🔬 optics

3D Photonic integration leveraging hybrid-confinement circuits

यह शोध पत्र एक स्केलेबल 3D फोटोनिक एकीकरण प्लेटफॉर्म को प्रदर्शित करता है जो ऑप्टिकल न्यूरल नेटवर्क जैसे अनुप्रयोगों के लिए कॉम्पैक्ट, कम-हानि वाले रूटिंग, कुशल मोड ट्रांज़िशन और जटिल सर्किट घटकों को प्राप्त करने के लिए उच्च-कन्फाइनमेंट एयर-क्लैड और लो-कन्फाइनमेंट पॉलीमर-क्लैड वेवगाइड्स को मोनोलिथिक रूप से संयोजित करता है।

मूल लेखक: Kanhaya Sharma, Adrià Grabulosa, Erik Jung, Daniel Brunner

प्रकाशित 2026-05-26

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Kanhaya Sharma, Adrià Grabulosa, Erik Jung, Daniel Brunner

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप प्रकाश की सूक्ष्म किरणों के लिए सड़कों का एक जटिल शहर बनाने की कोशिश कर रहे हैं। दशकों से, इंजीनियर इन "प्रकाश शहरों" को सपाट, द्वि-आयामी (2D) मानचित्रों (जैसे कागज की एक सपाट शीट) पर बना रहे हैं। हालांकि यह काम करता है, लेकिन यह अब भीड़भाड़ वाला होता जा रहा है। ठीक वैसे ही जैसे एक सपाट शहर में आप तब तक अधिक सड़कें नहीं बना सकते जब तक कि ट्रैफिक जाम न हो जाए, प्रकाश के सर्किट भी एक ऐसी भौतिक सीमा पर पहुँच रहे हैं जहाँ वे और छोटे या अधिक कुशल नहीं हो सकते।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 2D के बारे में सोचना बंद कर दिया और 3D में निर्माण करना शुरू किया। उन्होंने प्रकाश के दो अलग-अलग प्रकार के "मार्गों" को एक ही, निर्बाध संरचना में मिलाने का एक नया तरीका बनाया।

यहाँ उनके आविष्कार का सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करके विवरण दिया गया है:

1. मार्गों के दो प्रकार

टीम ने महसूस किया कि प्रकाश के सर्किट के विभिन्न हिस्सों को अलग-अलग प्रकार के मार्गों की आवश्यकता होती है। उन्होंने दो अलग-अलग शैलियों को मिलाकर एक हाइब्रिड सिस्टम बनाया:

"एयर-हाईवे" (उच्च-कन्फाइनमेंट/High-Confinement): एक संकीले, उच्च-गति वाले टनल (सुरंग) की कल्पना करें जिसके चारों ओर कोई दीवार नहीं है, बस हवा है। क्योंकि प्रकाश को इस छोटे से टनल में बहुत कसकर दबाया गया है, इसलिए यह बिना टकराए या लीक हुए अत्यंत तीखे मोड़ ले सकता है। यह सर्किट को बहुत सघन और छोटा बनाने के लिए बेहतरीन है। हालाँकि, क्योंकि टनल बहुत तंग है, यदि सड़क पूरी तरह से चिकनी नहीं है, तो प्रकाश थोड़ा "घबरा" (scatting) सकता है।
"पॉलिमर-स्ट्रीट" (कम-कन्फाइनमेंट/Low-Confinement): एक चौड़ी, कोमल सड़क की कल्पना करें जो एक विशेष प्लास्टिक (पॉलिमर) से बनी है। यहाँ प्रकाश अधिक ढीले तरीके से चलता है। यह बहुत स्थिर और नियंत्रित करने में आसान है, जो इसे लंबे, सीधे रास्तों के लिए आदर्श बनाता है जहाँ आप नहीं चाहते कि प्रकाश भ्रमित हो। हालाँकि, यदि आप इस चौड़ी सड़क पर तीखा मोड़ लेने की कोशिश करते हैं, तो प्रकाश किनारों से बाहर निकल जाता है और खो जाता है।

2. जादुई पुल (परिवर्तन/The Transition)

सबसे बड़ी चुनौती इन दो बहुत अलग सड़कों को जोड़ना था। यदि आप एक चौड़ी, ऊबड़-खाबड़ सड़क से सीधे एक संकीले, उच्च-गति वाले टनल में जाने की कोशिश करते हैं, तो आप दुर्घटनाग्रस्त हो सकते हैं या गति खो सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने चौड़ी पॉलिमर सड़क और तंग एयर-टनल के बीच एक पूरी तरह से चिकना ट्रांजिशन ज़ोन बनाया। उन्होंने प्रवेश द्वार को सावधानीपूर्वक आकार दिया ताकि जैसे-जैसे प्रकाश एक सड़क से दूसरी सड़क पर जाता है, उसका "आकार" पूरी तरह से मेल खा सके।

परिणाम: उन्होंने एक लगभग अदृश्य हैंडऑफ हासिल किया। दोनों प्रकार के मार्गों के बीच स्विच करते समय प्रकाश लगभग कोई ऊर्जा नहीं खोता है (केवल लगभग 0.25 dB)। यह एक निर्बाध टेलीपोर्टेशन की तरह है जहाँ प्रकाश को पता भी नहीं चलता कि उसने लेन बदल ली है।

3. तीखे मोड़ (यूलर बेंड्स/Euler Bends)

पुराने सपाट संसार में, प्रकाश के लिए तीखा मोड़ लेने का मतलब अक्सर सिग्नल का नुकसान होता था। शोधकर्ताओं ने एक विशेष गणितीय वक्र (curve) का उपयोग किया जिसे यूलर बेंड कहा जाता है।

उपमा: एक रेस कार ड्राइवर के बारे में सोचें। यदि आप स्टीयरिंग व्हील को तुरंत बाईं ओर घुमाते हैं, तो कार अनियंत्रित हो सकती है। लेकिन यदि आप स्टीयरिंग को धीरे-धीरे घुमाते हैं, जिससे मोड़ की तीक्ष्णता बढ़ती है और फिर धीरे-धीरे सीधा करते हैं, तो कार ट्रैक पर बनी रहती है।
परिणाम: इस क्रमिक वक्र का उपयोग करके, वे लगभग बिना किसी सिग्नल हानि के एक मानव बाल जितने छोटे स्थान (10 माइक्रोमीटर) में प्रकाश को पूरे 90 डिग्री मोड़ने में सफल रहे।

4. स्प्लिटर (रास्ते का विभाजन/The Splitter)

उन्होंने एक ऐसा उपकरण भी बनाया जो प्रकाश की एक किरण को तीन अलग-अलग रास्तों में विभाजित करता है।

उपमा: कल्पना करें कि एक नदी है जिसे तीन छोटी धाराओं में विभाजित होना है। अतीत में, ऐसे विभाजन प्रभावी होने के लिए बहुत लंबे और घुमावदार होने चाहिए थे। शोधकर्ताओं ने अपने "एयर-हाईवे" का उपयोग करके एक ऐसा स्प्लिटर बनाया जो पिछले संस्करणों की तुलना में दस गुना छोटा है। यह एक विशाल हाईवे इंटरचेंज को एक छोटे पार्किंग स्थल के आकार में सिकोड़ने जैसा है।

5. अंतिम उत्पाद: एक 3D लाइट सिटी

इन तत्वों को मिलाकर, उन्होंने एक ही चिप पर एक पूर्ण, कार्यशील सर्किट बनाया।

उन्होंने प्रकाश को सुरक्षित रूप से लाने के लिए पॉलिमर-स्ट्रीट का उपयोग किया।
उन्होंने प्रकाश को एयर-हाईवे में ले जाने के लिए जादुई पुल का उपयोग किया।
उन्होंने तंग कोनों में नेविगेट करने के लिए तीखे मोड़ों का उपयोग किया।
उन्होंने प्रकाश को विभिन्न गंतव्यों की ओर निर्देशित करने के लिए स्प्लिटर का उपयोग किया।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (पेपर के अनुसार)

पेपर में कहा गया है कि यह दृष्टिकोण 3D ऑप्टिकल न्यूरल नेटवर्क (कंप्यूटर जो प्रकाश का उपयोग करके सोचते हैं), फोटोनिक वायर बॉन्डिंग (तांबे के तारों के बजाय प्रकाश के साथ चिप्स को जोड़ना), और फोटोनिक लालटेन (ऐसे उपकरण जो कई प्रकाश संकेतों को प्रबंधित करते हैं) बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है।

मुख्य बात यह है कि इन दो प्रकार के प्रकाश मार्गों को मिलाकर और एक उच्च-परिशुद्धता वाले "लेजर पेन" (एक तकनीक जिसे टू-फोटोन पॉलीमराइजेशन कहा जाता है) का उपयोग करके 3D में निर्माण करके, उन्होंने सिग्नल की गुणवत्ता खोए बिना एक बहुत छोटे स्थान में बहुत अधिक प्रकाश-प्रसंस्करण शक्ति (light-processing power) को पैक करने का एक तरीका विकसित किया है। यह प्रकाश के लिए सपाट, भीड़भाड़ वाले शहरों से कुशल, बहु-स्तरीय गगनचुंबी इमारतों के निर्माण की ओर एक कदम है।

तकनीकी सारांश: हाइब्रिड-कन्फाइनमेंट सर्किट का उपयोग करते हुए 3D फोटोनिक एकीकरण

समस्या विवरण
पारंपरिक प्लेनर (2D) फोटोनिक एकीकरण मौलिक स्केलिंग सीमाओं का सामना करता है, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में देखी जाने वाली सीमाओं के समान है, जहाँ बढ़ती जटिलता से बड़े फुटप्रिंट और सीमित रूटिंग लचीलापन उत्पन्न होता है। जबकि प्लेनर परतों का 3D स्टैकिंग (stacking) एक आंशिक समाधान प्रदान करता है, यह पुनरावृत्ति योग्य 2D पैटर्निंग पर निर्भर करता है, जिससे निर्माण जटिलता और लागत बढ़ती है और वर्टिकल रिज़ॉल्यूशन सीमित होता है। मौजूदा 3D लिथोग्राफी दृष्टिकोण, जैसे कि टू-फोटॉन पॉलीमराइजेशन (TPP), वास्तविक 3D फ्रीफॉर्म राइटिंग को सक्षम करते हैं लेकिन अक्सर दो परस्पर विरोधी आवश्यकताओं के बीच संतुलन बनाने में संघर्ष करते हैं: टाइट बेंडिंग रेडियस की आवश्यकता (जिसके लिए उच्च अपवर्तनांक कंट्रास्ट और मजबूत मोड कन्फाइनमेंट की आवश्यकता होती है) और मजबूत सिंगल-मोड ऑपरेशन और कम स्कैटरिंग की आवश्यकता (जिसके लिए अक्सर कम कंट्रास्ट और सुचारू इंटरफेस की आवश्यकता होती है)। विशेष रूप से, एयर-क्लैड वेवगाइड्स घने रूटिंग के लिए मजबूत कन्फाइनमेंट प्रदान करते हैं लेकिन वर्तमान TPP प्रक्रियाओं की रिज़ॉल्यूशन सीमाओं पर स्वाभाविक रूप से मल्टीमॉडल होते हैं, जबकि पॉलीमर-क्लैड वेवगाइड्स सिंगल-मोड ऑपरेशन का समर्थन करते हैं लेकिन न्यूनतम लॉस के लिए बड़े बेंडिंग रेडियस की आवश्यकता होती है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखक एक मोनोलिथिक 3D फोटोनिक प्लेटफॉर्म प्रस्तावित करते हैं और प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करते हैं जो दो अलग-अलग वेवगाइड व्यवस्थाओं को एकीकृत करता है: उच्च-कन्फाइनमेंट एयर-क्लैड वेवगाइड्स और निम्न-कन्फाइनमेंट पॉलीमर-क्लैड वेवगाइड्स। निर्माण में एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध डायरेक्ट लेजर राइटिंग (DLW) सिस्टम (Nanoscribe Photonic Professional GT+) का उपयोग किया गया है जो टू-फोटॉन पॉलीमराइजेशन (TPP) और फ्लैश-TPP (TPP को वन-फोटॉन पॉलीमराइजेशन (OPP) के साथ जोड़ना) का उपयोग करता है।

कार्यप्रणाली में शामिल है:

हाइब्रिड फैब्रिकेशन रणनीति:
- एयर-क्लैड सेक्शन: TPP के माध्यम से फ्री-स्टैंडिंग सिलिंड्रिकल पिलर्स के रूप में निर्मित। डेवलपमेंट के दौरान आसपास के रेजिन को हटा दिया जाता है। ये सेक्शन टाइट बेंडिंग के लिए उच्च अपवर्तनांक कंट्रास्ट ( $\Delta n \approx 0.5$ ) का उपयोग करते हैं।
- पॉलीमर-क्लैड सेक्शन: एक TPP-प्रिंटेड "केज" के भीतर एक कोर के रूप में निर्मित, जिसे बाद में OPP के माध्यम से भरा और पॉलीमराइज़ किया जाता है। ये सेक्शन सिंगल-मोड ऑपरेशन सुनिश्चित करने के लिए निम्न अपवर्तनांक कंट्रास्ट ( $\Delta n \approx 6 \times 10^{-3}$ ) का उपयोग करते हैं।
मोड मैचिंग: एयर-क्लैड और पॉलीमर-क्लैड सेक्शन के कोर रेडियस को उनके संबंधित प्रभावी अपवर्तनांक ( $n_{eff}$ ) और मोड फील्ड डायमीटर (MFD) के अनुरूप बनाया गया है। यह उनके संबंधित फंडामेंटल मोड्स ( $LP_{01}$ ) को मैच करता है। यह सुनिश्चित करता है कि मल्टीमोड एयर-क्लैड और सिंगल-मोड पॉलीमर-क्लैड सेक्शन के बीच एडियाबेटिक ट्रांज़िशन हो, जिससे उच्च-क्रम के मोड्स का उत्तेजन न्यूनतम हो सके।
कंपोनेंट डिज़ाइन:
- बेंड्स: यूलर S- और U-आकार के बेंड डिज़ाइन किए गए हैं जो रैखिक रूप से घटती वक्रता (curvature) प्रदान करते हैं, जिससे वेवगाइड केंद्र से क्लैडिंग इंटरफेस तक एडियाबेटिक मोड डिस्प्लेसमेंट सुनिश्चित होता है, जिससे सर्कुलर बेंड्स की तुलना में बेंडिंग लॉस कम होता है।
- स्प्लिटर: एडियाबेटिक एयर-क्लैड स्प्लिटर को इनपुट वेवगाइड क्रॉस-सेक्शन को एक पैरामीट्रिक पाथ के साथ एक्सट्रूड करके डिज़ाइन किया गया है, जो मोड को इवेनेसेंट फील्ड कपलिंग पर निर्भर किए बिना कई आउटपुट में विभाजित करता है।
सामग्री: अध्ययन में उच्च-रिज़ॉल्यूशन कंपोनेंट कैरेक्टराइजेशन (बेंड्स, स्प्लिटर) के लिए 63× ऑब्जेक्टिव के साथ IP-Dip फोटोरेसिस्ट और तेज़ प्रिंटिंग स्पीड एवं यांत्रिक मजबूती का लाभ उठाने के लिए पूर्ण हाइब्रिड सर्किट के निर्माण के लिए 25× ऑब्जेक्टिव के साथ IP-S फोटोरेसिस्ट का उपयोग किया गया है।

प्रमुख योगदान और परिणाम
पेपर निम्नलिखित बिल्डिंग ब्लॉक्स और हाइब्रिड सर्किट के सफल निर्माण और लक्षण वर्णन की रिपोर्ट करता है:

कन्फाइनमेंट ट्रांज़िशन: पॉलीमर-क्लैड और एयर-क्लैड वेवगाइड्स के बीच कुशल मोड ट्रांज़िशन प्रदर्शित किया गया। मोड को मैच करके, लेखकों ने प्रति इंटरफ़ेस 0.25 dB जितना कम ट्रांज़िशन लॉस प्राप्त किया।
कॉम्पैक्ट बेंड्स:
- S-बेंड्स: यूलर ज्योमेट्री S-बेंड्स ने न्यूनतम बेंडिंग रेडियस के 10 µm पर 0.5 dB का बेंडिंग लॉस प्राप्त किया। सर्कुलर बेंड्स ने समान त्रिज्या पर उच्च लॉस और मल्टीमॉडल व्यवहार दिखाया।
- U-बेंड्स: यूलर ज्योमेट्री U-बेंड्स ने 10 µm के बेंडिंग रेडियस पर 0.4 dB तक का लॉस प्राप्त किया। 10 µm से कम त्रिज्या (जैसे, 4 µm) पर, उच्च-क्रम के मोड देखे गए, लेकिन 10 µm पर सिंगल-मोड ऑपरेशन बनाए रखा गया।
एडियाबेटिक स्प्लिटर: 52 µm की स्प्लिटिंग लेंथ के साथ कॉम्पैक्ट एयर-क्लैड स्प्लिटर बनाए गए, जिसने 0.6 dB का स्प्लिटिंग लॉस प्राप्त किया। यह पिछले इवेनेसेंट-फील्ड-आधारित पॉलीमर-क्लैड स्प्लिटर की तुलना में दस गुना कम फुटप्रिंट का प्रतिनिधित्व करता है।
प्रोपैगेशन लॉस: 3.0 µm के रेडियस पर एयर-क्लैड वेवगाइड्स में फंडामेंटल मोड ( $LP_{01}$ ) का प्रोपैगेशन लॉस 5.8 dB/mm मापा गया।
पूर्ण हाइब्रिड सर्किट एकीकरण: एक ही चिप पर पॉलीमर-क्लैड इनपुट/आउटपुट सेक्शन के साथ एयर-क्लैड बेंड्स और स्प्लिटर को मिलाकर एक पूर्ण हाइब्रिड सर्किट बनाया गया। हालांकि IP-S (25× ऑब्जेक्टिव) का उपयोग करने से वोक्सेल एसिमेट्री (voxel asymmetry) और एक्सियल रिज़ॉल्यूशन सीमाओं (3.6 µm) के कारण बेंड्स (2 dB) और स्प्लिटर (1.5 dB) के लिए थोड़ा अधिक लॉस हुआ, लेकिन इसने इस दृष्टिकोण की व्यवहार्यता को प्रदर्शित किया।

महत्व
लेखक दावा करते हैं कि यह कार्य एक ही मोनोलिथिक प्लेटफॉर्म के भीतर दोनों कन्फाइनमेंट व्यवस्थाओं के विशिष्ट लाभों का लाभ उठाकर बड़े पैमाने पर 3D फोटोनिक एकीकरण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। हाइब्रिड दृष्टिकोण निम्नलिखित की अनुमति देता है:

सघन एकीकरण (Dense Integration): टाइट बेंड्स और कॉम्पैक्ट रूटिंग के लिए एयर-क्लैड वेवगाइड्स का उपयोग करना।
मजबूत सिंगल-मोड ऑपरेशन: मोड कंट्रोल और इवेनेसेंट फील्ड हेरफेर की आवश्यकता वाले सेक्शन के लिए पॉलीमर-क्लैड वेवगाइड्स का उपयोग करना।
स्केलेबिलिटी: यह दृष्टिकोण CMOS-संगत है और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करता है, जो 2D प्लेनर सर्किट की फुटप्रिंट स्केलिंग सीमाओं को पार करने का मार्ग प्रदान करता है।

पेपर इस तकनीक को विशेष रूप से ऑप्टिकल न्यूरल नेटवर्क, फोटोनिक वायर बॉन्डिंग, और फोटोनिक लैंटर्न जैसे अनुप्रयोगों के लिए प्रासंगिक बताता है। लेखक नोट करते हैं कि उच्च-रिज़ॉल्यूशन निर्माण (63× ऑब्जेक्टिव के साथ IP-Dip) का उपयोग करके और सरफेस स्कैटरिंग को कम करने तथा वेवगाइड व्यास को बड़ा करने के लिए लंबे तरंग दैर्ध्य (जैसे, टेलीकम्युनिकेशंस बैंड) पर संचालित होकर, और अधिक लॉस कम होने की उम्मीद है।