مدارهای مجتمع و مدارهای مجتمع فوتونیک: روندهای فعلی و کاربردهای آینده

مدارهای مجتمع (IC) مدارهای الکترونیکی از پیش طراحی شده را روی یک بستر سیلیکونی ادغام می کنند و هزاران یا حتی میلیون ها ترانزیستور را روی یک تراشه ترکیب می کنند. این نوآوری باعث کوچک‌سازی دستگاه‌های الکترونیکی، کاهش مصرف انرژی، افزایش قابلیت اطمینان، کاهش هزینه‌ها و ارائه عملکردهای قدرتمند شده است. آی سی ها به طور کلی به آی سی های دیجیتال، آی سی های آنالوگ و آی سی های سیگنال مختلط طبقه بندی می شوند.

مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC)

مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC) نشان دهنده یک فناوری نوظهور است که مدارهای فوتونی فعال و غیرفعال را به همراه اجزای الکترونیکی روی یک ویفر نیمه هادی تک کریستالی ادغام می کند. فوتونیک سیلیکون پلت فرم ارجح برای مقیاس پذیری، مقرون به صرفه بودن و یکپارچگی عملکردی است. این رویکرد، همراه با تخصص تخصصی، راه‌حل‌های نوآورانه را با استفاده از مدارهای فوتونیک سیلیکونی و اجزای میکرو نوری امکان‌پذیر می‌سازد، در حالی که یکپارچگی بهینه اجزای الکترونیکی و بسته‌بندی سیستم را تضمین می‌کند.

میکرو فوتونیک سیلیکونی پیشرفته

MACOM بر فناوری‌های میکرو فوتونیک سیلیکونی تمرکز دارد و از لیتوگرافی با خط ظریف برای دستیابی به عملکرد با چگالی بالا استفاده می‌کند. این فناوری به طور یکپارچه اجزای نوری با کارایی بالا و کم مصرف را با عملکرد بهینه و حداکثر تراکم بسته بندی یکپارچه می کند. میکرو فوتونیک سیلیکونی، شبیه به تولید تراشه سیلیکونی CMOS، مزایایی مانند چگالی بالا، هزینه کم و مقیاس پذیری را ارائه می دهد.

امروزه PIC ها در شبکه های نوری و سیستم های ارتباطی برای انتقال و پردازش سیگنال استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به ادغام لیزرهای نیمه هادی، مدولاتورها و تقویت کننده های نوری و همچنین مالتی پلکسرهای ورودی/خروجی روی ریزتراشه ها اشاره کرد. با این حال، PIC ها اغلب در کنار مدارهای الکترونیکی استفاده می شوند، زیرا دستگاه های فوتونی خالص هنوز رقابتی نشده اند.

چالش های توسعه PIC

یکی از چالش‌های مهم در توسعه PIC، پیچیدگی ساخت دستگاه‌های متنوعی مانند جفت‌کننده‌های موجبر، تقسیم‌کننده‌های قدرت، تقویت‌کننده‌ها، مدولاتورها، لیزرها و آشکارسازها بر روی یک تراشه است که اغلب به مواد مختلفی نیاز دارند. مواد متداول برای PIC ها شامل نیمه هادی های III-V (مانند فسفید ایندیم و آرسنید گالیم)، کریستال های الکترواپتیک (مثلاً لیتیوم نیوبات) و انواع مختلف شیشه است.

محققان همچنین در حال بررسی مواد پیشرفته ای مانند گرافن برای کنترل نوری با سرعت بالا به دلیل غیرخطی بودن نوری بالا هستند. غلظت حامل گرافن را می توان به صورت دینامیکی با استفاده از پمپاژ نوری یا بایاسینگ کنترل کرد و امکانات جدیدی را برای دستکاری امواج پلاسمونیک با سرعت های فوق العاده سریع ایجاد کرد.

دستورالعمل های آینده در مواد PIC

در حالی که نیمه هادی های III-V بر اجزای فعال PIC تسلط دارند، سیلیکون به دلیل هزینه کم و سهولت ادغام، با وجود بازده نوری پایین، به عنوان یک ماده امیدوارکننده ظاهر شده است. تحقیقات کنونی بر روی مواد نانولومینسانس مبتنی بر سیلیکون و بلورهای فوتونی متمرکز است. علاوه بر این، مواد پلیمری با ضرایب حرارتی و الکترواپتیکی بالا برای ساخت مقرون‌به‌صرفه و ساده کلیدها و آرایه‌های موجبر نوری با سرعت بالا مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

روند توسعه در مدارهای مجتمع فوتونیک

1. ادغام یکپارچه فوتونیک و الکترونیک
   همگرایی مدارهای فوتونیکی و الکترونیکی یک مرکز تحقیقاتی کلیدی است که پلاسمونیک های سطحی نقش اصلی را ایفا می کنند. به عنوان مثال، محققان با استفاده از اثرات مغناطیسی نوری و پلاسمون های سطحی بر روی PIC، جداسازهایی را با موفقیت توسعه داده اند.
2. دیجیتالی شدن مدارهای فوتونیک
   دیجیتالی کردن PIC ها عملی بودن آنها را افزایش می دهد و از تکنیک های کدگذاری مبتنی بر تئوری حالت برای پردازش سیگنال ها استفاده می کند. این تغییر می تواند کاربردهای جدیدی مانند لنزهای تک قطبی و عملکردهای تصویربرداری پیشرفته را فعال کند.
3. تحقیقات سطح کوانتومی برای یکپارچگی بالاتر
   برای پیشبرد ادغام PIC به مقیاس نانو، تحقیقات در سطح کوانتومی ضروری است، زیرا نظریه‌های سنتی نمی‌توانند این سطح از کوچک‌سازی را پشتیبانی کنند. مطالعات کوانتومی، مانند تحقیقات حرکت زاویه ای اسپین فوتون، بودجه قابل توجهی برای پیشرفت این زمینه دریافت کرده است.

برنامه های نظامی و مدنی

در کاربردهای نظامی، PIC ها سیستم های ارتباطی نوری را بهبود می بخشند و امکان انتقال سریعتر داده ها و مقاومت قوی در برابر تداخل الکترومغناطیسی را فراهم می کنند. پیشرفت‌های آینده می‌تواند به رایانه‌های فوتونیک با قابلیت‌های پردازش موازی بالا، حسگرهای نظامی بهینه‌شده و سیستم‌های آنتن آرایه فازی فشرده منجر شود.

در بخش‌های غیرنظامی، PIC‌ها نویدبخش گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های پوشیدنی و وسایل نقلیه هوشمند هستند. این پیشرفت ها پتانسیل عظیم فناوری PIC را برجسته می کند و راه را برای کاربردهای انقلابی تر در آینده هموار می کند.

آینده مدارهای مجتمع فوتونیک روشن است، با نوآوری هایی که انتظار می رود فناوری های نظامی و غیرنظامی را مجدداً تعریف کنند و امکانات بی پایانی برای توسعه ارائه دهند.