মাইক্রো-এলইডি প্রযুক্তি ব্যবহার করে ন্যানোওয়্যার ইমিটার অ্যারের মড্যুলেশন

সূচিপত্র

1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

এই গবেষণা স্বতন্ত্রভাবে অ্যাড্রেসযোগ্য মাইক্রো-এলইডি-অন-সিএমওএস অ্যারে ব্যবহার করে ন্যানোফোটোনিক ইমিটার, বিশেষ করে সেমিকন্ডাক্টর ন্যানোওয়্যারগুলিকে উত্তেজিত করার জন্য একটি যুগান্তকারী স্কেলযোগ্য প্ল্যাটফর্ম উপস্থাপন করে। এই গবেষণা একক-ডিভাইস প্রদর্শন থেকে ব্যবহারিক অন-চিপ সিস্টেমে যাওয়ার ক্ষেত্রে দুটি মৌলিক বাধা মোকাবেলা করে: ১) একাধিক ন্যানোস্কেল ইমিটারের নির্ধারিত, উচ্চ-ফলন সংহতি, এবং ২) তাদের সমান্তরাল, উচ্চ-গতির ইলেকট্রনিক নিয়ন্ত্রণ। স্ট্রাথক্লাইড বিশ্ববিদ্যালয় এবং অস্ট্রেলিয়ান ন্যাশনাল ইউনিভার্সিটির দলটি ন্যানোওয়্যার সমাবেশের জন্য মাইক্রো-ট্রান্সফার-প্রিন্টিং এবং অপটিক্যাল পাম্পিংয়ের জন্য উন্নত মাইক্রো-এলইডি অ্যারে সমন্বয় করে একটি সমন্বিত পদ্ধতি প্রদর্শন করেছে, যা ১৫০ মেগাহার্টজ পর্যন্ত মড্যুলেশন গতি অর্জন করেছে।

2. মূল প্রযুক্তি ও পদ্ধতি

2.1 ট্রান্সফার-প্রিন্টিংয়ের মাধ্যমে বিষম সংহতি

ইনফ্রারেড-নির্গমনকারী সেমিকন্ডাক্টর ন্যানোওয়্যারগুলির নির্ধারিত সমাবেশ অর্জন করা হয়েছে বিষম সংহতি কৌশলের মাধ্যমে, প্রাথমিকভাবে মাইক্রো-ট্রান্সফার-প্রিন্টিং। এই প্রক্রিয়াটি পূর্ব-স্ক্রিনিং করা ন্যানোওয়্যারগুলিকে তাদের বৃদ্ধির সাবস্ট্রেট থেকে প্রাক-প্যাটার্নযুক্ত পলিমার অপটিক্যাল ওয়েভগাইড সম্বলিত একটি রিসিভার সাবস্ট্রেটে সুনির্দিষ্টভাবে স্থাপন করতে দেয়। এই পদ্ধতিটি উচ্চ ফলন এবং অবস্থানগত নির্ভুলতা প্রদর্শন করে, যা জটিল ফোটোনিক সার্কিট নির্মাণের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এই পদ্ধতিটি ঐতিহ্যগত "পিক-এন্ড-প্লেস" সীমাবদ্ধতার বাইরে চলে যায়, যা ভিন্ন ভিন্ন উপকরণের (সিলিকন-ভিত্তিক প্ল্যাটফর্মে III-V ন্যানোওয়্যার) স্কেলযোগ্য সংহতি সম্ভব করে তোলে, যা আধুনিক ফোটোনিক্সে বিষম সংহতি বিষয়ক পর্যালোচনাগুলিতে হাইলাইট করা একটি কেন্দ্রীয় ধারণা।

2.2 পাম্প উৎস হিসেবে মাইক্রো-এলইডি-অন-সিএমওএস অ্যারে

উত্তেজনার উৎসটি একটি মূল উদ্ভাবন। বড় আকারের, একক-স্পট লেজার বা ধীর গতির স্পেসিয়াল লাইট মডুলেটর (এসএলএম) এর পরিবর্তে, দলটি সরাসরি একটি সিএমওএস ব্যাকপ্লেনে তৈরি একটি মাইক্রো-এলইডি অ্যারে ব্যবহার করে। এই প্রযুক্তি, যা দলটি নিজেই উন্নত করেছে, ১২৮x১২৮ পিক্সেলের একটি অ্যারে বৈশিষ্ট্যযুক্ত যা ন্যানোসেকেন্ড পালসিং, প্রতি সেকেন্ডে ০.৫ মিলিয়ন ফ্রেম পর্যন্ত স্বাধীন পিক্সেল নিয়ন্ত্রণ এবং গ্রেস্কেল নিয়ন্ত্রণ করতে সক্ষম। প্রতিটি মাইক্রো-এলইডি পিক্সেল সংশ্লিষ্ট ন্যানোওয়্যার ইমিটারের জন্য একটি স্থানীয় অপটিক্যাল পাম্প হিসেবে কাজ করে, যা প্রকৃত ইলেকট্রনিক অ্যাড্রেসিং এবং মড্যুলেশন সক্ষম করে।

3. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও কার্যকারিতা

3.1 অপটিক্যাল মড্যুলেশন ও গতি

মাইক্রো-এলইডি পিক্সেল দ্বারা ওয়েভগাইড-এমবেডেড ন্যানোওয়্যারগুলির সরাসরি অপটিক্যাল পাম্পিং সফলভাবে প্রদর্শিত হয়েছে। সিস্টেমটি সরল অন-অফ কীইং (ওওকে) ব্যবহার করে ১৫০ মেগাহার্টজ পর্যন্ত গতিতে অপটিক্যাল মড্যুলেশন অর্জন করেছে। এই গতি এসএলএম-ভিত্তিক পাম্পিং (~১০ কিলোহার্টজ) দ্বারা অর্জনযোগ্য গতির চেয়ে বহুগুণ দ্রুত এবং অনেক অন-চিপ অপটিক্যাল যোগাযোগ ও সেন্সিং অ্যাপ্লিকেশনের জন্য যথেষ্ট। মড্যুলেশন দক্ষতা এবং মাইক্রো-এলইডি পাম্প ও ন্যানোওয়্যার ইমিটারের মধ্যে কাপলিং লস হল গুরুত্বপূর্ণ প্যারামিটার যা পাম্প আলোর ন্যানোওয়্যারের সক্রিয় অঞ্চলের সাথে ওভারল্যাপ এবং ওয়েভগাইড ডিজাইন দ্বারা নির্ধারিত হয়।

3.2 একাধিক ইমিটারের সমান্তরাল নিয়ন্ত্রণ

একটি উল্লেখযোগ্য ফলাফল হল একাধিক ওয়েভগাইড-কাপল্ড ন্যানোওয়্যার ইমিটারের সমান্তরাল, স্বতন্ত্র নিয়ন্ত্রণ। মাইক্রো-এলইডি-অন-সিএমওএস অ্যারের বিভিন্ন পিক্সেল নির্বাচনীভাবে সক্রিয় করে, অ্যারেতে নির্দিষ্ট ন্যানোওয়্যারগুলিকে স্বাধীনভাবে উত্তেজিত করা হয়েছিল। এটি একটি স্কেলযোগ্য অ্যাড্রেসিং আর্কিটেকচারের ধারণা প্রমাণ করে, যা একক-ডিভাইস পরীক্ষার বাইরে গিয়ে সিস্টেম-লেভেল কার্যকারিতার দিকে অগ্রসর হয়। এই পরীক্ষাটি জটিল ফোটোনিক ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট (পিআইসি) এর জন্য বৃহত্তর সংখ্যক ইমিটার নিয়ন্ত্রণ করতে এই ধরনের অ্যারে ব্যবহার করার পথ প্রশস্ত করে।

চিত্রের বিবরণ

সংহত সিস্টেমের স্কিম্যাটিক: একটি চিত্রে মাইক্রো-এলইডি পিক্সেলের একটি ২ডি অ্যারে সহ সিএমওএস চিপ দেখানো হবে। এর উপরে, একটি পলিমার ওয়েভগাইড স্তরে সেমিকন্ডাক্টর ন্যানোওয়্যারগুলির একটি অ্যারে রয়েছে, যার প্রতিটি নির্দিষ্ট ন্যানোওয়্যারকে নিচের একটি নির্দিষ্ট মাইক্রো-এলইডি পিক্সেল দ্বারা অপটিক্যালি পাম্প করার জন্য সারিবদ্ধ এবং অবস্থান করা হয়েছে। তীরগুলি সিএমওএস থেকে স্বাধীন ইলেকট্রনিক নিয়ন্ত্রণ সংকেত নির্দেশ করে যা স্বতন্ত্র এলইডিগুলি চালিত করে, যা ঘুরে নির্দিষ্ট ন্যানোওয়্যারগুলিকে পাম্প করে, ওয়েভগাইডে আলো নির্গত করে।

4. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও কাঠামো

4.1 মূল অন্তর্দৃষ্টি ও যৌক্তিক প্রবাহ

প্রবন্ধের মূল অন্তর্দৃষ্টি নির্মমভাবে সরল কিন্তু শক্তিশালী: স্কেলিং সমস্যাকে বিচ্ছিন্ন করুন। ন্যানোওয়্যারগুলিকে বৈদ্যুতিকভাবে চালিত এবং গণহারে সংহত করার চেষ্টা করার পরিবর্তে—যা একটি উপাদান এবং উৎপাদন দুঃস্বপ্ন—তারা ন্যানোওয়্যারটিকে একটি বিশুদ্ধ, দক্ষ অপটিক্যাল ইমিটার হিসেবে রাখে। স্কেলিং এবং নিয়ন্ত্রণের জটিলতাগুলি মাইক্রো-এলইডি-অন-সিএমওএস অ্যারেতে স্থানান্তরিত করা হয়, একটি প্রযুক্তি যা দশক ধরে সিএমওএস স্কেলিং এবং ডিসপ্লে শিল্প উৎপাদনের সুবিধা পেয়েছে। যৌক্তিক প্রবাহ হল: ১) ইমিটারগুলির শারীরিক সংহতির জন্য স্কেলযোগ্য প্রিন্টিং ব্যবহার করুন, ২) ইলেকট্রনিক নিয়ন্ত্রণ ও অ্যাড্রেসিংয়ের জন্য একটি স্কেলযোগ্য সিএমওএস অ্যারে ব্যবহার করুন, ৩) আলোর মাধ্যমে দুটিকে সংযুক্ত করুন। এটি সিস্টেম-লেভেল চিন্তাভাবনার একটি মাস্টারক্লাস, গুগলের টিপিইউ আর্কিটেকচারের পিছনের দর্শনের কথা স্মরণ করিয়ে দেয়—জটিল, ঘন গণনামূলক ইউনিট পরিচালনা করার জন্য একটি সরল, বিশেষায়িত নিয়ন্ত্রণ স্তর ব্যবহার করা।

4.2 শক্তি ও গুরুত্বপূর্ণ ত্রুটি

শক্তি: প্ল্যাটফর্মের মার্জিততা হল এর সর্বশ্রেষ্ঠ শক্তি। মাইক্রো-এলইডি অ্যারে হল একটি প্রস্তুত, ব্যাপকভাবে সমান্তরাল অপটিক্যাল অ্যাড্রেসিং হেড। ১৫০ মেগাহার্টজ মড্যুলেশন, যদিও লেজারের জন্য রেকর্ড ভাঙছে না, অনেক ডিজিটাল পিআইসি অ্যাপ্লিকেশনের জন্য যথেষ্টের বেশি এবং এটি একটি কমপ্যাক্ট, ইলেকট্রনিক ড্রাইভার দিয়ে অর্জিত হয়েছে। বিষম সংহতি পথটি ব্যবহারিক, ফলনের জন্য পূর্ব-বিদ্যমান কৌশলগুলির সুবিধা নেয়।

গুরুত্বপূর্ণ ত্রুটি: আসুন এটিকে মিষ্টি করে না বলি। ঘরের হাতিটি হল শক্তি দক্ষতা এবং তাপ। অপটিক্যাল পাম্পিং স্বভাবতই সরাসরি বৈদ্যুতিক ইনজেকশনের চেয়ে কম দক্ষ। বৈদ্যুতিক সংকেতকে আলোতে রূপান্তর করা (মাইক্রো-এলইডিতে) অন্য একটি আলো নির্গমনকারী (ন্যানোওয়্যার) পাম্প করতে উল্লেখযোগ্য স্টোকস শিফট ক্ষতি এবং তাপ উৎপাদন ঘটায়। বৃহৎ-স্কেল অ্যারের জন্য, এই তাপীয় লোড নিষিদ্ধ হতে পারে। দ্বিতীয়ত, এলইডি পিক্সেল এবং ন্যানোওয়্যারের মধ্যে সারিবদ্ধতা এবং কাপলিং, যদিও "নির্ধারিত", উচ্চ-ভলিউম উৎপাদনের জন্য সমাধান করতে হবে এমন একটি নির্ভুল প্যাকেজিং চ্যালেঞ্জ হিসেবেই রয়ে গেছে। এটি একটি একক-খণ্ড সংহতির গল্প নয়; এটি একটি হাইব্রিড সমাবেশের গল্প, যার সাথে সমস্ত সংশ্লিষ্ট নির্ভরযোগ্যতার প্রশ্ন জড়িত।

4.3 বাস্তবায়নযোগ্য অন্তর্দৃষ্টি ও কৌশলগত প্রভাব

কোয়ান্টাম ফোটোনিক্স, লিডার, বা অপটিক্যাল কম্পিউটিং-এ গবেষক এবং কোম্পানিগুলির জন্য, এই কাজটি চুরি করার একটি নীলনকশা। তাত্ক্ষণিক বাস্তবায়নযোগ্য অন্তর্দৃষ্টি হল জটিল ইমিটার অ্যারের প্রোটোটাইপিংয়ের জন্য এই বিচ্ছিন্ন আর্কিটেকচার গ্রহণ করা। শুরু থেকেই প্রতিটি ন্যানোওয়্যারকে বৈদ্যুতিকভাবে অ্যাড্রেসযোগ্য করার চেষ্টা করে চক্র নষ্ট করবেন না। সমান্তরাল নিয়ন্ত্রণ এবং সিস্টেম কার্যকারিতায় ধারণা পরীক্ষা করার জন্য একটি বাণিজ্যিক বা কাস্টম মাইক্রো-ডিসপ্লেকে আপনার অপটিক্যাল "এফপিজিএ" হিসেবে ব্যবহার করুন।

কৌশলগত প্রভাব হল যে মূল্য ইমিটার উপাদান নিজেই থেকে নিয়ন্ত্রণ ইন্টারফেসে স্থানান্তরিত হচ্ছে। যে কোম্পানি অ-ডিসপ্লে অ্যাপ্লিকেশনের জন্য (এটির মতো) উচ্চ-ঘনত্ব, উচ্চ-গতির মাইক্রো-এলইডি-অন-সিএমওএস অ্যারে আয়ত্ত করে, তারা পরবর্তী প্রজন্মের ফোটোনিক সিস্টেমের জন্য "ইন্টেল ইনসাইড" হয়ে উঠতে পারে। তদুপরি, এই কাজটি সূক্ষ্মভাবে এমন একটি ভবিষ্যতের পক্ষে যুক্তি দেয় যেখানে ফোটোনিক এবং ইলেকট্রনিক চিপগুলি একটি বেদনাদায়ক একক-খণ্ড বিবাহে বাধ্য না হয়ে, দক্ষ অপটিক্যাল ইন্টারফেস দ্বারা সংযুক্ত পৃথক, অপ্টিমাইজড "চিপলেট" হতে পারে—একটি দৃষ্টিভঙ্গি যা ডিআরপিএ-নেতৃত্বাধীন চিপস (কমন হেটেরোজেনিয়াস ইন্টিগ্রেশন অ্যান্ড আইপি রিইউজ স্ট্র্যাটেজিজ) উদ্যোগের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ।

5. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও দিকনির্দেশনা

প্রদর্শিত প্ল্যাটফর্মটি বেশ কয়েকটি আকর্ষণীয় ভবিষ্যতের দিকনির্দেশনা খুলে দেয়:

• বৃহৎ-স্কেল কোয়ান্টাম ফোটোনিক সার্কিট: স্বতন্ত্রভাবে অ্যাড্রেসযোগ্য একক-ফোটন উৎসগুলি ফোটোনিক কোয়ান্টাম কম্পিউটিংয়ের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এই প্ল্যাটফর্মটি কোয়ান্টাম ডট ইমিটার ভিত্তিক ন্যানোওয়্যার অ্যারে নিয়ন্ত্রণ করতে ব্যবহার করা যেতে পারে এনট্যাঙ্গল্ড ফোটন অবস্থা তৈরি করার জন্য বা প্রোগ্রামযোগ্য ফোটোনিক সার্কিটে খাওয়ানোর জন্য।
• উচ্চ-রেজোলিউশন লিডার এবং ৩ডি সেন্সিং: স্বাধীনভাবে মড্যুলেটেড আলোর উৎসের একটি ঘনভাবে প্যাক করা অ্যারে কোন চলমান অংশ ছাড়াই সলিড-স্টেট, ফ্ল্যাশ লিডার সিস্টেম সক্ষম করতে পারে, স্বায়ত্তশাসিত যানবাহন এবং রোবোটিক্সের জন্য দ্রুত ফ্রেম রেট এবং উন্নত নির্ভরযোগ্যতা প্রদান করে।
• নিউরোমরফিক ফোটোনিক্স: ন্যানোসেকেন্ড টাইমিং সহ অপটিক্যাল ইমিটারগুলির একটি অ্যারে স্বাধীনভাবে নিয়ন্ত্রণ করার ক্ষমতা ফোটোনিক নিউরাল নেটওয়ার্ক বাস্তবায়নের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে, যেখানে প্রতিটি ইমিটার একটি নিউরনের প্রতিনিধিত্ব করে এবং অপটিক্যাল সংযোগগুলি সিন্যাপসের প্রতিনিধিত্ব করে।
• অন-চিপ অপটিক্যাল ইন্টারকানেক্ট: মড্যুলেটেড আলোর উৎসের একটি ঘন অ্যারে হিসেবে, এই প্রযুক্তিটি ডেটা সেন্টার বা উচ্চ-কার্যকারিতা কম্পিউটিং সিস্টেমের মধ্যে ওয়েভলেন্থ-ডিভিশন-মাল্টিপ্লেক্সড (ডব্লিউডিএম) অপটিক্যাল যোগাযোগের জন্য ট্রান্সমিটার সরবরাহ করতে পারে।
• পরবর্তী পদক্ষেপ: ভবিষ্যতের কাজটি সামগ্রিক ওয়াল-প্লাগ দক্ষতা উন্নত করার উপর ফোকাস করতে হবে, সম্ভাব্যভাবে রেজোন্যান্ট পাম্পিং স্কিম অন্বেষণ করে বা কম পাম্প থ্রেশহোল্ড সহ ন্যানোওয়্যার বিকাশ করে। ট্রান্সফার-প্রিন্টিং প্রক্রিয়াটিকে প্রায় নিখুঁত ফলন সহ হাজার হাজার ডিভাইসে স্কেল করা হল আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ প্রকৌশল চ্যালেঞ্জ। অবশেষে, তরঙ্গদৈর্ঘ্য-নির্বাচক উপাদানগুলিকে (ফিল্টার বা গ্রেটিংয়ের মতো) সংহত করা একটি একক চিপে তরঙ্গদৈর্ঘ্য মাল্টিপ্লেক্সিং সক্ষম করবে।

6. তথ্যসূত্র

1. Bowers, J. E., et al. "Heterogeneous Integration for Photonics." Nature, 2022. (সংহতি কৌশলের উপর পর্যালোচনা)
2. Jahns, J., & Huang, A. "Planar integration of free-space optical components." Applied Optics, 1989. (মাইক্রো-অপটিক্স সংহতির উপর প্রাথমিক কাজ)
3. DARPA. "CHIPS (Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies) Initiative." https://www.darpa.mil/program/chips (চিপলেট-ভিত্তিক ডিজাইনের জন্য প্রাসঙ্গিক প্রোগ্রাম)
4. McKendry, J. J. D., et al. "High-Speed Visible Light Communications Using Individual CMOS-Controlled Micro-LEDs." IEEE Photonics Technology Letters, 2020. (ব্যবহৃত মাইক্রো-এলইডি প্রযুক্তির পটভূমি)
5. Eggleton, B. J., et al. "Chalcogenide photonics." Nature Photonics, 2011. (উন্নত ফোটোনিক উপকরণের উদাহরণ)
6. Zhu, J., et al. "On-chip single nanoparticle detection and sizing by mode splitting in an ultrahigh-Q microresonator." Nature Photonics, 2010. (ন্যানোফোটোনিক সেন্সিংয়ের উদাহরণ)