فیبر نوری روی تراشه؛ جهش کلتک در کاهش تلفات نور

پژوهشگران California Institute of Technology (کلتک) موفق به توسعه نسل جدیدی از تراشه‌های فوتونیکی شده‌اند که امکان عبور نور را با تلفات بسیار ناچیز در سطح ویفر‌های سیلیکونی فراهم می‌کند؛ دستاوردی که عملکردی نزدیک به فیبر نوری حتی در طول‌موج‌های مرئی ارائه می‌دهد و افق‌های تازه‌ای را پیش روی فناوری‌های کوانتومی، حسگری دقیق و ارتباطات نوری می‌گشاید.

به گزارش scitechdaily، این پیشرفت مهم گامی اساسی در توسعه مدار‌های مجتمع فوتونیکی (PICs) به شمار می‌رود؛ مدار‌هایی که می‌توانند نور را با انسجام بسیار بالا و حداقل اتلاف انرژی روی تراشه هدایت کنند. چنین قابلیتی برای کاربرد‌هایی مانند ساعت‌های نوری فوق‌دقیق، ژیروسکوپ‌های نوری، ارتباطات پرسرعت مراکز داده مبتنی بر هوش مصنوعی و همچنین سامانه‌های محاسبات کوانتومی حیاتی است.

چاپ فیبر نوری روی تراشه

به گفته Kerry Vahala استاد فیزیک کاربردی و فناوری اطلاعات در کلتک هدف این تیم طی سال‌های اخیر انتقال فناوری ساخت فیبر نوری که معمولا به‌صورت کلاف‌های بلند تولید می‌شود، به سطح ویفر‌های ۸ و ۱۲ اینچی مورد استفاده در صنعت تراشه بوده است. او می‌گوید: ما روشی ابداع کرده‌ایم که مدار‌های نوری ساخته‌شده از همان شیشه مورد استفاده در فیبر نوری را مستقیما روی ویفر‌های سیلیکونی چاپ می‌کند؛ بدون آنکه ویژگی کلیدی فیبر یعنی تلفات فوق‌العاده کم از بین برود.

جزئیات این دستاورد در مقاله‌ای علمی در نشریه معتبر Nature منتشر شده است. نویسندگان اصلی مقاله Hao-Jing Chen، پژوهشگر پسادکتری و Kellan Colburn، دانشجوی تحصیلات تکمیلی کلتک هستند که این پژوهش را در آزمایشگاه واهالا انجام داده‌اند.

در این فناوری ساختار‌های هدایت‌کننده نور یا موج‌بر‌ها از شیشه ژرمانوسیلیکات (همان ماده‌ای که در فیبر نوری استفاده می‌شود) ساخته شده‌اند. این موج‌بر‌ها با روش لیتوگرافی شکل‌دهی شده و به‌صورت مارپیچی روی تراشه قرار گرفته‌اند تا مسیر حرکت نور طولانی‌تر شود؛ مشابه حرکت نور در فیبر‌های پیچیده، اما در مقیاس نانومتری و روی فضایی بسیار کوچک‌تر.

برتری در طول‌موج‌های مرئی

به گفته Henry Blauvelt این موج‌بر‌ها علاوه بر تلفات بسیار کم امکان اتصال کارآمد میان فیبر‌های نوری و لیزر‌های نیمه‌رسانا را فراهم می‌کنند که برای کاهش مصرف انرژی زیرساخت‌های مراکز داده اهمیت زیادی دارد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این پلتفرم در طول‌موج‌های نزدیک به فروسرخ عملکردی هم‌سطح بهترین فناوری‌های نیترید سیلیکون دارد و در ناحیه مرئی به‌طور چشمگیری از آنها بهتر عمل می‌کند.

صیقل اتمی و افزایش انسجام نور

چن توضیح می‌دهد که دمای ذوب پایین‌تر این ماده امکانبازپخت حرارتی موج‌بر‌ها را فراهم کرده است؛ فرآیندی که سطح آنها را تا مقیاس اتمی صاف می‌کند و پراکندگی نور که مانع اصلی در مدار‌های فوتونیکی مرئی بوده را به‌شدت کاهش می‌دهد. به گفته او تلفات در این فناوری تا ۲۰ برابر کمتر از رکورد‌های قبلی نیترید سیلیکون است و هنوز جای بهبود دارد.

کاهش تلفات تاثیر مستقیمی بر عملکرد دارد؛ به‌طوری‌که لیزر‌های ساخته‌شده با این روش می‌توانند نور همدوس را بیش از ۱۰۰ برابر طولانی‌تر از نمونه‌های پیشین حفظ کنند. این ویژگی امکان ساخت حسگر‌های اتمی روی تراشه، ساعت‌های نوری و سامانه‌های به‌دام‌اندازی یون را فراهم می‌کند.

کاربردها؛ از رزونانس حلقوی تا فناوری کوانتومی

کلبورن با اشاره به رزونانسور‌های حلقوی (اجزایی که نور را بار‌ها در یک مسیر دایره‌ای به گردش درمی‌آورند) می‌گوید هرچه تلفات کمتر باشد نور مسافت مؤثرتری را طی می‌کند و عملکرد سامانه به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. در چنین لیزرهایی هر ۱۰ برابر کاهش تلفات می‌تواند به ۱۰۰ برابر بهبود در انسجام نور منجر شود.

واهالا در پایان تاکید می‌کند این فناوری ماهیتی چندکاره دارد و می‌تواند در طیف گسترده‌ای از کاربرد‌ها به کار گرفته شود؛ از لیزر‌ها و رزونانسور‌ها گرفته تا سامانه‌های غیرخطی تولید فرکانس. او می‌گوید: هنوز به نقطه ایده‌آل نرسیده‌ایم اما پیشرفت‌های پنج سال اخیر بسیار چشمگیر بوده و نتایج آن را اکنون گزارش می‌کنیم.

انتهای پیام/