تعارف
الیکٹرانک انٹیگریٹڈ سرکٹس (EICs) کی کامیابی سے متاثر ہو کر، فوٹوونک انٹیگریٹڈ سرکٹس (PICs) کا شعبہ 1969 میں اپنے آغاز کے بعد سے تیار ہو رہا ہے۔ تاہم، EICs کے برعکس، متنوع فوٹوونک ایپلی کیشنز کو سپورٹ کرنے کے قابل ایک عالمگیر پلیٹ فارم کی ترقی ایک بڑا چیلنج بنی ہوئی ہے۔ یہ مضمون ابھرتی ہوئی Lithium Niobate on Insulator (LNOI) ٹیکنالوجی کی کھوج کرتا ہے، جو اگلی نسل کے PICs کے لیے تیزی سے ایک امید افزا حل بن گیا ہے۔
LNOI ٹیکنالوجی کا عروج
Lithium niobate (LN) کو طویل عرصے سے فوٹوونک ایپلی کیشنز کے لیے ایک اہم مواد کے طور پر تسلیم کیا گیا ہے۔ تاہم، صرف پتلی فلم LNOI اور جدید ترین فیبریکیشن تکنیک کی آمد کے ساتھ ہی اس کی پوری صلاحیت کھل گئی ہے۔ محققین نے LNOI پلیٹ فارمز [1] پر انتہائی کم نقصان والے رج ویو گائیڈز اور الٹرا ہائی-کیو مائیکرو ریزونیٹرز کا کامیابی سے مظاہرہ کیا ہے، جس سے مربوط فوٹوونکس میں نمایاں چھلانگ لگائی گئی ہے۔
LNOI ٹیکنالوجی کے اہم فوائد
- انتہائی کم آپٹیکل نقصان(کم سے کم 0.01 ڈی بی/سینٹی میٹر)
- اعلی معیار کے نینو فوٹوونک ڈھانچے
- متنوع نان لائنر آپٹیکل عمل کے لیے سپورٹ
- انٹیگریٹڈ الیکٹرو آپٹک (EO) ٹیون ایبلٹی
LNOI پر نان لائنر آپٹیکل عمل
LNOI پلیٹ فارم پر من گھڑت اعلیٰ کارکردگی والے نینو فوٹوونک ڈھانچے نمایاں کارکردگی اور کم سے کم پمپ پاور کے ساتھ کلیدی نان لائنر آپٹیکل پروسیسز کو حاصل کرنے کے قابل بناتے ہیں۔ مظاہرے کے عمل میں شامل ہیں:
- سیکنڈ ہارمونک جنریشن (SHG)
- سم فریکوئنسی جنریشن (SFG)
- فرق فریکوئنسی جنریشن (DFG)
- پیرامیٹرک ڈاؤن کنورژن (PDC)
- فور ویو مکسنگ (FWM)
ان عملوں کو بہتر بنانے کے لیے مختلف فیز میچنگ اسکیمیں لاگو کی گئی ہیں، LNOI کو ایک انتہائی ورسٹائل نان لائنر آپٹیکل پلیٹ فارم کے طور پر قائم کیا گیا ہے۔
الیکٹرو آپٹیکل ٹیون ایبل انٹیگریٹڈ ڈیوائسز
LNOI ٹیکنالوجی نے فعال اور غیر فعال ٹیون ایبل فوٹوونک آلات کی وسیع رینج کی ترقی کو بھی قابل بنایا ہے، جیسے:
- تیز رفتار آپٹیکل ماڈیولر
- دوبارہ ترتیب دینے کے قابل ملٹی فنکشنل PICs
- ٹیون ایبل فریکوئنسی کنگھی۔
- مائیکرو آپٹو مکینیکل اسپرنگس
یہ آلات روشنی کے سگنلز کے عین مطابق، تیز رفتار کنٹرول کو حاصل کرنے کے لیے لیتھیم نائوبیٹ کی اندرونی EO خصوصیات کا فائدہ اٹھاتے ہیں۔
LNOI فوٹوونکس کی عملی ایپلی کیشنز
LNOI پر مبنی PICs کو اب عملی ایپلی کیشنز کی بڑھتی ہوئی تعداد میں اپنایا جا رہا ہے، بشمول:
- مائیکرو ویو سے آپٹیکل کنورٹرز
- آپٹیکل سینسر
- آن چپ سپیکٹرو میٹر
- آپٹیکل فریکوئنسی کنگھی
- جدید ٹیلی کمیونیکیشن سسٹم
یہ ایپلی کیشنز فوٹو لیتھوگرافک فیبریکیشن کے ذریعے توسیع پذیر، توانائی سے موثر حل پیش کرتے ہوئے، بلک آپٹک اجزاء کی کارکردگی سے مطابقت رکھنے کے لیے LNOI کی صلاحیت کو ظاہر کرتی ہیں۔
موجودہ چیلنجز اور مستقبل کی سمت
اپنی امید افزا پیش رفت کے باوجود، LNOI ٹیکنالوجی کو کئی تکنیکی رکاوٹوں کا سامنا ہے:
a) آپٹیکل نقصان کو مزید کم کرنا
موجودہ ویو گائیڈ نقصان (0.01 dB/cm) اب بھی مواد جذب کرنے کی حد سے زیادہ شدت کا آرڈر ہے۔ سطح کی کھردری اور جذب سے متعلق نقائص کو کم کرنے کے لیے آئن سلائسنگ تکنیکوں اور نینو فابریکیشن میں پیشرفت کی ضرورت ہے۔
ب) بہتر ویو گائیڈ جیومیٹری کنٹرول
ریپیٹ ایبلٹی کی قربانی کے بغیر ذیلی 700 nm ویو گائیڈز اور ذیلی 2 μm کپلنگ گیپس کو فعال کرنا زیادہ انضمام کی کثافت کے لیے بہت ضروری ہے۔
ج) جوڑے کی کارکردگی کو بڑھانا
جبکہ ٹیپرڈ فائبر اور موڈ کنورٹرز اعلی جوڑے کی کارکردگی کو حاصل کرنے میں مدد کرتے ہیں، اینٹی ریفلیکشن کوٹنگز ہوا کے مواد کے انٹرفیس کی عکاسی کو مزید کم کر سکتی ہیں۔
d) کم نقصان والے پولرائزیشن اجزاء کی ترقی
LNOI پر پولرائزیشن غیر حساس فوٹوونک ڈیوائسز ضروری ہیں، ان اجزاء کی ضرورت ہوتی ہے جو فری اسپیس پولرائزرز کی کارکردگی سے مماثل ہوں۔
e) کنٹرول الیکٹرانکس کا انضمام
آپٹیکل کارکردگی کو کم کیے بغیر بڑے پیمانے پر کنٹرول الیکٹرانکس کو مؤثر طریقے سے مربوط کرنا ایک اہم تحقیقی سمت ہے۔
f) ایڈوانسڈ فیز میچنگ اور ڈسپریشن انجینئرنگ
سب مائیکرون ریزولوشن پر قابل اعتماد ڈومین پیٹرننگ نان لائنر آپٹکس کے لیے ضروری ہے لیکن LNOI پلیٹ فارم پر ایک نادان ٹیکنالوجی بنی ہوئی ہے۔
g) من گھڑت نقائص کا معاوضہ
ماحولیاتی تبدیلیوں یا من گھڑت تغیرات کی وجہ سے فیز شفٹوں کو کم کرنے کی تکنیکیں حقیقی دنیا کی تعیناتی کے لیے ضروری ہیں۔
h) موثر ملٹی چپ کپلنگ
ایک سے زیادہ LNOI چپس کے درمیان موثر جوڑے کو ایڈریس کرنا سنگل ویفر انضمام کی حدوں سے آگے بڑھنے کے لیے ضروری ہے۔
فعال اور غیر فعال اجزاء کا یک سنگی انضمام
LNOI PICs کے لیے ایک بنیادی چیلنج فعال اور غیر فعال اجزاء کا سرمایہ کاری مؤثر یک سنگی انضمام ہے جیسے:
- لیزرز
- پتہ لگانے والے
- غیر لکیری طول موج کنورٹرز
- ماڈیولرز
- ملٹی پلیکسرز/ڈیملٹی پلیکسرز
موجودہ حکمت عملیوں میں شامل ہیں:
a) LNOI کی آئن ڈوپنگ:
مخصوص علاقوں میں فعال آئنوں کی منتخب ڈوپنگ آن چپ لائٹ ذرائع کا باعث بن سکتی ہے۔
ب) بانڈنگ اور متضاد انضمام:
ڈوپڈ LNOI لیئرز یا III-V لیزرز کے ساتھ پری فیبریکیٹڈ غیر فعال LNOI PICs کو بانڈ کرنا ایک متبادل راستہ فراہم کرتا ہے۔
ج) ہائبرڈ ایکٹو/غیر فعال LNOI ویفر فیبریکیشن:
ایک اختراعی نقطہ نظر میں آئن سلائسنگ سے پہلے ڈوپڈ اور انڈوپڈ LN ویفرز کو بانڈ کرنا شامل ہے، جس کے نتیجے میں LNOI ویفرز فعال اور غیر فعال دونوں خطوں کے ساتھ بنتے ہیں۔
تصویر 1ہائبرڈ انٹیگریٹڈ فعال/غیر فعال PICs کے تصور کی وضاحت کرتا ہے، جہاں ایک واحد لتھوگرافک عمل دونوں قسم کے اجزاء کی ہموار سیدھ اور انضمام کو قابل بناتا ہے۔
فوٹو ڈیٹیکٹرز کا انضمام
فوٹو ڈیٹیکٹرز کو LNOI پر مبنی PICs میں ضم کرنا مکمل طور پر فعال نظام کی طرف ایک اور اہم قدم ہے۔ دو بنیادی نقطہ نظر زیر تفتیش ہیں:
a) متفاوت انضمام:
سیمی کنڈکٹر نانوسٹریکچرز کو عارضی طور پر LNOI ویو گائیڈز کے ساتھ جوڑا جا سکتا ہے۔ تاہم، پتہ لگانے کی کارکردگی اور اسکیل ایبلٹی میں بہتری کی اب بھی ضرورت ہے۔
ب) غیر لکیری طول موج کی تبدیلی:
LN کی نان لائنر خصوصیات ویو گائیڈز کے اندر فریکوئنسی کی تبدیلی کی اجازت دیتی ہیں، آپریٹنگ طول موج سے قطع نظر معیاری سلکان فوٹو ڈیٹیکٹر کے استعمال کو قابل بناتی ہیں۔
نتیجہ
LNOI ٹیکنالوجی کی تیز رفتار ترقی صنعت کو ایک عالمگیر PIC پلیٹ فارم کے قریب لاتی ہے جو ایپلی کیشنز کی ایک وسیع رینج کی خدمت کرنے کے قابل ہے۔ موجودہ چیلنجوں سے نمٹنے اور یک سنگی اور ڈیٹیکٹر انضمام میں اختراعات کو آگے بڑھاتے ہوئے، LNOI پر مبنی PICs ٹیلی کمیونیکیشن، کوانٹم انفارمیشن، اور سینسنگ جیسے شعبوں میں انقلاب لانے کی صلاحیت رکھتے ہیں۔
LNOI کے پاس توسیع پذیر PICs کے دیرینہ وژن کو پورا کرنے کا وعدہ ہے، جو EICs کی کامیابی اور اثرات سے مماثل ہے۔ R&D کی مسلسل کوششیں — جیسا کہ نانجنگ فوٹوونکس پروسیس پلیٹ فارم اور XiaoyaoTech ڈیزائن پلیٹ فارم سے — مربوط فوٹوونکس کے مستقبل کو تشکیل دینے اور ٹیکنالوجی کے ڈومینز میں نئے امکانات کو کھولنے میں اہم ثابت ہوں گی۔
پوسٹ ٹائم: جولائی 18-2025