دوائر البصريات المتكاملة Integrated Optics Circuits

يمكن أن تكون مكونات دوائر البصريات المتكاملة هذه على سبيل المثال مرشحات بصرية ومعدلات ومضخمات وأشعة ليزر “laser rays” وأجهزة كشف ضوئية، كما يمكن على سبيل المثال تصنيعها على سطح بعض المواد البلورية مثل السيليكون أو السيليكا أو “LiNbO3” وتوصيلها بأدلة الموجة.

ما هي الدوائر الضوئية المتكاملة IOC

الدوائر الضوئية المتكاملة (IOC): هي مكونات تجمع عدة وظائف ضوئية وإلكترونية ضوئية على نفس الشريحة، حيث أنّ مجال التطبيق الرئيسي لهذه الأجهزة هو شبكات الاتصالات ذات الألياف الضوئية، والآن يتم استخدام “IOC” في صناعة الطيران أو السيارات أو أجهزة الكمبيوتر أو الأجهزة الطبية لتصنيع شبكات نقل البيانات أو أوامر القرار أو أجهزة الاستشعار.

• “IOC” هي اختصار لـ “Integrated Optics Circuits”.

أساسيات دوائر البصريات المتكاملة

البصريات المتكاملة: هي تقنية تهدف إلى بناء ما يسمى بالأجهزة البصرية المتكاملة أو الدوائر الضوئية المتكاملة أو دوائر الموجات الضوئية المستوية، والتي تحتوي على العديد أو العديد من المكونات الضوئية التي يتم دمجها لتحقيق بعض الوظائف المعقدة بشكل أو بآخر.

جاء بدء التكوين الأصلي للبصريات المتكاملة من تقنية الدوائر الإلكترونية المتكاملة والتي أظهرت تطوراً سريعاً على مدى عدة عقود وأدت إلى إنجازات مذهلة، مثل المعالجات الدقيقة المعقدة والقوية التي تحتوي على ملايين الترانزستورات ومعالجات الإشارات المتخصصة، وشرائح ذاكرة الكمبيوتر مع سعة تخزين ضخمة للبيانات، ولسوء الحظ لم تتمكن البصريات المتكاملة من مضاهاة تقدم الإلكترونيات الدقيقة من حيث تعقيد الأجهزة الممكنة، كما ينتج هذا عن عدد من القيود الفنية:

• بينما يمكن أن تحتوي الدوائر الإلكترونية على أسلاك صغيرة للغاية يجب توصيل المكونات الضوئية عبر موجهات الموجات، والتي لا يمكن أن تكون أبعادها عادةً أصغر بكثير من الطول الموجي والتي غالباً لا تتحمل الانحناءات الحادة جداً، كما يمكن التخلص من هذا القيد باستخدام أدلة موجية ذات تباين عالٍ للغاية مثل الألياف النانوية أو أدلة الموجات ذات فجوة الحزمة الضوئية.

• التوصيلات البصرية، وعلى سبيل المثال بين أدلة الموجة والمقارنات أكثر أهمية بكثير من التوصيلات الكهربائية.

• تظهر الموجهات الموجية ووصلات الأجهزة والمكونات البصرية المنفعلة خسائر بصرية، والتي غالباً ما تحتاج إلى تعويضها بمكبرات ضوئية، وهذه أكبر وأكثر تعقيداً من مكبرات الصوت الإلكترونية القائمة على الترانزستورات.

• يصعب تصغير بعض أنواع المكونات البصرية.

• توجد منصات مادية مختلفة والتي تختلف اختلافاً كبيراً من حيث القدرات والقيود، وليس من السهل دائماً العثور على نظام أساسي يمكنه تلبية جميع متطلبات التطبيق، وعلى عكس ذلك يمكن لمنصة “CMOS” للإلكترونيات الدقيقة أن تغطي معظم متطلبات تلك المنطقة.

ولهذه الأسباب لم تصل الدوائر الضوئية المتكاملة إلى درجة تعقيد الدوائر الإلكترونية المتكاملة، ومع ذلك يمكن أن تبقى الأجهزة ذات التعقيد المعتدل مفيدة على سبيل المثال لاتصالات الألياف الضوئية، حيث يمكنها استضافة العديد من أجهزة إرسال البيانات أو أجهزة الاستقبال، والتي تتكون من ليزرات التغذية المرتدة الموزعة والمعدلات الضوئية.

وكذلك الصمامات الثنائية الضوئية والمرشحات الضوئية وعلى سبيل المثال في شكل مصفوفة حواجز شبكية الدليل الموجي، أمّا في الآونة الأخيرة نشأ مصدر جديد لتقنية بصرية متكاملة قوية وفعالة من حيث التكلفة من التطورات في ضوئيات السيليكون.

ملاحظة:“CMOS” هي اختصار لـ “Complementary metal oxide semiconductor”.

مبدأ عمل دوائر البصريات المتكاملة

الدائرة المتكاملة عبارة عن شريحة تحتوي على مكونات إلكترونية تشكل دائرة وظيفية مثل تلك المضمنة داخل الهاتف الذكي والكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى، والدائرة المتكاملة الضوئية “PIC” هي شريحة تحتوي على مكونات فوتونية وهي مكونات تعمل مع الضوء أي الفوتونات.

في الشريحة الإلكترونية يمر تدفق الإلكترون عبر العناصر الكهربائية مثل المقاومات والمحاثات والترانزستورات والمكثفات، وفي الشريحة الضوئية تمر الفوتونات عبر المكونات البصرية مثل موجهات الموجات وهو ما يعادل المقاوم أو الأسلاك الكهربائية، والليزر أي المكافئ للترانزستورات والمستقطبات ومبدلات الطور

تستخدم “PICs” مصدر ليزر لحقن الضوء الذي يحرك المكونات وعلى غرار تشغيل مفتاح لحقن الكهرباء التي تدفع المكونات الإلكترونية، حيث باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء توفر التكنولوجيا الضوئية المتكاملة حلاً لقيود الإلكترونيات مثل التكامل وتوليد الحرارة، ممّا يؤدي بالأجهزة إلى المستوى التالي ولزيادة سعة وسرعة نقل البيانات.

كما تقدم “PICs” مزايا مثل التصغير والسرعة العالية والتأثيرات الحرارية المنخفضة وقدرة التكامل الكبيرة والتوافق مع تدفقات المعالجة الحالية التي تسمح بإنتاجية عالية وحجم تصنيع وأسعار أقل، حيث أنّ تطبيقات الضوئيات المتكاملة واسعة هي من اتصالات البيانات والاستشعار إلى صناعة السيارات ومجال علم الفلك.

• “PIC” هي اختصار لـ “Photonic Integrated Circuits”.

التطبيقات التي قد تكون PICs مفيدة لها

أحد مجالات التطبيق الرئيسية “PICs” هو اتصالات البيانات ويليها الاستشعار للزراعة والقيادة الذاتية على سبيل المثال، والتطبيقات الطبية الحيوية مثل أجهزة المختبر على رقاقة وكذلك التطبيقات في صناعات الدفاع والفضاء ومجال علم الفلك، كما تستمر التحسينات والتطبيقات الإضافية الخاصة بـ “PICs” في الظهور، حيث يواجه المصممون تحديات تكنولوجية إضافية قد تكون الضوئيات المتكاملة مفيدة لها، والتي يمكن لدراسات الجدوى أن تحدد ما إذا كانت تبشر بالحل.

وتؤدي الطلبات المتزايدة باستمرار لاختراق أوسع للنطاق الترددي العالي والأداء الأسرع وتطبيقات الوسائط الغنية إلى النشر المستمر في جميع أنحاء العالم للخدمات القائمة على الألياف، وحتى في مواجهة التحديات الاقتصادية العالمية خلال العامين الماضيين شهدت شركات النقل وموردي معداتهم نمواً قوياً في نشر تقنيات الألياف إلى المنزل والبناء “FTTH / B”.

نظراً لأنّ شركات الاتصالات تتنافس على توفير اتصال عالي السرعة لتقديم محتوى غني للوسائط المتعددة وخدمات اللعب الثلاثي، فقد انطلقت عمليات نشر الشبكة الضوئية المنفعلة “PON” إلى مستوى عالٍ، وتنتقل الشبكات القائمة على الألياف بشكل أقرب إلى المستخدمين النهائيين على حافة البنية الأساسية للشبكة.

ومع ذلك حتى مع تكثيف عمليات نشر “1G” و”2G PON” بشكل كبير يجب على شركات النقل وموردي المعدات التخطيط في وقت واحد لنشر قدرات “10G PON” الأسرع داخل البنى التحتية لشبكتهم.

• “FTTH / B” هي اختصار لـ “Fiber to the Home / Building”.

• “PON” هي اختصار لـ “passive optical network”.

ما هي أهمية تطوير PICs

مع وصول الدوائر الإلكترونية المتكاملة إلى نهاية قدرتها على التكامل تتمتع “PICs” بإمكانية أن تكون التكنولوجيا المفضلة لاتصالات البيانات أي الاتصالات بين مراكز البيانات وداخلها، وحلول “LiDAR” للقيادة الذاتية والاستشعار للفضاء والملاحة الجوية ومستقبل لا يوصف التطبيقات في عصر تكنولوجي جديد.

كما يمكن أن يكون التصميم المناسب وتدفق عملية الموافقة المسبقة عن علم معقداً، كما تختلف الخطوات المحددة حسب التطبيق والمسبك لكنّ الخطوات الأساسية هي:

• حدد فكرتك أو متطلباتك.

• قم بإجراء دراسة جدوى لتطبيقك.

• التصميم أي مع الأخذ في الاعتبار اختبار الموافقة المسبقة عن علم والتعبئة من البداية.

• مستوى الجهاز أي محاكاة بصرية وحرارية ومادية.

• مستوى الدائرة أي معمل افتراضي لاختبار الأداء.

• مستوى النظام أي “PIC” متصل برابط اتصالات.

• مستوى التخطيط أي إنشاء نية التصميم.

• التحقق أي “DRC” و”LVS” لامتثال التصنيع وضمان العائد العالي.

• “GDS” أي تحقق من القناع الذي تم إنشاؤه واستبدل المربعات السوداء أو البيضاء إذا لزم الأمر.

• عملية تدفق.

• محاكاة كل خطوة من خطوات العملية.

• الاختراع.

• الاختبارات.

• مستوى الرقاقة.

• التعبئة والتغليف.