انتقال اطلاعات با نور یکی از فناوریهای مهم برای ساخت سامانههای سریعتر و کممصرفتر است. فیبر نوری سالهاست امکان انتقال داده با سرعت بالا و اتلاف کم را فراهم کرده، اما رساندن این عملکرد به ابعاد کوچک تراشههای فوتونیکی همچنان یک چالش مهم در فناوری فوتونیک بوده است.
پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) در پژوهشی جدید، روشی برای ساخت موجبرهای نوری کماتلاف روی ویفرهای سیلیکونی توسعه دادهاند. این موجبرها از نوعی شیشه مشابه ماده بهکاررفته در فیبرهای نوری ساخته شدهاند و میتوانند نور را در محدوده گستردهای از طول موجها با اتلاف بسیار کمی هدایت کنند.
این دستاورد میتواند به توسعه نسل جدیدی از مدارهای فوتونیکی یکپارچه (PIC) کمک کند؛ تراشههایی که در آنها نور برای انتقال و پردازش اطلاعات به کار میرود. چنین فناوریای در آینده میتواند در ارتباطات نوری، مراکز داده و هوش مصنوعی، لیزرهای دقیق، ساعتهای نوری، حسگرهای اتمی و فناوریهای کوانتومی کاربرد داشته باشد. این پژوهش همچنین نمونهای از نقش علومپایه در توسعه فناوریهای پیشرفته است؛ مسیری که «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با حمایت از پژوهشهای علمی و ایدههای نوآورانه، به دنبال تقویت آن در میان نسل جدید پژوهشگران و نوآوران است.
مدار فوتونیکی یکپارچه چیست و چگونه کار میکند؟
مدار فوتونیکی یکپارچه (Photonic Integrated Circuit) یا (PIC) نوعی تراشه است که برای تولید، هدایت و کنترل نور طراحی میشود.
در این تراشهها، موجبرهای نوری مسیر حرکت نور را مشخص میکنند. هرچه نور هنگام عبور از این مسیر انرژی کمتری از دست بدهد، اتلاف نوری کمتر و عملکرد مدار بهتر خواهد بود.
کاهش اتلاف زمانی اهمیت بیشتری پیدا میکند که نور باید بارها در یک مسیر گردش کند. در چنین شرایطی، حتی مقدار کمی از دسترفتن انرژی در هر بار عبور میتواند در مجموع اثر قابلتوجهی بر عملکرد دستگاه داشته باشد. به همین دلیل، ساخت تراشههای فوتونیکی کماتلاف یکی از موضوعات مهم در توسعه فناوریهای نوری پیشرفته است.
چرا ساخت تراشههای فوتونیکی کماتلاف دشوار است؟
فیبر نوری به دلیل خلوص بالای شیشه و صافی سطح، میتواند نور را در مسافتهای طولانی با اتلاف بسیار کمی منتقل کند. اما ایجاد چنین عملکردی در یک تراشه فوتونیکی بسیار دشوارتر است. در فرایند ساخت موجبرهای نوری روی تراشه، حتی ناهمواریهای بسیار کوچک روی سطح میتوانند باعث پراکندگی نور شوند و بخشی از انرژی آن را از مسیر اصلی خارج کنند.
این مسئله در طول موجهای مرئی اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا نور با طول موج کوتاهتر نسبت به ناهمواریهای سطحی حساستر است. در نتیجه، کاهش اتلاف نور در این محدوده یکی از چالشهای مهم فوتونیک یکپارچه به شمار میرود. پژوهشگران Caltech برای مقابله با این مشکل، به سراغ ژرمانوسیلیکات رفتند؛ مادهای شیشهای مشابه مواد مورد استفاده در فیبرهای نوری که میتواند مسیر تازهای برای ساخت موجبرهای بسیار کماتلاف روی تراشههای سیلیکونی ایجاد کند.
ژرمانوسیلیکات چگونه اتلاف نور در تراشههای فوتونیکی را کاهش میدهد؟
پژوهشگران Caltech برای ساخت موجبرهای نوری کماتلاف از ژرمانوسیلیکات (Germano-silicate) استفاده کردند؛ نوعی شیشه که از نظر ویژگیهای نوری به مواد مورد استفاده در فیبرهای نوری شباهت دارد. این ماده میتواند روی ویفرهای سیلیکونی قرار گیرد و با استفاده از فرایندهای ساخت تراشه، به ساختارهای موردنیاز برای مدارهای فوتونیکی تبدیل شود. اما فقط انتخاب ماده مناسب کافی نیست؛ صافبودن سطح موجبر نیز نقش مهمی در کاهش اتلاف نور دارد.
برای حل این مسئله، پژوهشگران از فرایندی حرارتی به نام reflow استفاده کردند. در این فرایند، حرارت باعث میشود سطح موجبر صافتر شود و ناهمواریهایی که میتوانند نور را پراکنده کنند، کاهش پیدا کنند. در نتیجه، پژوهشگران توانستند موجبرهایی با اتلاف نوری بسیار پایین بسازند.
این دستاورد، نمونهای از مسیر علمی و فناورانهای است که «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» به دنبال شناسایی و پرورش استعدادهای نسل آینده در آن است.
چرا موجبرهای نوری روی تراشه به شکل مارپیچ ساخته میشوند؟
یکی از ویژگیهای جالب این فناوری، استفاده از موجبرهای نوری مارپیچی است. این ساختار به پژوهشگران اجازه میدهد مسیر بسیار طولانی نور را در فضای کوچکی از تراشه جای دهند. اگر موجبر بهصورت مستقیم ساخته شود، طول مسیر آن به اندازه تراشه محدود خواهد بود. اما با پیچاندن موجبر به شکل مارپیچ، میتوان مسیر نوری بسیار طولانیتری ایجاد کرد؛ روشی شبیه پیچیدن فیبر نوری دور یک قرقره، اما در ابعادی بسیار کوچکتر.
این مسیرهای طولانی برای بررسی اتلاف نور اهمیت دارند. هر بار که نور در موجبر حرکت میکند، مقدار کمی از انرژی آن ممکن است از دست برود. بنابراین، ایجاد مسیرهای طولانی به پژوهشگران کمک میکند این اتلاف را با دقت بیشتری اندازهگیری و عملکرد موجبر را ارزیابی کنند. این طراحی نمونهای از کاربرد علوم پایه، بهویژه فیزیک نور در فناوری است. شناخت رفتار نور، پراکندگی و اتلاف انرژی به پژوهشگران کمک میکند موجبرهای کماتلاف و تراشههای فوتونیکی پیشرفتهتری طراحی کنند.
عملکرد تراشههای فوتونیکی در نور مرئی چقدر بهتر شده است؟
یکی از مهمترین نتایج این پژوهش، عملکرد بسیار کماتلاف موجبرهای ژرمانوسیلیکاتی در طول موجهای مرئی است. این موضوع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا کاهش اتلاف نور در این محدوده یکی از چالشهای اصلی تراشههای فوتونیکی محسوب میشود.
بر اساس گزارش Caltech، این پلتفرم در طول موجهای مرئی توانسته است رکورد پیشین اتلاف نوری مبتنی بر نیترید سیلیکون را حدود ۲۰ برابر بهبود دهد. پژوهشگران همچنین در طول موج ۴۵۸ نانومتر، اتلاف نوری حدود ۰٫۴۹ دسیبل بر متر را گزارش کردهاند.
در محدوده نزدیک به فروسرخ نیز موجبرهای ژرمانوسیلیکاتی عملکرد قابلتوجهی نشان دادهاند و میتوانند با برخی از بهترین موجبرهای مبتنی بر نیترید سیلیکون رقابت کنند.
| ویژگی فنی | ژرمانوسیلیکات | نیترید سیلیکون |
| اتلاف نوری | بسیار پایین | پایین |
| عملکرد در طول موجهای مرئی | بسیار بالا | محدودتر |
| رکورد اتلاف در نور مرئی | حدود ۲۰ برابر بهتر از رکورد پیشین | رکورد پیشین |
| عملکرد در نزدیک فروسرخ | قابلرقابت با بهترین پلتفرمها | عملکرد بسیار خوب |
این نتایج به معنای کنار گذاشتن نیترید سیلیکون نیست. بلکه نشان میدهد ژرمانوسیلیکات میتواند برای کاربردهایی که به نور مرئی و اتلاف بسیار پایین نیاز دارند، گزینهای امیدوارکننده باشد.
کاهش اتلاف نور چگونه عملکرد لیزر را بهبود میدهد؟
کاهش اتلاف نور فقط به معنای عبور نور بیشتر از موجبر نیست؛ بلکه میتواند عملکرد لیزر را نیز به شکل چشمگیری بهبود دهد. در برخی لیزرها، نور بارها درون یک تشدیدگر نوری گردش میکند و هرچه انرژی کمتری در این مسیر از دست برود، نور مدت بیشتری پایدار میماند.
این پایداری بیشتر میتواند به افزایش همدوسی نور و تولید لیزرهایی با عملکرد دقیقتر کمک کند. پژوهشگران Caltech گزارش کردهاند که لیزرهای ساختهشده با این پلتفرم، در مقایسه با طراحیهای پیشین، بیش از ۱۰۰ برابر بهبود در زمان حفظ همدوسی نور داشتهاند. این ویژگی برای فناوریهایی مانند ساعتهای نوری و حسگرهای دقیق اهمیت دارد.
تراشههای فوتونیکی کماتلاف چه کاربردهایی دارند؟
عملکرد کماتلاف و گستره وسیع طول موج این فناوری، آن را برای چندین کاربرد پیشرفته مناسب میکند. ساعتهای نوری، حسگرهای اتمی و ژیروسکوپهای نوری از کاربردهای بالقوه این فناوری هستند. حسگرهای اتمی و ژیروسکوپهای نوری نیز میتوانند از این فناوری بهره ببرند. این سامانهها برای اندازهگیری دقیق کمیتهایی مانند شتاب، حرکت و چرخش به منابع نوری پایدار و کماتلاف نیاز دارند.
در حوزه هوش مصنوعی و مراکز داده نیز تراشههای فوتونیکی میتوانند نقش مهمی در انتقال سریعتر دادهها داشته باشند. کاهش اتلاف نور در مدارهای فوتونیکی میتواند به توسعه ارتباطات نوری کارآمدتر و کاهش مصرف انرژی در زیرساختهای پردازشی کمک کند.
یکی دیگر از حوزههای امیدوارکننده، فناوریهای کوانتومی است. در برخی سامانههای کوانتومی، کنترل دقیق نور و کاهش تلفات نوری اهمیت زیادی دارد و این فناوری میتواند در مسیر توسعه چنین تجهیزاتی مورد استفاده قرار گیرد.
در مجموع، کاربردهای احتمالی این فناوری از اندازهگیری دقیق زمان و حرکت تا ارتباطات هوش مصنوعی و فناوری کوانتومی گسترده است؛ البته برای رسیدن به استفاده صنعتی، هنوز به پژوهش و توسعه بیشتری نیاز دارد.
تراشههای فوتونیکی چگونه مصرف انرژی مراکز داده هوش مصنوعی را کاهش میدهند؟
رشد سریع هوش مصنوعی باعث شده حجم عظیمی از داده میان پردازندهها، حافظهها و تجهیزات مختلف در مراکز داده جابهجا شود. هرچه این حجم بیشتر شود، سرعت انتقال داده و مصرف انرژی ارتباطات نیز اهمیت بیشتری پیدا میکند. ارتباطات نوری یکی از راهکارهای مهم برای انتقال سریع داده در مراکز داده است. با این حال، خودِ سامانههای نوری نیز در مسیر انتقال انرژی از دست میدهند؛ بنابراین کاهش اتلاف نور میتواند به ساخت ارتباطات کارآمدتر کمک کند.
تراشههای فوتونیکی کماتلاف با هدایت نور در مسیرهایی که انرژی کمتری از دست میدهند، میتوانند در آینده به کاهش مصرف انرژی و بهبود کارایی ارتباطات نوری کمک کنند. کاهش اتلاف نور میتواند به بهبود کارایی ارتباطات نوری و کاهش مصرف انرژی در زیرساختهای پردازشی هوش مصنوعی کمک کند. البته این فناوری هنوز در مرحله پژوهش و توسعه است و برای استفاده گسترده در مراکز داده، موضوعاتی مانند هزینه تولید، امکان ساخت در مقیاس بالا، پایداری و سازگاری با سایر اجزای سختافزاری باید بیشتر بررسی شوند.
چالشهای توسعه و تجاریسازی تراشههای فوتونیکی کماتلاف
نتایج این پژوهش امیدوارکننده است، اما رسیدن از یک دستاورد آزمایشگاهی به فناوری صنعتی به زمان و آزمایشهای بیشتری نیاز دارد. پژوهشگران باید بررسی کنند که این روش تا چه اندازه میتواند با هزینه مناسب و در مقیاس بزرگ اجرا شود.
مهمترین چالشهای پیشرو عبارتاند از:
- تولید در مقیاس بزرگ: حفظ کیفیت و یکنواختی موجبرهای نوری در تعداد زیادی تراشه.
- کاهش هزینه تولید: بررسی هزینه مواد و فرایندهای ساخت در مقیاس صنعتی.
- ادغام با سایر اجزا: هماهنگکردن موجبرها با لیزرها، آشکارسازها و مدارهای الکترونیکی.
- پایداری بلندمدت: بررسی عملکرد تراشه در دماهای مختلف و استفاده طولانیمدت.
- تجاریسازی: تبدیل فناوری آزمایشگاهی به محصولی قابل تولید و استفاده در دنیای واقعی.
بنابراین، این پژوهش را باید گامی مهم در مسیر توسعه فوتونیک یکپارچه کماتلاف دانست؛ فناوریای که هنوز برای رسیدن به کاربرد گسترده صنعتی به پژوهش و توسعه بیشتری نیاز دارد.
نتیجهگیری؛ آینده تراشههای فوتونیکی کماتلاف
پژوهشگران Caltech با استفاده از ژرمانوسیلیکات و روشهای ویژه ساخت موجبر، توانستهاند اتلاف نور در مدارهای فوتونیکی روی ویفرهای سیلیکونی را به سطحی نزدیک به عملکرد فیبر نوری برسانند.
یکی از مهمترین دستاوردهای این پژوهش، عملکرد چشمگیر موجبرها در طول موجهای مرئی است؛ محدودهای که کاهش اتلاف نور در آن یکی از چالشهای اصلی فوتونیک یکپارچه محسوب میشود.
این فناوری در آینده میتواند به توسعه لیزرهای پایدارتر، ساعتهای نوری، حسگرهای دقیق، ارتباطات نوری کممصرف و فناوریهای کوانتومی کمک کند. البته برای رسیدن به کاربردهای گسترده صنعتی، هنوز موضوعاتی مانند هزینه تولید، مقیاسپذیری و پایداری باید بیشتر بررسی شوند.
در نهایت، این پژوهش نشان میدهد که علومپایه چگونه میتواند زمینهساز حل چالشهای فناوری باشد. شناخت خواص مواد، رفتار نور و پدیدههایی مانند پراکندگی، در این پژوهش از مفاهیم بنیادی فیزیک به طراحی نسل جدیدی از تراشههای فوتونیکی منجر شده است.
این پیوند میان فیزیک، علم مواد و مهندسی نشان میدهد که پیشرفت فناوریهای آینده، از شناخت عمیق اصول علمی آغاز میشود؛ مسیری که «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با ایجاد زمینهای برای رشد و شکوفایی استعدادهای علمی نسل آینده، آن را دنبال میکند.
منبع: Science Daily
