लिथियम नियोबेट ऑन इंसुलेटर (LNOI): फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट की उन्नति को बढ़ावा देना

परिचय

इलेक्ट्रॉनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (EIC) की सफलता से प्रेरित होकर, फोटोनिक इंटीग्रेटेड सर्किट (PIC) का क्षेत्र 1969 में अपनी शुरुआत से ही विकसित हो रहा है। हालाँकि, EIC के विपरीत, विविध फोटोनिक अनुप्रयोगों का समर्थन करने में सक्षम एक सार्वभौमिक प्लेटफ़ॉर्म का विकास एक बड़ी चुनौती बना हुआ है। यह लेख उभरती हुई लिथियम नियोबेट ऑन इंसुलेटर (LNOI) तकनीक पर चर्चा करता है, जो अगली पीढ़ी के PIC के लिए तेज़ी से एक आशाजनक समाधान बन गई है।

एलएनओआई प्रौद्योगिकी का उदय

लिथियम नाइओबेट (LN) को लंबे समय से फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए एक प्रमुख पदार्थ माना जाता रहा है। हालाँकि, 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 वेवगाइड और अल्ट्रा-हाई-क्यू माइक्रोरेसोनेटर का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है [1], जो एकीकृत फोटोनिक्स में एक महत्वपूर्ण छलांग है।

एलएनओआई प्रौद्योगिकी के प्रमुख लाभ

• अति-निम्न ऑप्टिकल हानि(0.01 डीबी/सेमी जितना कम)
• उच्च गुणवत्ता वाली नैनोफोटोनिक संरचनाएं
• विविध गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्रक्रियाओं के लिए समर्थन
• एकीकृत इलेक्ट्रो-ऑप्टिक (ईओ) ट्यूनेबिलिटी

LNOI पर गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्रक्रियाएं

एलएनओआई प्लेटफ़ॉर्म पर निर्मित उच्च-प्रदर्शन नैनोफोटोनिक संरचनाएँ उल्लेखनीय दक्षता और न्यूनतम पंप शक्ति के साथ प्रमुख अरैखिक प्रकाशिक प्रक्रियाओं को साकार करने में सक्षम बनाती हैं। प्रदर्शित प्रक्रियाओं में शामिल हैं:

• द्वितीय हार्मोनिक पीढ़ी (एसएचजी)
• योग आवृत्ति उत्पादन (एसएफजी)
• अंतर आवृत्ति उत्पादन (डीएफजी)
• पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्ज़न (PDC)
• चार-तरंग मिश्रण (FWM)

इन प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए विभिन्न चरण-मिलान योजनाएं क्रियान्वित की गई हैं, जिससे LNOI एक अत्यधिक बहुमुखी गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म के रूप में स्थापित हो गया है।

इलेक्ट्रो-ऑप्टिकली ट्यूनेबल एकीकृत उपकरण

एलएनओआई प्रौद्योगिकी ने सक्रिय और निष्क्रिय ट्यूनेबल फोटोनिक उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला के विकास को भी सक्षम बनाया है, जैसे:

• उच्च गति ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर
• पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य बहुक्रियाशील PICs
• ट्यूनेबल आवृत्ति कंघे
• माइक्रो-ऑप्टोमैकेनिकल स्प्रिंग्स

ये उपकरण प्रकाश संकेतों के सटीक, उच्च गति नियंत्रण को प्राप्त करने के लिए लिथियम नियोबेट के आंतरिक ईओ गुणों का लाभ उठाते हैं।

एलएनओआई फोटोनिक्स के व्यावहारिक अनुप्रयोग

एलएनओआई-आधारित पीआईसी को अब बढ़ती संख्या में व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अपनाया जा रहा है, जिनमें शामिल हैं:

• माइक्रोवेव-टू-ऑप्टिकल कन्वर्टर्स
• ऑप्टिकल सेंसर
• ऑन-चिप स्पेक्ट्रोमीटर
• ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी
• उन्नत दूरसंचार प्रणालियाँ

ये अनुप्रयोग, फोटोलिथोग्राफिक फैब्रिकेशन के माध्यम से मापनीय, ऊर्जा-कुशल समाधान प्रदान करते हुए, बल्क-ऑप्टिक घटकों के प्रदर्शन से मेल खाने के लिए LNOI की क्षमता को प्रदर्शित करते हैं।

वर्तमान चुनौतियाँ और भविष्य की दिशाएँ

अपनी आशाजनक प्रगति के बावजूद, एलएनओआई प्रौद्योगिकी को कई तकनीकी बाधाओं का सामना करना पड़ रहा है:

a) ऑप्टिकल हानि को और कम करना
धारा वेवगाइड हानि (0.01 dB/cm) अभी भी पदार्थ अवशोषण सीमा से एक क्रम परिमाण अधिक है। सतह की खुरदरापन और अवशोषण-संबंधी दोषों को कम करने के लिए आयन-स्लाइसिंग तकनीकों और नैनोफैब्रिकेशन में प्रगति आवश्यक है।

b) बेहतर वेवगाइड ज्यामिति नियंत्रण
पुनरावृत्ति का त्याग किए बिना या प्रसार हानि को बढ़ाए बिना 700 एनएम से कम वेवगाइड और 2 माइक्रोन से कम युग्मन अंतराल को सक्षम करना उच्च एकीकरण घनत्व के लिए महत्वपूर्ण है।

c) युग्मन दक्षता में वृद्धि
जबकि टेपर्ड फाइबर और मोड कन्वर्टर्स उच्च युग्मन दक्षता प्राप्त करने में मदद करते हैं, एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स वायु-सामग्री इंटरफेस प्रतिबिंबों को और कम कर सकती हैं।

घ) कम-नुकसान ध्रुवीकरण घटकों का विकास
एलएनओआई पर ध्रुवीकरण-असंवेदनशील फोटोनिक उपकरण आवश्यक हैं, जिनके 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 कम किए बिना बड़े पैमाने पर नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को प्रभावी ढंग से एकीकृत करना एक प्रमुख अनुसंधान दिशा है।

च) उन्नत चरण मिलान और फैलाव इंजीनियरिंग
उप-माइक्रोन रिज़ॉल्यूशन पर विश्वसनीय डोमेन पैटर्निंग गैर-रेखीय प्रकाशिकी के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन LNOI प्लेटफॉर्म पर यह एक अपरिपक्व तकनीक बनी हुई है।

छ) निर्माण दोषों के लिए मुआवजा
पर्यावरणीय परिवर्तनों या निर्माण भिन्नताओं के कारण होने वाले चरण परिवर्तनों को कम करने की तकनीकें वास्तविक दुनिया में तैनाती के लिए आवश्यक हैं।

h) कुशल मल्टी-चिप युग्मन
एकल-वेफर एकीकरण सीमाओं से आगे बढ़ने के लिए कई LNOI चिप्स के बीच कुशल युग्मन को संबोधित करना आवश्यक है।

सक्रिय और निष्क्रिय घटकों का अखंड एकीकरण

एलएनओआई पीआईसी के लिए एक मुख्य चुनौती सक्रिय और निष्क्रिय घटकों का लागत प्रभावी अखंड एकीकरण है जैसे:

• लेजर
• डिटेक्टरों
• अरेखीय तरंगदैर्ध्य परिवर्तक
• माड्युलेटर्स
• मल्टीप्लेक्सर्स/डिमल्टीप्लेक्सर्स

वर्तमान रणनीतियों में शामिल हैं:

क) एलएनओआई का आयन डोपिंग:
निर्दिष्ट क्षेत्रों में सक्रिय आयनों के चयनात्मक डोपिंग से ऑन-चिप प्रकाश स्रोत उत्पन्न हो सकते हैं।

ख) बंधन और विषम एकीकरण:
पूर्व-निर्मित निष्क्रिय LNOI PICs को डोप्ड LNOI परतों या III-V लेज़रों के साथ जोड़ना एक वैकल्पिक मार्ग प्रदान करता है।

ग) हाइब्रिड सक्रिय/निष्क्रिय एलएनओआई वेफर निर्माण:
एक नवीन दृष्टिकोण में आयन स्लाइसिंग से पहले डोप किए गए और अनडोप किए गए एलएन वेफर्स को जोड़ना शामिल है, जिसके परिणामस्वरूप सक्रिय और निष्क्रिय दोनों क्षेत्रों वाले एलएनओआई वेफर्स बनते हैं।

चित्र 1हाइब्रिड एकीकृत सक्रिय/निष्क्रिय पीआईसी की अवधारणा को दर्शाता है, जहां एक एकल लिथोग्राफिक प्रक्रिया दोनों प्रकार के घटकों के निर्बाध संरेखण और एकीकरण को सक्षम बनाती है।

फोटोडिटेक्टरों का एकीकरण

फोटोडिटेक्टरों को LNOI-आधारित PICs में एकीकृत करना, पूर्णतः कार्यात्मक प्रणालियों की दिशा में एक और महत्वपूर्ण कदम है। दो प्राथमिक दृष्टिकोणों पर शोध किया जा रहा है:

क) विषमांगी एकीकरण:
अर्धचालक नैनो संरचनाओं को LNOI वेवगाइड्स से अस्थायी रूप से जोड़ा जा सकता है। हालाँकि, संसूचन दक्षता और मापनीयता में सुधार अभी भी आवश्यक है।

ख) अरेखीय तरंगदैर्ध्य रूपांतरण:
एलएन के अरैखिक गुण वेवगाइड के भीतर आवृत्ति रूपांतरण की अनुमति देते हैं, जिससे प्रचालन तरंगदैर्घ्य की परवाह किए बिना मानक सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरों का उपयोग संभव हो जाता है।

निष्कर्ष

एलएनओआई तकनीक की तीव्र प्रगति उद्योग को एक सार्वभौमिक पीआईसी प्लेटफ़ॉर्म के करीब लाती है जो व्यापक अनुप्रयोगों की सेवा करने में सक्षम है। मौजूदा चुनौतियों का समाधान करके और मोनोलिथिक तथा डिटेक्टर एकीकरण में नवाचारों को आगे बढ़ाकर, एलएनओआई-आधारित पीआईसी दूरसंचार, क्वांटम सूचना और संवेदन जैसे क्षेत्रों में क्रांति लाने की क्षमता रखते हैं।

एलएनओआई, ईआईसी की सफलता और प्रभाव के अनुरूप, स्केलेबल पीआईसी के दीर्घकालिक दृष्टिकोण को पूरा करने का वादा करता है। निरंतर अनुसंधान एवं विकास प्रयास—जैसे कि नानजिंग फोटोनिक्स प्रोसेस प्लेटफॉर्म और शियाओयाओटेक डिज़ाइन प्लेटफॉर्म—एकीकृत फोटोनिक्स के भविष्य को आकार देने और प्रौद्योगिकी क्षेत्रों में नई संभावनाओं को उजागर करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे।