माइक्रो-एलईडी प्रौद्योगिकी का उपयोग करके नैनोवायर एमिटर सरणियों का मॉड्यूलेशन

विषय सूची

1. परिचय एवं अवलोकन

यह कार्य नैनोफोटोनिक एमिटर्स, विशेष रूप से अर्धचालक नैनोवायर्स, को उत्तेजित करने के लिए एक क्रांतिकारी स्केलेबल प्लेटफॉर्म प्रस्तुत करता है, जो व्यक्तिगत रूप से एड्रेस करने योग्य माइक्रो-एलईडी-ऑन-सीएमओएस सरणियों का उपयोग करता है। यह शोध एकल-डिवाइस प्रदर्शनों से व्यावहारिक ऑन-चिप प्रणालियों की ओर बढ़ने में दो मौलिक बाधाओं का समाधान करता है: 1) एकाधिक नैनोस्केल एमिटर्स का निर्धारित, उच्च-उपज एकीकरण, और 2) उनका समानांतर, उच्च-गति इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण। स्ट्रैथक्लाइड विश्वविद्यालय और ऑस्ट्रेलियाई राष्ट्रीय विश्वविद्यालय की टीम नैनोवायर असेंबली के लिए माइक्रो-ट्रांसफर-प्रिंटिंग और प्रकाशीय पंपिंग के लिए उन्नत माइक्रो-एलईडी सरणियों को जोड़ने वाले एक सहक्रियात्मक दृष्टिकोण का प्रदर्शन करती है, जिससे 150 मेगाहर्ट्ज तक की मॉड्यूलेशन गति प्राप्त की गई है।

2. मूल प्रौद्योगिकी एवं कार्यप्रणाली

2.1 ट्रांसफर-प्रिंटिंग के माध्यम से विषम एकीकरण

इन्फ्रारेड उत्सर्जक अर्धचालक नैनोवायर्स का निर्धारित असेंबली विषम एकीकरण तकनीकों, मुख्य रूप से माइक्रो-ट्रांसफर-प्रिंटिंग के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। यह प्रक्रिया पूर्व-जांचे गए नैनोवायर्स को उनके विकास सब्सट्रेट से एक रिसीवर सब्सट्रेट पर सटीक रूप से रखने की अनुमति देती है, जिसमें पूर्व-पैटर्न वाले पॉलिमर ऑप्टिकल वेवगाइड होते हैं। यह विधि उच्च उपज और स्थितिगत सटीकता का दावा करती है, जो जटिल फोटोनिक सर्किट बनाने के लिए महत्वपूर्ण है। यह दृष्टिकोण पारंपरिक "पिक-एंड-प्लेस" सीमाओं से आगे बढ़ता है, जिससे भिन्न सामग्रियों (सिलिकॉन-आधारित प्लेटफॉर्म पर III-V नैनोवायर्स) का स्केलेबल एकीकरण संभव होता है, जो विषम एकीकरण पर समीक्षाओं में उजागर किए गए आधुनिक फोटोनिक्स के केंद्रीय अवधारणा है।

2.2 पंप स्रोत के रूप में माइक्रो-एलईडी-ऑन-सीएमओएस सरणी

उत्तेजना स्रोत एक प्रमुख नवाचार है। भारी-भरकम, एकल-स्पॉट लेजर या धीमी स्पेशियल लाइट मॉड्यूलेटर्स (एसएलएम) के बजाय, टीम सीधे सीएमओएस बैकप्लेन पर निर्मित एक माइक्रो-एलईडी सरणी का उपयोग करती है। यह प्रौद्योगिकी, जिसे समूह द्वारा ही विकसित किया गया है, में 128x128 पिक्सेल सरणी शामिल है जो नैनोसेकंड पल्सिंग, प्रति सेकंड 0.5 मिलियन फ्रेम तक स्वतंत्र पिक्सेल नियंत्रण और ग्रेस्केल नियंत्रण करने में सक्षम है। प्रत्येक माइक्रो-एलईडी पिक्सेल संबंधित नैनोवायर एमिटर के लिए एक स्थानीयकृत प्रकाशीय पंप के रूप में कार्य करता है, जिससे वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक एड्रेसिंग और मॉड्यूलेशन संभव होता है।

3. प्रायोगिक परिणाम एवं प्रदर्शन

3.1 प्रकाशीय मॉड्यूलेशन एवं गति

माइक्रो-एलईडी पिक्सेल द्वारा वेवगाइड-एम्बेडेड नैनोवायर्स की प्रत्यक्ष प्रकाशीय पंपिंग सफलतापूर्वक प्रदर्शित की गई। सिस्टम ने साधारण ऑन-ऑफ कीइंग (ओओके) का उपयोग करके 150 मेगाहर्ट्ज तक की दरों पर प्रकाशीय मॉड्यूलेशन हासिल किया। यह गति एसएलएम-आधारित पंपिंग (~10 किलोहर्ट्ज) से प्राप्त की जा सकने वाली गति से कई गुना अधिक तेज है और कई इंट्रा-चिप ऑप्टिकल संचार और संवेदन अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है। माइक्रो-एलईडी पंप और नैनोवायर एमिटर के बीच मॉड्यूलेशन दक्षता और युग्मन हानि महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं, जो पंप प्रकाश के नैनोवायर के सक्रिय क्षेत्र और वेवगाइड डिजाइन के ओवरलैप द्वारा निर्धारित होते हैं।

3.2 एकाधिक एमिटर्स का समानांतर नियंत्रण

एक महत्वपूर्ण परिणाम एकाधिक वेवगाइड-युग्मित नैनोवायर एमिटर्स का समानांतर, व्यक्तिगत नियंत्रण है। माइक्रो-एलईडी-ऑन-सीएमओएस सरणी पर विभिन्न पिक्सेल को चुनिंदा रूप से सक्रिय करके, सरणी में विशिष्ट नैनोवायर्स को स्वतंत्र रूप से उत्तेजित किया गया। यह एक स्केलेबल एड्रेसिंग आर्किटेक्चर की अवधारणा को सिद्ध करता है, जो एकल-डिवाइस परीक्षण से आगे बढ़कर सिस्टम-स्तरीय कार्यक्षमता की ओर इशारा करता है। यह प्रयोग जटिल फोटोनिक एकीकृत सर्किट (पीआईसी) के लिए बड़ी संख्या में एमिटर्स को नियंत्रित करने के लिए ऐसी सरणियों के उपयोग का मार्ग प्रशस्त करता है।

चित्र विवरण

एकीकृत प्रणाली का योजनाबद्ध चित्र: एक आरेख माइक्रो-एलईडी पिक्सेल की 2डी सरणी के साथ सीएमओएस चिप दिखाएगा। इसके ऊपर, एक पॉलिमर वेवगाइड परत में अर्धचालक नैनोवायर्स की एक सरणी होती है, जिनमें से प्रत्येक नीचे एक विशिष्ट माइक्रो-एलईडी पिक्सेल द्वारा प्रकाशीय रूप से पंप किए जाने के लिए संरेखित और स्थित होती है। तीर सीएमओएस से स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण संकेतों को इंगित करते हैं जो व्यक्तिगत एलईडी को चलाते हैं, जो बदले में विशिष्ट नैनोवायर्स को पंप करते हैं, जिससे वेवगाइड में प्रकाश उत्सर्जित होता है।

4. तकनीकी विश्लेषण एवं रूपरेखा

4.1 मूल अंतर्दृष्टि एवं तार्किक प्रवाह

पेपर की मूल अंतर्दृष्टि कठोर रूप से सरल है फिर भी शक्तिशाली है: स्केलिंग समस्या को अलग करें। नैनोवायर्स को विद्युत रूप से संचालित और बड़े पैमाने पर एकीकृत बनाने की कोशिश करने के बजाय—जो एक सामग्री और निर्माण का दुःस्वप्न है—वे नैनोवायर को एक शुद्ध, कुशल प्रकाशीय एमिटर के रूप में रखते हैं। स्केलिंग और नियंत्रण की समस्याओं को माइक्रो-एलईडी-ऑन-सीएमओएस सरणी पर स्थानांतरित कर दिया जाता है, एक ऐसी प्रौद्योगिकी जो दशकों के सीएमओएस स्केलिंग और डिस्प्ले उद्योग के निर्माण से लाभान्वित होती है। तार्किक प्रवाह है: 1) एमिटर्स के भौतिक एकीकरण के लिए स्केलेबल प्रिंटिंग का उपयोग करें, 2) इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण और एड्रेसिंग के लिए एक स्केलेबल सीएमओएस सरणी का उपयोग करें, 3) दोनों को प्रकाश से जोड़ें। यह सिस्टम-स्तरीय सोच में एक उत्कृष्ट उदाहरण है, जो गूगल के टीपीयू आर्किटेक्चर के पीछे के दर्शन की याद दिलाता है—जटिल, सघन कम्प्यूटेशनल इकाइयों को प्रबंधित करने के लिए एक सरल, विशेष नियंत्रण परत का उपयोग करना।

4.2 शक्तियाँ एवं गंभीर कमियाँ

शक्तियाँ: इस प्लेटफॉर्म की सुंदरता इसकी सबसे बड़ी ताकत है। माइक्रो-एलईडी सरणी एक तैयार, बड़े पैमाने पर समानांतर प्रकाशीय एड्रेसिंग हेड है। 150 मेगाहर्ट्ज मॉड्यूलेशन, हालांकि लेजर के लिए रिकॉर्ड तोड़ने वाला नहीं है, कई डिजिटल पीआईसी अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त से अधिक है और एक कॉम्पैक्ट, इलेक्ट्रॉनिक ड्राइवर के साथ हासिल किया गया है। विषम एकीकरण का मार्ग व्यावहारिक है, जो उपज के लिए पूर्व-मौजूदा तकनीकों का लाभ उठाता है।

गंभीर कमियाँ: आइए इसे मीठा न बनाएं। कमरे में हाथी है शक्ति दक्षता और ऊष्मा। प्रकाशीय पंपिंग प्रत्यक्ष विद्युत इंजेक्शन की तुलना में स्वाभाविक रूप से कम कुशल है। विद्युत संकेतों को प्रकाश में परिवर्तित करना (माइक्रो-एलईडी में) ताकि एक अन्य प्रकाश एमिटर (नैनोवायर) को पंप किया जा सके, महत्वपूर्ण स्टोक्स शिफ्ट हानियाँ और ऊष्मा उत्पादन पैदा करता है। बड़े पैमाने की सरणियों के लिए, यह तापीय भार निषेधात्मक हो सकता है। दूसरा, एलईडी पिक्सेल और नैनोवायर के बीच संरेखण और युग्मन, हालांकि "निर्धारित" है, उच्च-मात्रा निर्माण के लिए हल किया जाने वाला एक सटीक पैकेजिंग चुनौती बनी हुई है। यह एक एकीकृत कहानी नहीं है; यह एक संकर असेंबली की कहानी है, जिसमें सभी संबंधित विश्वसनीयता के प्रश्न शामिल हैं।

4.3 क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि एवं रणनीतिक निहितार्थ

क्वांटम फोटोनिक्स, लिडार, या ऑप्टिकल कंप्यूटिंग में शोधकर्ताओं और कंपनियों के लिए, यह कार्य चुराने के लिए एक खाका है। तत्काल क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि यह है कि जटिल एमिटर सरणियों के प्रोटोटाइप के लिए इस अलग किए गए आर्किटेक्चर को अपनाएं। शुरुआत से ही हर नैनोवायर को विद्युत रूप से एड्रेस करने योग्य बनाने की कोशिश में चक्र बर्बाद न करें। समानांतर नियंत्रण और सिस्टम कार्यक्षमता में अवधारणाओं का परीक्षण करने के लिए एक वाणिज्यिक या कस्टम माइक्रो-डिस्प्ले को अपने प्रकाशीय "एफपीजीए" के रूप में उपयोग करें।

रणनीतिक निहितार्थ यह है कि मूल्य एमिटर सामग्री से हटकर नियंत्रण इंटरफेस की ओर स्थानांतरित हो रहा है। गैर-डिस्प्ले अनुप्रयोगों (जैसे कि यह) के लिए उच्च-घनत्व, उच्च-गति माइक्रो-एलईडी-ऑन-सीएमओएस सरणियों में महारत हासिल करने वाली कंपनी अगली पीढ़ी की फोटोनिक प्रणालियों के लिए "इंटेल इनसाइड" बन सकती है। इसके अलावा, यह कार्य सूक्ष्म रूप से एक ऐसे भविष्य के पक्ष में तर्क देता है जहां फोटोनिक और इलेक्ट्रॉनिक चिप्स को एक दर्दनाक एकीकृत विवाह में मजबूर नहीं किया जाता है, बल्कि उन्हें अलग, अनुकूलित "चिपलेट्स" होने की अनुमति दी जाती है जो कुशल प्रकाशीय इंटरफेस द्वारा जुड़े होते हैं—डीएआरपीए के नेतृत्व वाली सीएचआईपीएस (कॉमन हेटेरोजीनियस इंटीग्रेशन एंड आईपी रीयूज स्ट्रैटेजीज) पहल के अनुरूप एक दृष्टि।

5. भविष्य के अनुप्रयोग एवं दिशाएँ

प्रदर्शित प्लेटफॉर्म कई आकर्षक भविष्य की दिशाएँ खोलता है:

• बड़े पैमाने के क्वांटम फोटोनिक सर्किट: व्यक्तिगत रूप से एड्रेस करने योग्य एकल-फोटॉन स्रोत फोटोनिक क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए महत्वपूर्ण हैं। इस प्लेटफॉर्म का उपयोग उलझे हुए फोटॉन अवस्थाओं को उत्पन्न करने या प्रोग्रामेबल फोटोनिक सर्किट को खिलाने के लिए नैनोवायर-आधारित क्वांटम डॉट एमिटर्स की सरणियों को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।
• उच्च-रिज़ॉल्यूशन लिडार और 3डी संवेदन: स्वतंत्र रूप से मॉड्यूलेटेड प्रकाश स्रोतों की सघन रूप से पैक की गई सरणी ठोस-अवस्था, फ्लैश लिडार प्रणालियों को सक्षम कर सकती है जिनमें कोई चलने वाला भाग नहीं होता है, जो स्वायत्त वाहनों और रोबोटिक्स के लिए तेज फ्रेम दर और बेहतर विश्वसनीयता प्रदान करती है।
• न्यूरोमॉर्फिक फोटोनिक्स: नैनोसेकंड टाइमिंग के साथ प्रकाशीय एमिटर्स की एक सरणी को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने की क्षमता का उपयोग फोटोनिक न्यूरल नेटवर्क को लागू करने के लिए किया जा सकता है, जहां प्रत्येक एमिटर एक न्यूरॉन का प्रतिनिधित्व करता है और प्रकाशीय कनेक्शन सिनैप्स का प्रतिनिधित्व करते हैं।
• ऑन-चिप ऑप्टिकल इंटरकनेक्ट्स: मॉड्यूलेटेड प्रकाश स्रोतों की एक सघन सरणी के रूप में, यह प्रौद्योगिकी डेटा केंद्रों या उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग सिस्टम के भीतर वेवलेंथ-डिवीजन-मल्टीप्लेक्स्ड (डब्ल्यूडीएम) ऑप्टिकल संचार के लिए ट्रांसमीटर प्रदान कर सकती है।
• अगले कदम: भविष्य के कार्य को समग्र वॉल-प्लग दक्षता में सुधार पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए, संभवतः अनुनादी पंपिंग योजनाओं का अन्वेषण करके या कम पंप थ्रेशोल्ड वाले नैनोवायर्स विकसित करके। ट्रांसफर-प्रिंटिंग प्रक्रिया को लगभग पूर्ण उपज के साथ हजारों डिवाइसों तक स्केल करना एक और महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौती है। अंत में, तरंगदैर्ध्य-चयनात्मक तत्वों (जैसे फिल्टर या ग्रेटिंग) को एकीकृत करने से एकल चिप पर तरंगदैर्ध्य मल्टीप्लेक्सिंग सक्षम होगी।

6. संदर्भ

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2. जाह्न्स, जे., और हुआंग, ए. "फ्री-स्पेस ऑप्टिकल घटकों का प्लानर एकीकरण।" एप्लाइड ऑप्टिक्स, 1989. (माइक्रो-ऑप्टिक्स एकीकरण पर प्रारंभिक कार्य)
3. डीएआरपीए. "सीएचआईपीएस (कॉमन हेटेरोजीनियस इंटीग्रेशन एंड आईपी रीयूज स्ट्रैटेजीज) पहल।" https://www.darpa.mil/program/chips (चिपलेट-आधारित डिजाइन के लिए प्रासंगिक कार्यक्रम)
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