Udhibiti wa Safu za Vitoa Mwangaza vya Nyuzi-Ndogo kwa Teknolojia ya Micro-LED

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Kazi hii inawasilisha jukwaa la kuvutia linaloweza kuongezeka kwa kusisimua vitoa mwangaza vya nanofotoni, haswa nyuzi-ndogo za semikondukta, kwa kutumia safu za micro-LED-on-CMOS zinazoweza kudhibitiwa kwa pekee. Utafiti huu unashughulikia vizingiti viwili vya msingi katika kuhama kutoka kwa maonyesho ya kifaa kimoja hadi mifumo ya vitendo kwenye chip: 1) uunganishaji wa hakika, wenye mavuno ya juu ya vitoa mwangaza vingi vya kipimo cha nano, na 2) udhibiti wao wa sambamba na wa kasi wa kielektroniki. Timu kutoka Chuo Kikuu cha Strathclyde na Chuo Kikuu cha Kitaifa cha Australia inaonyesha mbinu ya ushirikiano inayochanganya uchapishaji-uhamisho mdogo kwa ajili ya usanikishaji wa nyuzi-ndogo na safu za hali ya juu za micro-LED kwa ajili ya kusukumia kwa mwangaza, ikifikia kasi za udhibiti hadi 150 MHz.

2. Teknolojia ya Msingi na Mbinu

2.1 Uunganishaji Mchanganyiko kupitia Uchapishaji-Uhamisho

Usanikishaji wa hakika wa nyuzi-ndogo za semikondukta zinazotoa mwanga wa infrared unapatikana kupitia mbinu za uunganishaji mchanganyiko, hasa uchapishaji-uhamisho mdogo. Utaratibu huu huruhusu kuwekwa kwa usahihi kwa nyuzi-ndogo zilizochunguzwa awali kutoka kwenye msingi wao wa ukuaji hadi kwenye msingi wa kupokea unao na njia za mwanga za polima zilizotengenezwa mapema. Mbinu hii inajivunia mavuno ya juu na usahihi wa nafasi, jambo muhimu kwa ajili ya kujenga saketi ngumu za fotoni. Mbinu hii inapita zaidi ya mipaka ya jadi ya "kuchukua-na-kuweka", ikiruhusu uunganishaji unaoweza kuongezeka wa nyenzo tofauti (nyuzi-ndogo za III-V kwenye majukwaa ya msingi wa Si), dhana kuu kwa fotoni za kisasa kama ilivyoangaziwa katika ukaguzi wa uunganishaji mchanganyiko.

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

Chanzo cha msisimko ni uvumbuzi muhimu. Badala ya lasers kubwa, zenye doa moja au Modulator za Mwangaza za Anga (SLM) zenye kasi ndogo, timu hutumia safu ya micro-LED iliyotengenezwa moja kwa moja kwenye bango la nyuma la CMOS. Teknolojia hii, iliyoendelezwa na kikundi chenyewe, ina safu ya pikseli 128x128 inayoweza kutoa msukumo wa nanosekunde, udhibiti wa pikseli huru hadi kwa sura milioni 0.5 kwa sekunde, na udhibiti wa kiwango cha kijivu. Kila pikseli ya micro-LED hufanya kazi kama kichocheo cha mwangaza cha eneo maalum kwa kitoa mwangaza kinacholingana cha nyuzi-ndogo, ikiruhusu anwani ya kielektroniki ya kweli na udhibiti.

3. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

3.1 Udhibiti wa Mwangaza na Kasi

Kusukumia kwa moja kwa moja kwa mwangaza kwa nyuzi-ndogo zilizojumuishwa kwenye njia ya mwanga na pikseli za micro-LED kuliweza kuonyeshwa kwa mafanikio. Mfumo ulifikia udhibiti wa mwangaza kwa kutumia ufunguo rahisi wa washa-zima (OOK) kwa viwango hadi 150 MHz. Kasi hii ni mamlaka ya ukubwa zaidi kuliko inavyowezekana kwa kusukumia kwa msingi wa SLM (~10 kHz) na inatosha kwa matumizi mengi ya mawasiliano ya mwangaza ndani ya chip na uchunguzi. Ufanisi wa udhibiti na upotezaji wa kuunganisha kati ya kichocheo cha micro-LED na kitoa mwangaza cha nyuzi-ndogo ni vigezo muhimu vinavyotambuliwa na kuingiliana kwa mwanga wa kichocheo na eneo linalofanya kazi la nyuzi-ndogo na muundo wa njia ya mwanga.

3.2 Udhibiti Sambamba wa Vitoa Mwangaza Vingi

Matokeo muhimu ni udhibiti wa sambamba, wa pekee wa vitoa mwangaza vingi vya nyuzi-ndogo vilivyounganishwa kwenye njia ya mwanga. Kwa kuwezesha kwa kuchagua pikseli tofauti kwenye safu ya micro-LED-on-CMOS, nyuzi-ndogo maalum kwenye safu zilisisimuliwa kwa kujitegemea. Hii inathibitisha dhana ya usanifu wa anwani unaoweza kuongezeka, ikipita zaidi ya majaribio ya kifaa kimoja kuelekea utendaji wa kiwango cha mfumo. Jaribio hili linafungua njia ya kutumia safu kama hizo kudhibiti idadi kubwa zaidi ya vitoa mwangaza kwa ajili ya saketi ngumu za fotoni zilizojumuishwa (PICs).

Maelezo ya Takwimu

Mchoro wa Mfumo Uliojumuishwa: Mchoro ungeonyesha chip ya CMOS na safu ya 2D ya pikseli za micro-LED. Juu yake, safu ya njia ya mwanga ya polima ina safu ya nyuzi-ndogo za semikondukta, kila moja ikiwa sawa na kuwekwa ili kusukumwa kwa mwangaza na pikseli maalum ya micro-LED iliyo chini. Mishale inaonyesha ishara huru za udhibiti wa kielektroniki kutoka kwa CMOS inayoendesha LED binafsi, ambazo kwa upande zinasukumia nyuzi-ndogo maalum, zikitoa mwanga ndani ya njia ya mwanga.

4. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo

4.1 Uelewa wa Msingi na Mtiririko wa Mantiki

Uelewa wa msingi wa karatasi hiyo ni rahisi sana lakini wenye nguvu: tenga tatizo la kuongezeka. Badala ya kujaribu kufanya nyuzi-ndogo ziendeshwe kwa umeme na kujumuishwa kwa wingi—ndoto ya nyenzo na utengenezaji—wanaendelea kuziweka nyuzi-ndogo kama kitoa mwangaza safi, chenye ufanisi. Migogoro ya kuongezeka na udhibiti hupelekwa kwenye safu ya micro-LED-on-CMOS, teknolojia inayofaidika kutokana na kuongezeka kwa CMOS kwa miongo kadhaa na utengenezaji wa tasnia ya maonyesho. Mtiririko wa mantiki ni: 1) Tumia uchapishaji unaoweza kuongezeka kwa ajili ya uunganishaji wa kimwili wa vitoa mwangaza, 2) Tumia safu ya CMOS inayoweza kuongezeka kwa ajili ya udhibiti wa kielektroniki na anwani, 3) Unganisha hizo mbili kwa mwanga. Hii ni darasa kuu katika kufikiri kwa kiwango cha mfumo, ikikumbusha falsafa nyuma ya usanifu wa TPU wa Google—kutumia safu rahisi, maalum ya udhibiti kusimamia vitengo ngumu, vikubwa vya hesabu.

4.2 Nguvu na Kasoro Muhimu

Nguvu: Uzuri wa jukwaa hili ndio nguvu yake kubwa zaidi. Safu ya micro-LED ni kichwa tayari, cha sambamba sana cha anwani ya mwangaza. Udhibiti wa 150 MHz, ingawa hauvunji rekodi za lasers, unatosha zaidi kwa matumizi mengi ya dijiti ya PIC na unapatikana kwa kiendeshi cha kompakt, cha kielektroniki. Njia ya uunganishaji mchanganyiko ni ya vitendo, ikitumia mbinu zilizopo tayari kwa ajili ya mavuno.

Kasoro Muhimu: Tusifanye iwe tamu. Tembo kwenye chumba ni ufanisi wa nguvu na joto. Kusukumia kwa mwangaza kwa asili ni duni kuliko kuingizwa kwa moja kwa moja kwa umeme. Kubadilisha ishara za umeme kuwa mwanga (kwenye micro-LED) ili kusukumia kitoa mwangaza kingine (nyuzi-ndogo) huleta upotezaji mkubwa wa mabadiliko ya Stokes na uzalishaji wa joto. Kwa safu kubwa, mzigo huu wa joto unaweza kuwa wa kuzuia. Pili, kuunganishwa na kuunganisha kati ya pikseli ya LED na nyuzi-ndogo, ingawa "hakika," bado ni changamoto ya usahihi ya ufungaji ambayo lazima itatuliwe kwa ajili ya utengenezaji wa wingi. Hii sio hadithi ya uunganishaji wa kimoja; ni ya usanikishaji mchanganyiko, na maswali yote yanayohusiana ya kuaminika.

4.3 Ufahamu Unaotumika na Maana ya Kimkakati

Kwa watafiti na kampuni katika fotoni za quantum, LiDAR, au kompyuta za mwangaza, kazi hii ni mfano wa kuiba. Ufahamu wa moja kwa moja unaotumika ni kukubali usanifu huu uliotengwa kwa ajili ya kuunda mifano ya safu ngumu za vitoa mwangaza. Usipoteze mizunguko kujaribu kufanya kila nyuzi-ndogo iweze kudhibitiwa kwa umeme tangu mwanzo. Tumia maonyesho ya kibiashara au maalum kama "FPGA" yako ya mwangaza kujaribu dhana katika udhibiti sambamba na utendaji wa mfumo.

Maana ya kimkakati ni kwamba thamani inabadilika kutoka kwa nyenzo yenyewe ya kitoa mwangaza hadi kwenye kiingilio cha udhibiti. Kampuni itakayeweza kufanikiwa kwa safu za micro-LED-on-CMOS zenye msongamano wa juu, zenye kasi ya juu kwa matumizi yasiyo ya maonyesho (kama hii) inaweza kuwa "Intel ndani" kwa mifumo ya fotoni ya kizazi kijacho. Zaidi ya hayo, kazi hii inasema kwa njia ya kificho kwa siku zijazo ambapo chip za fotoni na za kielektroniki hazilazimishiwe ndoa ya uchungu ya kimoja lakini ziruhusiwe kuwa "vijichip" tofauti, vilivyoboreshwa vilivyounganishwa na viingilio vya mwangaza vya ufanisi—maono yanayolingana na mpango wa CHIPS (Mikakati ya Kawaida ya Uunganishaji Mchanganyiko na Matumizi ya IP) unaoongozwa na DARPA.

5. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Jukwaa lililoonyeshwa linafungua mwelekeo kadhaa wa baadaye wenye mvutano:

• Saketi Kubwa za Fotoni za Quantum: Vyanzo vya fotoni moja vinavyoweza kudhibitiwa kwa pekee ni muhimu kwa kompyuta za quantum za fotoni. Jukwaa hili linaweza kutumika kudhibiti safu za vitoa mwangaza vya nukta za quantum vilivyotengenezwa kwa msingi wa nyuzi-ndogo kwa ajili ya kuzalisha hali za fotoni zilizounganishwa au kwa kulisha saketi za fotoni zinazoweza kupangwa.
• LiDAR ya Uchambuzi wa Juu na Uchunguzi wa 3D: Safu iliyojazwa kwa msongamano ya vyanzo vya mwanga vilivyodhibitiwa kwa kujitegemea inaweza kuwezesha mifumo ya LiDAR ya umeme, isiyo na sehemu zinazosonga, ikitoa viwango vya sura vya kasi na kuaminika kwa magari yanayojitegemea na roboti.
• Fotoni za Neuromorphic: Uwezo wa kudhibiti kwa kujitegemea safu ya vitoa mwangaza kwa wakati wa nanosekunde unaweza kutumika kutekeleza mitandao ya neva ya fotoni, ambapo kila kitoa mwangaza kinawakilisha neva na miunganisho ya mwangaza inawakilisha sinapsi.
• Viunganishi vya Mwangaza kwenye Chip: Kama safu ya msongamano ya vyanzo vya mwanga vilivyodhibitiwa, teknolojia hii inaweza kutoa vifaa vya kutuma kwa mawasiliano ya mwangaza yaliyogawanywa kwa urefu wa wimbi (WDM) ndani ya vituo vya data au mifumo ya kompyuta yenye utendaji wa juu.
• Hatua za Baadaye: Kazi ya baadaye lazima ilenge kuboresha ufanisi wa jumla wa kuziba-kuta, uwezekano kwa kuchunguza mifumo ya kusukumia ya resonant au kukuza nyuzi-ndogo zenye viwango vya chini vya kusukumia. Kuongeza utaratibu wa uchapishaji-uhamisho hadi maelfu ya vifaa kwa mavuno karibu kamili ni changamoto nyingine muhimu ya uhandisi. Hatimaye, kujumlisha vipengele vya kuchagua urefu wa wimbi (kama vichungi au gratings) kungewezesha ujumuishaji wa urefu wa wimbi kwenye chip moja.

6. Marejeo

1. Bowers, J. E., et al. "Uunganishaji Mchanganyiko kwa Fotoni." Nature, 2022. (Ukaguzi wa mbinu za uunganishaji)
2. Jahns, J., & Huang, A. "Ujumuishaji wa mpangilio wa vipengele vya mwangaza vya nafasi huru." Applied Optics, 1989. (Kazi ya mapema juu ya ujumuishaji wa micro-optics)
3. DARPA. "Mpango wa CHIPS (Mikakati ya Kawaida ya Uunganishaji Mchanganyiko na Matumizi ya IP)." https://www.darpa.mil/program/chips (Mpango unaohusika kwa usanifu wa msingi wa vijichip)
4. McKendry, J. J. D., et al. "Mawasiliano ya Kasi ya Juu ya Mwangaza Unaonekana Kwa Kutumia Micro-LEDs Binafsi Zinazodhibitiwa na CMOS." IEEE Photonics Technology Letters, 2020. (Usuli wa teknolojia ya micro-LED iliyotumika)
5. Eggleton, B. J., et al. "Fotoni za Chalcogenide." Nature Photonics, 2011. (Mfano wa nyenzo za hali ya juu za fotoni)
6. Zhu, J., et al. "Uchunguzi wa Kipekee wa Nanoparticle kwenye Chip na Kupima Ukubwa kwa Kugawanya Hali katika Kiresoneta cha Micro chenye-Q ya Juu Sana." Nature Photonics, 2010. (Mfano wa uchunguzi wa nanofotoni)