تحدید نور در یک فضای سه بعدی

سرویس‌های نوظهور مانند سرویس‌های ارتباط داخلی ابری مراکز داده، سرویس‌های ویدیویی فَراپهن‌باند و خدمات تلفن همراه نسل پنجم، توسعه سریع مدارهای مجتمع فوتونیکی را طلب می‌کند. انتظار می‌رود در آینده‌ای نه‌چندان دور این فناوری بتواند نیاز روزافزون سیستم‌های مخابراتی به اینترنت را برآورده کند.

با این حال امروزه عمدتاً مدارهای مجتمع فوتونیکی به عنوان ساختارهایی مسطح شناخته می‌شود که می‌تواند نور را روی یک صفحه هدایت ‌کند. این مسطح بودن برآمده از فرآیندهای مرسوم ساخت از بالا به پایین[1] است.

لیتوگرافی چند فوتونی یک فناوری چاپ سه بعدی جدید بسیار امیدوارکننده و آینده‌دار است. علت آن است که امکان ساخت اجرام سه ‌بعدی با فناوری لیتوگرافی چند فوتونی نسبت به ساخت اشیای سه بعدی با روش‌های ساخت معمولی در اتاق تمیز که در صنایع الکترونیک و اپتوالکترونیک استفاده می‌شود، سهولت بیشتری دارد.

با استفاده از این تکنیک دیگر محدودیت نمایش از بالا به پایین برای تحقق مدارهای مجتمع فوتونیکی وجود ندارد. این فناوری گشایشی برای بروز عملکردهای موجود در بعد سوم فراهم می‌کند. مفاهیم مهم و کاربردی ساخت افزایشی در لیتوگرافی چند فوتونی و سه بعدی، شامل استفاده از یک منبع نور فمتوثانیه برای شروع پلیمریزاسیون دو فوتونی است که در یک محل خاص از مواد کانونی شده باشد. این روش برای تحقق بخشیدن به ساختارهای فوتونیکی سه بعدی با وضوح بالا استفاده می‌شود.

محققان دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور[2] موجبرهای سه بعدی و با وضوح بالایی ارایه کرده‌اند که از محدودیت‌های تحدید نور در یک‌ سطح فراتر می‌رود. در مقاله منتشر شده در Advanced Optical Materials ، دکتر گائو هونگوی[3]، و همکارانش در گروه ابزارها و سیستم‌های فوتونیکی، موجبرهای سه بعدی با وضوح بالا را به نمایش گذاشته‌اند که نور را با پیکربندی مارپیچی و پل هوایی[4] هدایت می‌کند.

شکل1الف) موجبر با ساختار مارپیچی سه بعدی، ب)موجبر با ساختار پل هوایی معلقSuspended air-bridge، ث) Gb/s 30 برای NRZ و Gb/s 56 برای PAM4 نمودار چشمی از موجبر پرینت سه بعدی

این گروه در کنار این سازه‌های جدید، همچنین تزویج‌گر موجبر سه‌ بعدی با اتلاف بسیار پایین را ارایه داده‌اند. که در اتلاف تزویج فیبر به موجبر آنdB  6/1 و پهنای باند برای dB3 بیش از nm 60 است. این سیستم برخلاف با استانداردهای فعلی صنعتی است که برای اتلاف در حدود dB1، نیاز به بسته‌بندی فشرده دارند. در این‌کار برای داشتن اتلاف کم، نیازی به بسته‌ بندی پس از پردازش یا پس از ساخت وجود ندارد. همچنین ساختار فوتونیکی دارای وضوح بالا، تشدیدگرهای حلقوی به اندازه زیر میکرون را نیز به دست می‌دهد.

این سازه‌ فوتونیکی یک پیشرفت نوآوارانه در حوزه مدارات مجتمع فوتونیکی هستند. همچنین از طریق این موجبرها می‌توان انتقال داده‌ها را بدون خطا به صورت Gb/s 30 برای روش سیگنال‌های رمزگذاری بدون بازگشت به صفر(NRZ)[5] که در آن برای نمایش دودویی، تنها ولتاژ در دو حالت صفر و غیر صفر وجود دارد و Gb/s 56 برای روش مدولاسیون دامنه پالس (PAM4)[6] به اجرا گذاشت. محقق اصلی این پروژه، داون تان، مدیر بخش ابزار و گروه سیستم‌های فوتونیک دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور، دستیابی به این موضوع را مهم ارزیابی می‌کند، چرا که فرمت‌های آزمایشی این محصول با سرعت و نرخ بالا با تولیدات فرستنده-گیرنده تشخیص مستقیم[7] که امروزه به صورت تجاری استفاده می‌شوند، هم‌سو و هم‌تراز هستند.

برای جبران مشکلات یک سیستم مخابراتی، توان سیگنال افزایش می‌یابد تا عملکرد نرخ سیگنال به نویز SNR یا نرخ خطای بیت BER [8]، همان سیستم ایده آل شود. این افزایش، پنالتی توان یا جبران توان نامیده می‌شود. این تیم به طوری کار را پیش برد که پنالتی‌های توان[9] در این تجهیزات فوتونیکی نوپدید تنها مقادیر کوچک dB 7/0 برای NRZ( نرخ خطای بیت=10¹²) و dB 5/1  برای PAM4 (نرخ خطای ذره=10⁶) را داشته باشند. این نتایج موفقیت آمیز بودن انتقال نوری با سرعت بالا و بدون خطا را از طریق موجبرهای سه بعدی ساخته شده نشان می‌دهد و همچنین نشانه‌ای از مناسب بودن این ابزارها به عنوان موجبرها و اتصالات نوری داخلی کم اتلاف به‌شمار می‌رود.

دکتر گائو، از نویسندگان مقاله و محقق فوق دکتری از دانشگاه طراحی و فناوری سنگاپور می‌گوید:”مهم‌تر از همه، ویژگی سه‌بعدی این موجبرها است که به ما اجازه می‌دهد تا از محدودیت‌های ساختارهای مسطح مرسوم فراتر برویم. به این ترتیب دستیابی به مدارهای مجتمع فوتونیکی با تراکم بسیار بالاتر امکان پذیر می‎شود. همچنین وضوح بالا و ویژگی‌های زیر میکرونی این سازه‌ها نیز بسیار امیدوارکننده هستند، و به‌ طور ویژه نوید دستیابی به کارکردهای پیشرفته‌تر مانند فیلتر طیفی، ساختارهای تشدیدگر و فرا سطوح را می‌دهند. “

از طرفی به اذعان محققان، این کار قابلیت بالقوه بالای به‌کارگیری ساخت افزایشی برای تولید تجهیزات فوتونیکی پیشرفته با طرح‌های سه‌بعدی عالی و با وضوح بالارا نمایان می‌کند.

در آینده توانایی تحقق بخشیدن به ساختارهای فوتونیکی سه بعدی دارای وضوح بالا ممکن است پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای را هم در شکل و هم در عملکرد فوتونیکی ایجاد کرده و کاربردهای مهمی در پردازش سیگنال نوری پیشرفته، تکنیک‌های تصویربرداری و سیستم‌های طیف سنجی داشته باشد.

منابع:

https://www.sciencecodex.com/light-confinement-3d-space-662090

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202070071

[1] Top-Down Exposure

[2] University Of Technology And Design (Sutd)

[3] Dr Gao Hongwei

[4] Air-Bridge

[5] Nonreturn To Zero (NRZ(

[6] Pulse Amplitude Modulation (PAM‐4)

[7] Direct-Detection Transceiver

[8] Bit Error Rate (BER)

[9] Power Penalties: