مدولاسیون آرایه‌های گسیل‌گر نانوسیم با فناوری میکرو-ال‌ای‌دی: یک پلتفرم مقیاس‌پذیر برای نانوفوتونیک

2.1 یکپارچه‌سازی ناهمگن از طریق چاپ-انتقالی

نانوسیم‌های نیمه‌هادی که به عنوان گسیل‌گرهای فروسرخ عمل می‌کنند، از بستر رشد خود چاپ-انتقال می‌شوند تا روی یک بستر گیرنده با موجبرهای نوری پلیمری از پیش الگوگذاری شده قرار گیرند. این فرآیند امکان‌های زیر را فراهم می‌کند:

• مونتاژ قطعی با دقت موقعیتی بالا.
• یکپارچه‌سازی با بازده بالا از چندین گسیل‌گر.
• جفت‌شدن گسیل نانوسیم مستقیماً به مد موجبر.

این روش بر تصادفی بودن روش‌های سنتی رشد-روی-بستر غلبه می‌کند، که گامی حیاتی برای یکپارچه‌سازی در سطح سیستم است.

2.2 آرایه میکرو-ال‌ای‌دی-روی-سی‌موس به عنوان منبع پمپ

در جایگزینی سیستم‌های لیزر حجیم متعارف، یک آرایه میکرو-ال‌ای‌دی-روی-سی‌موس به عنوان منبع پمپ نوری عمل می‌کند. هر پیکسل میکرو-ال‌ای‌دی:

• قابل آدرس‌دهی انفرادی و قابل کنترل از طریق مدارهای سی‌موس زیرین است.
• قادر به کارکرد پالسی در مقیاس نانوثانیه است.
• در یک شبکه دوبعدی متراکم (۱۲۸×۱۲۸) چیده شده است که امکان تحریک چندگانه فضایی را فراهم می‌کند.

این ماتریس کنترل الکترونیکی، کلید آدرس‌دهی موازی و مقیاس‌پذیر چندین گسیل‌گر نانوسیمی است.

3.1 مدولاسیون نوری (کلیدزنی روشن-خاموش)

پمپاژ نوری مستقیم یک گسیل‌گر نانوسیمی چاپ-انتقالی منفرد مشخصه‌یابی شد. پیکسل میکرو-ال‌ای‌دی با یک سیگنال دیجیتال راه‌اندازی شد تا کلیدزنی روشن-خاموش (OOK) انجام دهد.

• نتیجه: مدولاسیون نوری واضح از گسیل‌گر نانوسیمی در سرعت‌های تا ۱۵۰ مگاهرتز اندازه‌گیری شد.
• دلالت: این امر امکان‌پذیری استفاده از میکرو-ال‌ای‌دی‌ها را برای مدولاسیون داده پرسرعت در پیوندهای نانوفوتونیک نشان می‌دهد که به مراتب از پهنای باند روش‌های جایگزین مدولاتور نوری فضایی (SLM) (~۱۰ کیلوهرتز) فراتر می‌رود.

3.2 کنترل موازی چندین گسیل‌گر

مزیت اصلی آرایه با فعال‌سازی انتخابی پیکسل‌های مختلف میکرو-ال‌ای‌دی برای پمپ کردن چندین گسیل‌گر نانوسیمی جدا از هم فضایی که در موجبرهای مختلف یکپارچه شده‌اند، نشان داده شد.

• نتیجه: کنترل انفرادی بر گسیل از چندین نانوسیم جفت‌شده با موجبر به صورت موازی حاصل شد.
• دلالت: این امر مقیاس‌پذیری پلتفرم را تأیید می‌کند و از تحریک تک‌دستگاهی فراتر رفته و به سیستمی می‌رسد که در آن بسیاری از گسیل‌گرها می‌توانند به طور مستقل برنامه‌ریزی شوند—نیازی اساسی برای مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC) پیچیده.

4.1 بینش هسته‌ای و جریان منطقی

بیایید از نثر آکادمیک عبور کنیم. بینش هسته‌ای اینجا فقط درباره سریع چشمک زدن نانوسیم‌ها نیست؛ این یک هک معماری درخشان برای حل مسئله ورودی/خروجی (I/O) فوتونیک است. منطق روشن است: ۱) نانوسیم‌ها گسیل‌گرهای متراکم عالی‌ای هستند اما کابوسی برای سیم‌کشی الکتریکی در مقیاس بزرگ. ۲) پمپاژ نوری مشکل سیم‌کشی را حل می‌کند اما به طور سنتی به لیزرهای حجیم و غیرمقیاس‌پذیر متکی است. ۳) حرکت نویسندگان؟ قرض گرفتن معماری موازی انبوه و آدرس‌دهی دیجیتال از صنعت نمایشگر (میکرو-ال‌ای‌دی-روی-سی‌موس) و استفاده مجدد از آن به عنوان یک شبکه تحویل توان نوری برنامه‌پذیر. این یک بهبود تدریجی نیست؛ یک تغییر پارادایم از "آدرس‌دهی دستگاه‌ها" به "آدرس‌دهی نقاط نور" است که سپس دستگاه‌ها را آدرس می‌دهد. این کار پیچیدگی کنترل الکترونیکی (حل‌شده توسط سی‌موس) را از پیچیدگی گسیل فوتونیک (حل‌شده توسط نانوسیم) جدا می‌کند.

4.2 نقاط قوت و نقاط ضعف بحرانی

نقاط قوت:

• مسیر مقیاس‌پذیری روشن است: بهره‌گیری از ساخت سی‌موس و نمایشگرهای میکرو-ال‌ای‌دی یک حرکت استادانه است. مسیر دستیابی به آرایه‌های پیکسلی 4K (3840×2160) در حال حاضر برای نمایشگرها در حال توسعه است و مستقیماً به این پلتفرم قابل انتقال است.
• موازی‌سازی واقعی: برخلاف SLMها یا نقاط لیزر منفرد، این پلتفرم کنترل همزمان و مستقل واقعی هزاران نقطه گسیل را ارائه می‌دهد.
• سرعت: ۱۵۰ مگاهرتز OOK برای کاربردهای اولیه توزیع ساعت نوری بین تراشه‌ای یا روی تراشه قابل احترام است.

نقاط ضعف بحرانی و سؤالات بی‌پاسخ:

• جعبه سیاه بازده توان: مقاله در مورد بازده کلی (wall-plug efficiency) فرآیند پمپ میکرو-ال‌ای‌دی → گسیل نانوسیم سکوت کرده است. میکرو-ال‌ای‌دی‌ها خود، به ویژه در مقیاس‌های کوچک، از افت بازده رنج می‌برند. اگر زنجیره کلی ناکارآمد باشد، مزایای توانی وعده‌داده‌شده توسط نانوفوتونیک را خنثی می‌کند. این نیاز به کمّی‌سازی دقیق دارد.
• مدیریت حرارتی: یک آرایه متراکم از میکرو-ال‌ای‌دی‌های پمپ‌شده الکتریکی که یک آرایه متراکم از نانوسیم‌ها را پمپ می‌کنند، یک کابوس حرارتی در انتظار وقوع است. تداخل حرارتی و اتلاف مورد توجه قرار نگرفته است.
• بازده کل پشته: آن‌ها بازده بالای چاپ-انتقالی را گزارش می‌دهند، اما بازده سیستم (پیکسل میکرو-ال‌ای‌دی عملکردی + نانوسیم کاملاً قرارگرفته/جفت‌شده + موجبر کارآمد) معیار واقعی برای فوتونیک-VLSI است و گزارش نشده است.

4.3 بینش‌های عملی و دیدگاه تحلیلی

این کار یک اثبات مفهوم قانع‌کننده است، اما در مرحله "آزمایش قهرمانانه" قرار دارد. برای حرکت این کار از Science به IEEE Journal of Solid-State Circuits، باید موارد زیر اتفاق بیفتد:

1. معیارسازی در برابر فناوری موجود: نویسندگان باید عملکرد پلتفرم خود (انرژی مدولاسیون/بیت، فضای اشغالی، تداخل) را مستقیماً با نانولیزرهای کریستال فوتونیک پمپ‌شده الکتریکی یا مدولاتورهای پلاسمونیک پیشرفته یکپارچه‌شده روی سیلیکون مقایسه کنند. بدون این، این فقط یک ترفند جالب است.
2. توسعه یک پروتکل یکپارچه‌سازی استاندارد: چاپ-انتقالی نیاز دارد تا به یک کیت طراحی تبدیل شود—مجموعه‌ای از قوانین طراحی، کتابخانه‌های سلول استاندارد برای واحدهای "نانوسیم + موجبر" و مدل‌های حرارتی. به تکامل PDKهای فوتونیک سیلیکونی به عنوان یک نقشه راه نگاه کنید.
3. هدف‌گیری یک کاربرد کشنده: فقط نگویید "PIC". مشخص باشید. کنترل موازی فریاد می‌زند سخت‌افزار شبکه عصبی نوری یا شبیه‌سازهای کوانتومی فوتونیک برنامه‌پذیر که در آن الگوهای تحریک بازپیکربندی‌پذیر از اهمیت بالایی برخوردارند. بلافاصله با گروه‌های فعال در آن حوزه‌ها همکاری کنید.

حکم من: این یک پژوهش پرریسک و پربازده است. قدرت معماری مفهومی انکارناپذیر است. با این حال، تیم اکنون باید از فیزیکدانان فوتونیک به مهندسان سیستم‌های فوتونیک گذار کند و با واقعیت‌های آشفته توان، گرما، بازده و یکپارچه‌سازی استاندارد روبرو شود. اگر بتوانند، این می‌تواند به یک فناوری بنیادین تبدیل شود. اگر نتوانند، به عنوان یک نمایش آکادمیک درخشان باقی می‌ماند.

جزئیات فنی و زمینه ریاضی

پهنای باند مدولاسیون اساساً توسط دینامیک حامل‌ها در هر دو پمپ میکرو-ال‌ای‌دی و گسیل‌گر نانوسیمی محدود می‌شود. یک مدل ساده‌شده معادله نرخ برای چگالی حامل برانگیخته نانوسیم $N$ تحت پمپاژ پالسی به صورت زیر است:

$\frac{dN}{dt} = R_{pump} - \frac{N}{\tau_{nr}} - \frac{N}{\tau_r}$

که در آن $R_{pump}$ نرخ پمپ میکرو-ال‌ای‌دی (متناسب با پالس جریان آن)، $\tau_{nr}$ طول عمر غیرتابشی و $\tau_r$ طول عمر تابشی است. پهنای باند ۱۵۰ مگاهرتز نشان‌دهنده طول عمر ترکیبی ($\tau_{total} = (\tau_{nr}^{-1} + \tau_r^{-1})^{-1}$) در مرتبه چند نانوثانیه است. طول عمر بازترکیب خود میکرو-ال‌ای‌دی باید کوتاه‌تر باشد تا گلوگاه نباشد. نسبت روشن-خاموش (نسبت خاموشی) برای مدولاسیون OOK حیاتی است و به کنتراست بین نرخ‌های گسیل پمپ‌شده و پمپ‌نشده بستگی دارد که تابعی از کیفیت نانوسیم و توان پمپ است.

مثال چارچوب تحلیل (غیرکد)

مورد: ارزیابی مقیاس‌پذیری برای یک کاربرد هدف (اتصال نوری)

1. تعریف نیازمندی: یک پیوند نوری روی تراشه به ۲۵۶ کانال مستقل نیاز دارد که هر کدام با سرعت ۱۰ گیگابیت بر ثانیه مدوله می‌کنند و بودجه توانی ۱ پیکوژول بر بیت دارند.
2. نگاشت به پلتفرم:
   • تعداد کانال: یک زیرآرایه میکرو-ال‌ای‌دی ۱۶×۱۶ (۲۵۶ پیکسل) نیاز را برآورده می‌کند.
   • سرعت: ۱۵۰ مگاهرتز << ۱۰ گیگاهرتز. پرچم قرمز. این نیازمند مهندسی مواد/دستگاه برای بهبود دینامیک حامل‌ها در حدود ۲ مرتبه بزرگی است.
   • توان: تخمین: بازده کلی میکرو-ال‌ای‌دی (~۵٪؟) × بازده جذب/گسیل نانوسیم (~۱۰٪؟) = بازده سیستم ~۰.۵٪. برای ۱ پیکوژول بر بیت در گیرنده، ورودی الکتریکی بر بیت حدود ۲۰۰ پیکوژول خواهد بود. این در مقایسه با سی‌موس پیشرفته بالا است. چالش عمده.
3. نتیجه‌گیری: پلتفرم فعلی، در حالی که در تعداد مقیاس‌پذیر است، نیازمندی‌های سرعت و توان را برای این کاربرد هدف برآورده نمی‌کند. توسعه باید بر گسیل‌گرهای سریع‌تر (مانند نقاط کوانتومی، نانوسیم‌های مهندسی‌شده) و میکرو-ال‌ای‌دی‌های با بازده بالاتر اولویت بدهد.