिक उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला के विकास को भी संभव बनाया है, जैसे कि:
- उच्च गति वाले ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर
- पुन: विन्यास योग्य बहुक्रियाशील पीआईसी
- ट्यून करने योग्य आवृत्ति कंघी
- माइक्रो-ऑप्टोमैकेनिकल स्प्रिंग्स
ये उपकरण प्रकाश संकेतों के सटीक और उच्च गति नियंत्रण को प्राप्त करने के लिए लिथियम नायोबेट के आंतरिक ईओ गुणों का लाभ उठाते हैं।
एलएनओआई फोटोनिक्स के व्यावहारिक अनुप्रयोग
LNOI-आधारित PICs को अब कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अपनाया जा रहा है, जिनमें शामिल हैं:
- माइक्रोवेव-से-ऑप्टिकल कन्वर्टर
- ऑप्टिकल सेंसर
- ऑन-चिप स्पेक्ट्रोमीटर
- ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी
- उन्नत दूरसंचार प्रणालियाँ
ये अनुप्रयोग बल्क-ऑप्टिक घटकों के प्रदर्शन से मेल खाने के लिए एलएनओआई की क्षमता को प्रदर्शित करते हैं, साथ ही फोटोलिथोग्राफिक निर्माण के माध्यम से स्केलेबल, ऊर्जा-कुशल समाधान प्रदान करते हैं।
वर्तमान चुनौतियाँ और भविष्य की दिशाएँ
अपनी आशाजनक प्रगति के बावजूद, एलएनओआई तकनीक को कई तकनीकी बाधाओं का सामना करना पड़ता है:
a) प्रकाशीय हानि को और कम करना
वर्तमान वेवगाइड हानि (0.01 dB/cm) अभी भी पदार्थ की अवशोषण सीमा से काफी अधिक है। सतह की खुरदरापन और अवशोषण संबंधी दोषों को कम करने के लिए आयन-स्लाइसिंग तकनीकों और नैनोफैब्रिकेशन में प्रगति की आवश्यकता है।
b) बेहतर वेवगाइड ज्यामिति नियंत्रण
उच्च एकीकरण घनत्व के लिए, पुनरावृत्ति क्षमता का त्याग किए बिना या प्रसार हानि को बढ़ाए बिना 700 एनएम से कम के वेवगाइड और 2 μm से कम के कपलिंग गैप को सक्षम बनाना महत्वपूर्ण है।
ग) युग्मन दक्षता बढ़ाना
टेपर्ड फाइबर और मोड कन्वर्टर उच्च कपलिंग दक्षता प्राप्त करने में मदद करते हैं, वहीं एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स वायु-सामग्री इंटरफ़ेस प्रतिबिंबों को और कम कर सकती हैं।
d) कम हानि वाले ध्रुवीकरण घटकों का विकास
एलएनओआई पर ध्रुवीकरण-असंवेदनशील फोटोनिक उपकरण आवश्यक हैं, जिसके लिए ऐसे घटकों की आवश्यकता होती है जो मुक्त-स्थान ध्रुवीकरणकर्ताओं के प्रदर्शन से मेल खाते हों।
ई) नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स का एकीकरण
ऑप्टिकल प्रदर्शन को खराब किए बिना बड़े पैमाने पर नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को प्रभावी ढंग से एकीकृत करना एक प्रमुख अनुसंधान दिशा है।
f) उन्नत चरण मिलान और फैलाव इंजीनियरिंग
सब-माइक्रोन रिज़ॉल्यूशन पर विश्वसनीय डोमेन पैटर्निंग नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन एलएनओआई प्लेटफॉर्म पर यह अभी भी एक अपरिपक्व तकनीक है।
जी) निर्माण दोषों के लिए मुआवजा
पर्यावरणीय परिवर्तनों या निर्माण संबंधी भिन्नताओं के कारण होने वाले चरण परिवर्तनों को कम करने की तकनीकें वास्तविक दुनिया में उपयोग के लिए आवश्यक हैं।
h) कुशल मल्टी-चिप कपलिंग
सिंगल-वेफर इंटीग्रेशन की सीमाओं से आगे बढ़ने के लिए कई LNOI चिप्स के बीच कुशल कपलिंग को संबोधित करना आवश्यक है।
सक्रिय और निष्क्रिय घटकों का अखंड एकीकरण
एलएनओआई पीआईसी के लिए एक प्रमुख चुनौती सक्रिय और निष्क्रिय घटकों का लागत प्रभावी अखंड एकीकरण है, जैसे कि:
- लेजर
- डिटेक्टरों
- नॉनलाइनियर वेवलेंथ कन्वर्टर्स
- माड्युलेटर्स
- मल्टीप्लेक्सर/डीमल्टीप्लेक्सर
वर्तमान रणनीतियों में निम्नलिखित शामिल हैं:
ए) एलएनओआई का आयन डोपिंग:
निर्दिष्ट क्षेत्रों में सक्रिय आयनों की चयनात्मक डोपिंग से ऑन-चिप प्रकाश स्रोत विकसित किए जा सकते हैं।
b) बंधन और विषम एकीकरण:
डोप्ड एलएनओआई परतों या III-V लेजरों के साथ पूर्व-निर्मित निष्क्रिय एलएनओआई पीआईसी को जोड़ना एक वैकल्पिक मार्ग प्रदान करता है।
सी) हाइब्रिड एक्टिव/पैसिव एलएनओआई वेफर फैब्रिकेशन:
एक अभिनव दृष्टिकोण में आयन स्लाइसिंग से पहले डोप्ड और अनडोप्ड एलएन वेफर्स को आपस में जोड़ना शामिल है, जिसके परिणामस्वरूप सक्रिय और निष्क्रिय दोनों क्षेत्रों वाले एलएनओआई वेफर्स प्राप्त होते हैं।
चित्र 1यह हाइब्रिड इंटीग्रेटेड एक्टिव/पैसिव पीआईसी की अवधारणा को दर्शाता है, जहां एक ही लिथोग्राफिक प्रक्रिया दोनों प्रकार के घटकों के निर्बाध संरेखण और एकीकरण को सक्षम बनाती है।
फोटोडिटेक्टरों का एकीकरण
LNOI-आधारित PIC में फोटोडिटेक्टरों को एकीकृत करना पूर्णतः कार्यात्मक प्रणालियों की दिशा में एक और महत्वपूर्ण कदम है। दो प्राथमिक दृष्टिकोणों पर शोध चल रहा है:
ए) विषम एकीकरण:
सेमीकंडक्टर नैनोस्ट्रक्चर को अस्थायी रूप से एलएनओआई वेवगाइड्स से जोड़ा जा सकता है। हालांकि, पता लगाने की दक्षता और स्केलेबिलिटी में सुधार की अभी भी आवश्यकता है।
b) अरैखिक तरंगदैर्ध्य रूपांतरण:
एलएन के गैर-रेखीय गुण वेवगाइड के भीतर आवृत्ति रूपांतरण की अनुमति देते हैं, जिससे ऑपरेटिंग तरंगदैर्ध्य की परवाह किए बिना मानक सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरों का उपयोग संभव हो जाता है।
निष्कर्ष
एलएनओआई तकनीक की तीव्र प्रगति उद्योग को एक ऐसे सार्वभौमिक पीआईसी प्लेटफॉर्म के करीब ला रही है जो विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोगी होगा। मोनोलिथिक और डिटेक्टर एकीकरण में मौजूदा चुनौतियों का समाधान करते हुए और नवाचारों को आगे बढ़ाते हुए, एलएनओआई-आधारित पीआईसी में दूरसंचार, क्वांटम सूचना और संवेदन जैसे क्षेत्रों में क्रांतिकारी बदलाव लाने की क्षमता है।
LNOI में स्केलेबल PICs की दीर्घकालिक परिकल्पना को साकार करने और EICs की सफलता और प्रभाव के अनुरूप परिणाम प्राप्त करने की क्षमता है। नानजिंग फोटोनिक्स प्रोसेस प्लेटफॉर्म और शियाओयाओटेक डिजाइन प्लेटफॉर्म जैसे निरंतर अनुसंधान एवं विकास प्रयास एकीकृत फोटोनिक्स के भविष्य को आकार देने और प्रौद्योगिकी के विभिन्न क्षेत्रों में नई संभावनाओं को खोलने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे।
पोस्ट करने का समय: 18 जुलाई 2025