Udhibiti wa Safu za Vitoa Mwangaza vya Nanowire Kwa Kifaa cha Micro-LED: Jukwaa Linaloweza Kupanuka kwa Nanofotoniki

2.1 Ujumuishaji Mchanganyiko Kupitia Uchapishaji wa Uhamisho

Nanowire za semikondukta, zinazofanya kazi kama vitoa mwangaza vya infrared, zinachapishwa kwa uhamisho kutoka kwenye msingi wao wa ukuaji hadi kwenye msingi wa kupokea wenye njia za mawimbi za mwanga za polima zilizotengenezwa mapema. Mchakato huu unawezesha:

• Usanikishaji wa uhakika wenye usahihi wa juu wa nafasi.
• Mavuno makubwa ya ujumuishaji wa vitoa mwangaza vingi.
• Kuunganishwa kwa utoaji wa mwangaza wa nanowire moja kwa moja kwenye hali ya njia ya mawimbi.

Njia hii inashinda kutokuwa na mpangilio wa mbinu za jadi za ukuaji kwenye msingi, hatua muhimu kwa ujumuishaji wa kiwango cha mfumo.

2.2 Safu ya Micro-LED-on-CMOS kama Chanzo cha Kuchochea

Badala ya mifumo ya jadi ya laser yenye ukubwa mkubwa, safu ya micro-LED-on-CMOS hutumika kama chanzo cha kuchochea cha mwangaza. Kila pikseli ya micro-LED:

• Inaweza kudhibitiwa kwa pekee na kudhibitiwa kupitia mzunguko wa msingi wa CMOS.
• Inaweza kufanya kazi ya mipigo ya kiwango cha nanosekunde.
• Imepangwa kwenye gridi mnene ya 2D (128×128), ikiruhusu uchochezi wenye wingi wa anga.

Matrix hii ya udhibiti wa kielektroniki ndio ufunguo wa kudhibiti sambamba, inayoweza kupanuka, ya vitoa mwangaza vingi vya nanowire.

3.1 Udhibiti wa Mwangaza (Ufunguzi na Kuzima)

Uchochezi wa moja kwa moja wa mwangaza wa kitoa mwangaza kimoja cha nanowire kilichochapishwa kwa uhamisho ulichanganuliwa. Pikseli ya micro-LED iliongozwa na ishara ya dijiti ili kufanya Ufunguzi na Kuzima (OOK).

• Matokeo: Udhibiti wazi wa mwangaza kutoka kwa kitoa mwangaza cha nanowire ulipimwa kwa kasi hadi 150 MHz.
• Maana: Hii inaonyesha uwezekano wa kutumia micro-LED kwa udhibiti wa data wa kasi ya juu katika viungo vya nanofotoniki, ikizidi kwa mbali upana wa njia mbadala za kudhibiti mwangaza wa anga (SLM) (~10 kHz).

3.2 Udhibiti Sambamba wa Vitoa Mwangaza Vingi

Faida kuu ya safu hiyo ilionyeshwa kwa kuamilisha kwa kuchagua pikseli tofauti za micro-LED ili kuchochea vitoa mwangaza vingi, vilivyotengwa kwa anga vya nanowire vilivyojumuishwa kwenye njia tofauti za mawimbi.

• Matokeo: Udhibiti wa pekee juu ya utoaji wa mwangaza kutoka kwa nanowire nyingi zilizounganishwa na njia za mawimbi ulipatikana sambamba.
• Maana: Hii inathibitisha uwezo wa kupanuka wa jukwaa hili, kukiuka uchochezi wa kifaa kimoja hadi mfumo ambapo vitoa mwangaza vingi vinaweza kuandikwa kwa kujitegemea—hitaji la msingi kwa saketi zilizojumuishwa za fotoni (PIC) ngumu.

4.1 Uelewa wa Msingi na Mtiririko wa Mantiki

Hebu tupitie maneno ya kitaaluma. Uelewa wa msingi hapa sio tu kuhusu kufanya nanowire ziwakwe kwa kasi; ni hila ya usanifu mzuri ya kutatua I/O ya fotoni. Mantiki ni wazi: 1) Nanowire ni vitoa mwangaza bora mnene lakini ni janga la kuunganisha kwa umeme kwa kiwango kikubwa. 2) Uchochezi wa mwangaza unatatua tatizo la wiring lakini kwa kawaida hutegemea laser zenye ukubwa mkubwa, zisizoweza kupanuka. 3) Hatua ya waandishi? Kukopa usanifu wenye wingi sambamba, unaodhibitiwa kwa dijiti kutoka kwa tasnia ya onyesho (micro-LED-on-CMOS) na kuutumia tena kama mtandao wa utoaji wa nguvu ya mwangaza unaoweza kuandikwa. Hii sio uboreshaji wa kidogo; ni mabadiliko ya dhana kutoka "kudhibiti vifaa" hadi "kudhibiti sehemu za mwanga" ambazo kisha zinadhibiti vifaa. Inatenganisha ugumu wa udhibiti wa kielektroniki (uliotatuliwa na CMOS) kutoka kwa ugumu wa utoaji wa fotoni (uliotatuliwa na nanowire).

4.2 Nguvu na Kasoro Muhimu

Nguvu:

• Njia ya Kupanuka ni Wazi: Kuchukua faida ya utengenezaji wa CMOS na onyesho la micro-LED ni hatua bora. Njia ya kufikia safu za pikseli 4K (3840×2160) tayari iko katika maendeleo kwa ajili ya maonyesho, inayoweza kutafsiriwa moja kwa moja kwenye jukwaa hili.
• Usambamba wa Kweli: Tofauti na SLM au sehemu moja ya laser, hii inatoa udhibiti wa kweli wa wakati mmoja, huru wa maeneo maelfu ya utoaji wa mwangaza.
• Kasi: OOK ya 150 MHz inastahili kwa matumizi ya awali ya usambazaji wa saa ya mwangaza kati ya chip au kwenye chip.

Kasoro Muhimu na Maswali Yasiyojibiwa:

• Sanduku Nyeusi la Ufanisi wa Nguvu: Karatasi hii haisemi chochote kuhusu ufanisi wa kuziba-kuta wa mchakato wa kuchochea micro-LED → utoaji wa nanowire. Micro-LED zenyewe, haswa katika viwango vidogo, zinakabiliwa na kupungua kwa ufanisi. Ikiwa mnyororo wote haufai, hufuta faida za nguvu zilizoahidiwa na nanofotoniki. Hii inahitaji kipimo cha makini.
• Usimamizi wa Joto: Safu mnene ya micro-LED zilizochochewa kwa umeme zinazochochea safu mnene ya nanowire ni janga la joto linalyosubiri kutokea. Mwingiliano wa joto na mtawanyiko haujashughulikiwa.
• Mavuno ya Mkusanyiko Kamili: Wanaripoti mavuno makubwa ya uchapishaji wa uhamisho, lakini mavuno ya mfumo (pikseli ya micro-LED inayofanya kazi + nanowire iliyowekwa/kushikamana kikamilifu + njia ya mawimbi inayofanya kazi) ndio kipimo cha kweli cha VLSI-fotoni, na haijaripotiwa.

4.3 Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa na Mtazamo wa Mchambuzi

Kazi hii ni uthibitisho wa dhana unaovutia, lakini iko katika hatua ya "jaribio la shujaa". Ili hii ihame kutoka Sayansi hadi Jarida la IEEE la Saketi Imara za Jimbo, hiki ndicho kinachohitajika kutokea:

1. Kulinganisha na Mwenyeji: Waandishi lazima walinganishe moja kwa moja utendaji wa jukwaa lao (nishati/bit ya udhibiti, eneo la kukaa, mwingiliano) dhidi ya hali ya kisasa ya nanolaser za fuwele za fotoni zilizochochewa kwa umeme au vidadhibiti vya plasmonic vilivyojumuishwa kwenye silikoni. Bila hii, ni hila tu nzuri.
2. Kutengeneza Itifaki ya Kawaida ya Ujumuishaji: Uchapishaji wa uhamisho unahitaji kukua na kuwa kiti cha kubuni—seti ya sheria za kubuni, maktaba za seli za kawaida za vitengo vya "nanowire + njia ya mawimbi", na mifano ya joto. Angalia mageuzi ya PDK za fotoni za silikoni kama mchoro.
3. Kulenga Matumizi Muhimu: Usiseme tu "PIC." Bainisha. Udhibiti sambamba unapigia kelele vifaa vya mtandao wa neva vya mwangaza au viiga vya quantum vya fotoni vinavyoweza kuandikwa ambapo muundo wa uchochezi unaoweza kubadilishwa ndio muhimu zaidi. Shirikiana na vikundi katika nyanja hizo mara moja.

Uamuzi Wangu: Hii ni utafiti wenye hatari kubwa, na thawabu kubwa. Nguvu ya usanifu wa dhana haiweza kukataliwa. Hata hivyo, timu lazima sasa ihame kutoka kwa wanasayansi wa fizikia ya fotoni hadi wahandisi wa mifumo ya fotoni, wakikabiliana na ukweli mchafu wa nguvu, joto, mavuno, na ujumuishaji wa kawaida. Ikiwa wataweza, hii inaweza kuwa teknolojia ya msingi. Ikiwa hawawezi, inabaki kuwa uthibitisho bora wa kitaaluma.

Maelezo ya Kiufundi na Mazingira ya Hisabati

Upana wa udhibiti kimsingi umezuiliwa na mienendo ya wabebaji katika micro-LED ya kuchochea na kitoa mwangaza cha nanowire. Mfano rahisi wa mlinganyo wa kiwango cha msongamano wa wabebaji waliochochewa wa nanowire $N$ chini ya uchochezi wa mipigo ni:

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

ambapo $R_{pump}$ ni kiwango cha kuchochea cha micro-LED (sawasawa na mipigo yake ya sasa), $\tau_{nr}$ ni maisha yasiyo ya mionzi, na $\tau_r$ ni maisha ya mionzi. Upana wa 150 MHz unaonyesha maisha ya pamoja ($\tau_{total} = (\tau_{nr}^{-1} + \tau_r^{-1})^{-1}$) ya mpangilio wa nanosekunde chache. Maisha ya mchanganyiko ya micro-LED yenyewe lazima yawe mafupi ili yasiwe kikwazo. Uwiano wa kuwasha-kuzima (uwiano wa kutoweka) kwa udhibiti wa OOK ni muhimu na inategemea tofauti kati ya viwango vya utoaji vilivyochochewa na visivyochochewa, ambayo ni kazi ya ubora wa nanowire na nguvu ya kuchochea.

Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi (Sio Msimbo)

Kesi: Kutathmini Uwezo wa Kupanuka kwa Matumizi Lengwa (Unganisho wa Mwangaza)

1. Bainisha Mahitaji: Unganisho wa mwangaza kwenye chip unahitaji njia 256 huru, kila moja ikidhibitiwa kwa 10 Gbps na bajeti ya nguvu ya 1 pJ/bit.
2. Ramani kwa Jukwaa:
   • Idadi ya Njia: Safu ndogo ya micro-LED ya 16×16 (pikseli 256) inakidhi hitaji.
   • Kasi: 150 MHz << 10 GHz. BENDERA NYEKUNDU. Hii inahitaji uhandisi wa nyenzo/kifaa kuboresha mienendo ya wabebaji kwa takriban mpangilio wa 2.
   • Nguvu: Makadirio: Ufanisi wa kuziba-kuta wa micro-LED (~5%?) × Ufanisi wa kunyonya/utoaji wa nanowire (~10%?) = Ufanisi wa mfumo ~0.5%. Kwa 1 pJ/bit kwenye mpokeaji, pembejeo ya umeme kwa kila bit itakuwa ~200 pJ. Hii ni juu ikilinganishwa na CMOS ya hali ya juu. CHANGAMOTO KUBWA.
3. Hitimisho: Jukwaa la sasa, ingawa linaweza kupanuka kwa idadi, halikidhi mahitaji ya kasi na nguvu kwa matumizi haya lengwa. Maendeleo lazima yapendeze vitoa mwangaza vya kasi zaidi (k.m., chembechembe za quantum, nanowire zilizobuniwa) na micro-LED zenye ufanisi wa juu zaidi.