ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് ഓൺ ഇൻസുലേറ്റർ (LNOI): ഫോട്ടോണിക് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുടെ പുരോഗതിയെ നയിക്കുന്നു.

ആമുഖം

ഇലക്ട്രോണിക് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുടെ (EICs) വിജയത്തിൽ നിന്ന് പ്രചോദനം ഉൾക്കൊണ്ട്, 1969-ൽ സ്ഥാപിതമായതുമുതൽ ഫോട്ടോണിക് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുടെ (PICs) മേഖല വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, EIC-കളിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, വൈവിധ്യമാർന്ന ഫോട്ടോണിക് ആപ്ലിക്കേഷനുകളെ പിന്തുണയ്ക്കാൻ കഴിവുള്ള ഒരു സാർവത്രിക പ്ലാറ്റ്‌ഫോമിന്റെ വികസനം ഒരു പ്രധാന വെല്ലുവിളിയായി തുടരുന്നു. അടുത്ത തലമുറ PIC-കൾക്ക് അതിവേഗം ഒരു വാഗ്ദാന പരിഹാരമായി മാറിയിരിക്കുന്ന ഉയർന്നുവരുന്ന ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് ഓൺ ഇൻസുലേറ്റർ (LNOI) സാങ്കേതികവിദ്യയെ ഈ ലേഖനം പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യുന്നു.

എൽ‌എൻ‌ഒ‌ഐ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ഉയർച്ച

ഫോട്ടോണിക് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കുള്ള ഒരു പ്രധാന വസ്തുവായി ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് (LN) വളരെക്കാലമായി അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. എന്നിരുന്നാലും, നേർത്ത ഫിലിം LNOI യുടെയും നൂതന നിർമ്മാണ സാങ്കേതിക വിദ്യകളുടെയും ആവിർഭാവത്തോടെ മാത്രമേ അതിന്റെ പൂർണ്ണ ശേഷി വെളിപ്പെടുത്താൻ കഴിഞ്ഞുള്ളൂ. LNOI പ്ലാറ്റ്‌ഫോമുകളിൽ [1] അൾട്രാ-ലോ-ലോസ് റിഡ്ജ് വേവ്‌ഗൈഡുകളും അൾട്രാ-ഹൈ-ക്യു മൈക്രോറെസണേറ്ററുകളും ഗവേഷകർ വിജയകരമായി പ്രദർശിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ട്, ഇത് സംയോജിത ഫോട്ടോണിക്‌സിൽ ഒരു പ്രധാന കുതിച്ചുചാട്ടം അടയാളപ്പെടുത്തുന്നു.

LNOI സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പ്രധാന നേട്ടങ്ങൾ

• വളരെ കുറഞ്ഞ ഒപ്റ്റിക്കൽ നഷ്ടം(0.01 dB/cm വരെ കുറവ്)
• ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള നാനോഫോട്ടോണിക് ഘടനകൾ
• വൈവിധ്യമാർന്ന നോൺലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രക്രിയകൾക്കുള്ള പിന്തുണ
• ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് ഇലക്ട്രോ-ഒപ്റ്റിക് (EO) ട്യൂണബിലിറ്റി

LNOI-യിലെ നോൺലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രക്രിയകൾ

LNOI പ്ലാറ്റ്‌ഫോമിൽ നിർമ്മിച്ച ഉയർന്ന പ്രകടനമുള്ള നാനോഫോട്ടോണിക് ഘടനകൾ ശ്രദ്ധേയമായ കാര്യക്ഷമതയും കുറഞ്ഞ പമ്പ് പവറും ഉപയോഗിച്ച് പ്രധാന നോൺലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രക്രിയകളുടെ യാഥാർത്ഥ്യമാക്കൽ സാധ്യമാക്കുന്നു. പ്രദർശിപ്പിച്ച പ്രക്രിയകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• രണ്ടാം ഹാർമോണിക് തലമുറ (SHG)
• സം ഫ്രീക്വൻസി ജനറേഷൻ (SFG)
• ഡിഫറൻസ് ഫ്രീക്വൻസി ജനറേഷൻ (DFG)
• പാരാമെട്രിക് ഡൗൺ-കൺവേർഷൻ (PDC)
• ഫോർ-വേവ് മിക്സിംഗ് (FWM)

ഈ പ്രക്രിയകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിനായി വിവിധ ഫേസ്-മാച്ചിംഗ് സ്കീമുകൾ നടപ്പിലാക്കിയിട്ടുണ്ട്, ഇത് LNOI-യെ വളരെ വൈവിധ്യമാർന്ന ഒരു നോൺ-ലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്ലാറ്റ്‌ഫോമായി സ്ഥാപിക്കുന്നു.

ഇലക്ട്രോ-ഒപ്റ്റിക്കലി ട്യൂണബിൾ ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് ഉപകരണങ്ങൾ

LNOI സാങ്കേതികവിദ്യ വിവിധ തരം സജീവവും നിഷ്ക്രിയവുമായ ട്യൂണബിൾ ഫോട്ടോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടെ വികസനം സാധ്യമാക്കിയിട്ടുണ്ട്, ഉദാഹരണത്തിന്:

• ഹൈ-സ്പീഡ് ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്ററുകൾ
• പുനഃക്രമീകരിക്കാവുന്ന മൾട്ടിഫങ്ഷണൽ PIC-കൾ
• ട്യൂൺ ചെയ്യാവുന്ന ഫ്രീക്വൻസി കോമ്പുകൾ
• മൈക്രോ-ഒപ്റ്റോമെക്കാനിക്കൽ സ്പ്രിംഗുകൾ

പ്രകാശ സിഗ്നലുകളുടെ കൃത്യവും അതിവേഗവുമായ നിയന്ത്രണം കൈവരിക്കുന്നതിന് ഈ ഉപകരണങ്ങൾ ലിഥിയം നിയോബേറ്റിന്റെ ആന്തരിക EO ഗുണങ്ങളെ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു.

LNOI ഫോട്ടോണിക്‌സിന്റെ പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങൾ

LNOI-അധിഷ്ഠിത PIC-കൾ ഇപ്പോൾ വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന നിരവധി പ്രായോഗിക ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ സ്വീകരിക്കപ്പെടുന്നു, അവയിൽ ചിലത് ഇവയാണ്:

• മൈക്രോവേവ്-ടു-ഒപ്റ്റിക്കൽ കൺവെർട്ടറുകൾ
• ഒപ്റ്റിക്കൽ സെൻസറുകൾ
• ഓൺ-ചിപ്പ് സ്പെക്ട്രോമീറ്ററുകൾ
• ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫ്രീക്വൻസി ചീപ്പുകൾ
• നൂതന ടെലികമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ സംവിധാനങ്ങൾ

ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫിക് ഫാബ്രിക്കേഷനിലൂടെ സ്കെയിലബിൾ, ഊർജ്ജ-കാര്യക്ഷമമായ പരിഹാരങ്ങൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നതിനിടയിൽ, ബൾക്ക്-ഒപ്റ്റിക് ഘടകങ്ങളുടെ പ്രകടനവുമായി പൊരുത്തപ്പെടാൻ LNOI യുടെ കഴിവ് ഈ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ പ്രകടമാക്കുന്നു.

നിലവിലെ വെല്ലുവിളികളും ഭാവി ദിശകളും

പ്രതീക്ഷ നൽകുന്ന പുരോഗതി ഉണ്ടായിരുന്നിട്ടും, LNOI സാങ്കേതികവിദ്യ നിരവധി സാങ്കേതിക തടസ്സങ്ങൾ നേരിടുന്നു:

a) ഒപ്റ്റിക്കൽ നഷ്ടം കൂടുതൽ കുറയ്ക്കൽ
നിലവിലെ വേവ്ഗൈഡ് നഷ്ടം (0.01 dB/cm) ഇപ്പോഴും മെറ്റീരിയൽ ആഗിരണം പരിധിയേക്കാൾ കൂടുതലാണ്. ഉപരിതല പരുക്കനും ആഗിരണം സംബന്ധിച്ച വൈകല്യങ്ങളും കുറയ്ക്കുന്നതിന് അയോൺ-സ്ലൈസിംഗ് ടെക്നിക്കുകളിലും നാനോഫാബ്രിക്കേഷനിലും പുരോഗതി ആവശ്യമാണ്.

b) മെച്ചപ്പെട്ട വേവ്ഗൈഡ് ജ്യാമിതി നിയന്ത്രണം
ഉയർന്ന സംയോജന സാന്ദ്രതയ്ക്ക്, ആവർത്തനക്ഷമതയെ ബലികഴിക്കാതെയോ പ്രചാരണ നഷ്ടം വർദ്ധിപ്പിക്കാതെയോ സബ്-700 nm വേവ്ഗൈഡുകളും സബ്-2 μm കപ്ലിംഗ് വിടവുകളും പ്രാപ്തമാക്കുന്നത് നിർണായകമാണ്.

സി) കപ്ലിംഗ് കാര്യക്ഷമത വർദ്ധിപ്പിക്കൽ
ടേപ്പർഡ് ഫൈബറുകളും മോഡ് കൺവെർട്ടറുകളും ഉയർന്ന കപ്ലിംഗ് കാര്യക്ഷമത കൈവരിക്കാൻ സഹായിക്കുമ്പോൾ, ആന്റി-റിഫ്ലക്ഷൻ കോട്ടിംഗുകൾക്ക് വായു-മെറ്റീരിയൽ ഇന്റർഫേസ് പ്രതിഫലനങ്ങളെ കൂടുതൽ ലഘൂകരിക്കാൻ കഴിയും.

d) കുറഞ്ഞ നഷ്ടമുള്ള ധ്രുവീകരണ ഘടകങ്ങളുടെ വികസനം
LNOI-യിലെ പോളറൈസേഷൻ-ഇൻസെൻസിറ്റീവ് ഫോട്ടോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ അത്യാവശ്യമാണ്, ഫ്രീ-സ്പേസ് പോളറൈസറുകളുടെ പ്രകടനവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്ന ഘടകങ്ങൾ ആവശ്യമാണ്.

e) നിയന്ത്രണ ഇലക്ട്രോണിക്സുകളുടെ സംയോജനം
ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രകടനം മോശമാക്കാതെ വലിയ തോതിലുള്ള നിയന്ത്രണ ഇലക്ട്രോണിക്സുകളെ ഫലപ്രദമായി സംയോജിപ്പിക്കുക എന്നത് ഒരു പ്രധാന ഗവേഷണ ദിശയാണ്.

f) അഡ്വാൻസ്ഡ് ഫേസ് മാച്ചിംഗ് ആൻഡ് ഡിസ്പർഷൻ എഞ്ചിനീയറിംഗ്
നോൺ-ലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്‌സിന് സബ്-മൈക്രോൺ റെസല്യൂഷനിൽ വിശ്വസനീയമായ ഡൊമെയ്ൻ പാറ്റേണിംഗ് അത്യന്താപേക്ഷിതമാണ്, പക്ഷേ LNOI പ്ലാറ്റ്‌ഫോമിൽ ഇപ്പോഴും ഒരു അപക്വമായ സാങ്കേതികവിദ്യയാണ്.

g) ഫാബ്രിക്കേഷൻ വൈകല്യങ്ങൾക്കുള്ള നഷ്ടപരിഹാരം
പാരിസ്ഥിതിക മാറ്റങ്ങളോ നിർമ്മാണ വ്യതിയാനങ്ങളോ മൂലമുണ്ടാകുന്ന ഘട്ടം മാറ്റങ്ങൾ ലഘൂകരിക്കുന്നതിനുള്ള സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ യഥാർത്ഥ ലോക വിന്യാസത്തിന് അത്യാവശ്യമാണ്.

h) കാര്യക്ഷമമായ മൾട്ടി-ചിപ്പ് കപ്ലിംഗ്
സിംഗിൾ-വേഫർ ഇന്റഗ്രേഷൻ പരിധികൾക്കപ്പുറം സ്കെയിൽ ചെയ്യുന്നതിന് ഒന്നിലധികം LNOI ചിപ്പുകൾ തമ്മിലുള്ള കാര്യക്ഷമമായ കപ്ലിംഗ് അഭിസംബോധന ചെയ്യേണ്ടത് ആവശ്യമാണ്.

സജീവവും നിഷ്ക്രിയവുമായ ഘടകങ്ങളുടെ മോണോലിത്തിക് സംയോജനം

LNOI PIC-കൾ നേരിടുന്ന ഒരു പ്രധാന വെല്ലുവിളി, ഇനിപ്പറയുന്നതുപോലുള്ള സജീവവും നിഷ്ക്രിയവുമായ ഘടകങ്ങളുടെ ചെലവ് കുറഞ്ഞ മോണോലിത്തിക് സംയോജനമാണ്:

• ലേസറുകൾ
• ഡിറ്റക്ടറുകൾ
• രേഖീയമല്ലാത്ത തരംഗദൈർഘ്യ കൺവെർട്ടറുകൾ
• മോഡുലേറ്ററുകൾ
• മൾട്ടിപ്ലക്‌സറുകൾ/ഡീമൾട്ടിപ്ലക്‌സറുകൾ

നിലവിലെ തന്ത്രങ്ങളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

a) LNOI യുടെ അയോൺ ഡോപ്പിംഗ്:
നിയുക്ത പ്രദേശങ്ങളിലേക്ക് സജീവ അയോണുകളുടെ തിരഞ്ഞെടുത്ത ഡോപ്പിംഗ് ഓൺ-ചിപ്പ് പ്രകാശ സ്രോതസ്സുകളിലേക്ക് നയിച്ചേക്കാം.

b) ബോണ്ടിംഗും ഹെറ്ററോജീനിയസ് ഇന്റഗ്രേഷനും:
ഡോപ്പ് ചെയ്ത LNOI ലെയറുകളോ III-V ലേസറുകളോ ഉപയോഗിച്ച് പ്രീ-ഫാബ്രിക്കേറ്റഡ് പാസീവ് LNOI PIC-കൾ ബന്ധിപ്പിക്കുന്നത് ഒരു ബദൽ പാത നൽകുന്നു.

സി) ഹൈബ്രിഡ് ആക്ടീവ്/പാസീവ് LNOI വേഫർ ഫാബ്രിക്കേഷൻ:
അയോൺ സ്ലൈസിംഗിന് മുമ്പ് ഡോപ്പ് ചെയ്തതും അൺഡോപ്പ് ചെയ്തതുമായ എൽഎൻ വേഫറുകളെ ബന്ധിപ്പിക്കുന്നത് ഒരു നൂതന സമീപനമാണ്, ഇത് എൽഎൻഒഐ വേഫറുകളെ സജീവവും നിഷ്ക്രിയവുമായ മേഖലകളുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു.

ചിത്രം 1ഹൈബ്രിഡ് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് ആക്റ്റീവ്/പാസീവ് പിഐസികളുടെ ആശയം ചിത്രീകരിക്കുന്നു, ഇവിടെ ഒരൊറ്റ ലിത്തോഗ്രാഫിക് പ്രക്രിയ രണ്ട് തരത്തിലുള്ള ഘടകങ്ങളുടെയും തടസ്സമില്ലാത്ത വിന്യാസവും സംയോജനവും പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.

ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകളുടെ സംയോജനം

LNOI-അധിഷ്ഠിത PIC-കളിലേക്ക് ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾ സംയോജിപ്പിക്കുന്നത് പൂർണ്ണമായും പ്രവർത്തനക്ഷമമായ സിസ്റ്റങ്ങളിലേക്കുള്ള മറ്റൊരു നിർണായക ചുവടുവയ്പ്പാണ്. രണ്ട് പ്രാഥമിക സമീപനങ്ങളാണ് അന്വേഷണത്തിലുള്ളത്:

a) വൈവിധ്യമാർന്ന സംയോജനം:
അർദ്ധചാലക നാനോസ്ട്രക്ചറുകളെ LNOI വേവ്ഗൈഡുകളുമായി താൽക്കാലികമായി ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, കണ്ടെത്തൽ കാര്യക്ഷമതയിലും സ്കേലബിളിറ്റിയിലും മെച്ചപ്പെടുത്തലുകൾ ഇപ്പോഴും ആവശ്യമാണ്.

b) രേഖീയമല്ലാത്ത തരംഗദൈർഘ്യ പരിവർത്തനം:
LN-ന്റെ നോൺ-ലീനിയർ ഗുണങ്ങൾ വേവ്ഗൈഡുകൾക്കുള്ളിൽ ഫ്രീക്വൻസി പരിവർത്തനം അനുവദിക്കുന്നു, ഇത് പ്രവർത്തന തരംഗദൈർഘ്യം പരിഗണിക്കാതെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് സിലിക്കൺ ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകളുടെ ഉപയോഗം സാധ്യമാക്കുന്നു.

തീരുമാനം

LNOI സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ദ്രുതഗതിയിലുള്ള പുരോഗതി, വ്യവസായത്തെ വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി സേവനം നൽകാൻ കഴിവുള്ള ഒരു സാർവത്രിക PIC പ്ലാറ്റ്‌ഫോമിലേക്ക് അടുപ്പിക്കുന്നു. നിലവിലുള്ള വെല്ലുവിളികളെ അഭിസംബോധന ചെയ്യുന്നതിലൂടെയും മോണോലിത്തിക്ക്, ഡിറ്റക്ടർ സംയോജനത്തിലെ നൂതനാശയങ്ങൾ മുന്നോട്ട് കൊണ്ടുപോകുന്നതിലൂടെയും, LNOI-അധിഷ്ഠിത PIC-കൾക്ക് ടെലികമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ, ക്വാണ്ടം ഇൻഫർമേഷൻ, സെൻസിംഗ് തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ വിപ്ലവം സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിയും.

EIC-കളുടെ വിജയത്തിനും സ്വാധീനത്തിനും അനുസൃതമായി, സ്കെയിലബിൾ PIC-കളുടെ ദീർഘകാല ദർശനം നിറവേറ്റുന്നതിനുള്ള വാഗ്ദാനമാണ് LNOI നൽകുന്നത്. നാൻജിംഗ് ഫോട്ടോണിക്സ് പ്രോസസ് പ്ലാറ്റ്‌ഫോം, സിയാവോടെക് ഡിസൈൻ പ്ലാറ്റ്‌ഫോം എന്നിവയിൽ നിന്നുള്ള തുടർച്ചയായ ഗവേഷണ-വികസന ശ്രമങ്ങൾ സംയോജിത ഫോട്ടോണിക്‌സിന്റെ ഭാവി രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിലും സാങ്കേതിക മേഖലകളിലുടനീളം പുതിയ സാധ്യതകൾ തുറക്കുന്നതിലും നിർണായകമാകും.