در عصری زندگی می‌کنیم که صنایع مختلف با کمک به تکنولوژی موجب پیشرفت و دگرگونی سبک زندگی روزمره ما می‌شوند. هر روز انتقال اطلاعات با سرعت بیشتری انجام می‌شود و در صنایع مختلف راه های جدیدی برای توسعه و گسترش توانایی های آن بوجود می‌آید. یکی از حرفه هایی که در این زمینه پیشرفت های بسزایی داشته است صنایع فوتونیک است. با پیشرفت فناوری فوتونیک، فیبر های نوری و لیزرها گسترش یافتند و در بسیاری از نقاط زندگی بشر تاثیرگذار شدند. اما صنایع فوتونیک چه توانایی هایی دارند و از چه تکنولوژی هایی پشتیبانی می‌کنند؟ در این مطلب انجمن زنجیره ارزش سیلیکان به این موضوع می‌پردازد.

فوتونیک چیست؟

واژه فوتونیک از فوتون به‌عنوان جزء تشکیل‌دهنده‌ی یک پرتوی نوری برگرفته شده است. همانطور که در علم الکترونیک، الکترون ذره ایفا کننده غالب فرآیند‌ها است، در صنایع فوتونیک و صنایع میکروفوتونیک نیز برهم‌کنش فوتون‌ها با مواد و یا انتشار آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. تا چندی پیش علم فوتونیک در چهارچوب علم فیزیک طبقه‌بندی می‌شد؛ اما در سال‌های اخیر با گسترش کاربرد آن در بسیار از عرصه‌های فناوری، این علم به‌صورت گرایشی شاخص و یا حتی یک شاخه مستقل طبقه بندی می‌شود.

در کشور ما نیز بیش از یک دهه است که برخی دانشگاه‌ها به‌عنوان یک کد رشته مستقل در این رشته دانشجو می‌پذیرند. شاید امروزه کمتر شاخه‌ای از فناوری را بتوان یافت که هیچ کاربردی از اپتیک، فوتونیک و لیزر را در آن نتوان برشمرد. این گستردگی کاربرد، نتیجه ویژگی‌های منحصربه‌فرد فوتون است که شاید در کمتر ذره دیگری بتوان یافت. مضاف بر اینکه پارامترهای متعددی که فوتون‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند موجب می‌شود بتوان به‌راحتی آن‌ها را هدایت، تفکیک، آشکارسازی و کنترل کرد.

این ویژگی‌ها قادر است چنان ظرفیت‌هایی جهت ساخت قطعات کاربردی ایجاد کند که حتی از لحاظ کارایی علم الکترونیک را نیز به‌راحتی پشت سر گذارد. سرعت‌بالای فوتون‌ها شاید اولین پارامتری باشد که به ذهن می‌رسد و به همین واسطه، امروزه مخابرات نوری نقش انکارناپذیری در صنعت ارتباطات ایفا می‌کند که به‌هیچ‌عنوان بدون توسعه علم فوتونیک محقق نمی‌شد.

از سوی دیگر، امکان کنترل بر روی طول‌موج و البته بسیار کوچک بودن آن در ناحیه مرئی مبنای طراحی و ساخت بسیاری از حسگرها، سوییچ‌ها و مدولاتور‌ های بسیار دقیق شده است. ویژگی دیگر فوتون‌ها که عبارت است از عدم برهم‌کنش آن‌ها با یکدیگر در خلاء و محیط‌های غیرجاذب (در شدت‌های پایین‌تر از آستانه اثرات غیرخطی خلأ) باعث می‌شود بتوانیم تعداد نامحدودی از آن‌ها را در حجمی بسیار کوچک داشته باشیم. این به معنی توانایی ایجاد انرژی نامحدود در حجمی بسیار ناچیز است.

به کمک این تجمع انرژی می‌توان کاربرد‌های بی‌شماری در صنایع متعدد (نظیر برش‌کاری، سوراخ‌کاری ‎های میکرونی، سخت‌کاری، عملیات حرارتی، لایه‌ برداری سطحی و جوشکاری) را با چنین موجود ظریفی و البته به همراهی توسعه دانش و فناوری لیزر انجام داد. مجموعه این عوامل صنایع فوتونیک را تبدیل به دانشی استراتژیک کرده است که در حوزه‌های اساسی و مورد توجه بشر امروز نظیر انرژی، امنیت و سلامت نقش کلیدی و تأثیرگذاری ایفا می‌کند. این تأثیر نیز با سرعت سرسام‌آوری در حال گسترش و توسعه است.

فوتونیک در صنایع مختلف

صنایع فوتونیک در بسیاری از فناوری های دیگر تاثیرگذار بوده و به پیشرفت و توسعه آنها کمک کرده است. در این بخش به کارکرد صنعت فوتونیک در دیگر حرفه ها می‌پردازیم:

الکترونیک

پیشرفت روزافزون فناوری و ساخت قطعات الکترونیکی کوچک و کوچک‌تر تا به آنجا ادامه یافته‌ است که امروزه پیش‌بینی می‌شود در آینده دیگر نتوان قطعاتی از این کوچک‌تر ساخت که قادر به عبور جریان الکتریسیته باشند. چراکه در آن‌ها عبور یک الکترون برابر خواهد بود با برقراری جریان و عدم عبور آن به معنی قطع جریان الکتریکی است. این مسئله باعث شده است تحلیل مدارات دیگر از حوزه الکترونیک کلاسیک خارج شده و بررسی چنین سیستمی بر عهده صنعت مکانیک کوانتمی نهاده شود که البته دارای مشکلات خود است. این امر باعث شده‌است تا دانشمندان به فکر جایگزینی برای الکترون بیافتند تا مشکلات الکترون را نداشته باشد و در اولین گزینه‌ها فوتون یعنی کوانتای نور را جایگزینی مناسب یافتند. لذا، از این پس باید به دنبال ساخت ادواتی بود که جایگزین ادوات الکترونیکی در مدارات شوند و در آن‌ها فوتون نقش اساسی بازی می‌کند.

فیزیک

شاخه دیگری از علم در صنایع فوتونیک، فوتونیک فیزیک است. در این شاخه نیز به مباحثی از جمله روابط حاکم بر برهمکنش نور با ماده، میکروسکوپ‌های روبشی میدان نزدیک نوری و غیره پرداخته می‌شود.

مخابرات

از فناوری های آشکار تکنولوژی فوتونیک در مخابرات، فیبر های نوری است که امروزه برای انتقال اطلاعات و دسترسی به اینترنت پرسرعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنعت سیلیکون

فوتونیک سیلیکون (SiPh) یک پلتفرم مواد است که می‌توان با استفاده از آن مدار های مجتمع فوتونی (PIC) را ساخت. از ویفرهای سیلیکون روی عایق (SOI) به عنوان ماده زیرلایه نیمه هادی استفاده می‌شود و اکثر فرآیند های استاندارد تولید CMOS را می‌توان در این بخش اعمال کرد.

PIC ها انتقال داده را فعال، گسترش و افزایش می‌دهند. PIC ها ممکن است نسبت به مدارهای الکترونیکی معمولی انرژی کمتری مصرف کنند و گرمای کمتری تولید کنند که نوید مقیاس بندی پهنای باند کم مصرف را ارائه می دهد. SiPh با ساخت CMOS (الکترونیکی) سازگار است، که اجازه می‌دهد SiPh PIC با استفاده از زیرساخت‌ های ریخته‌گری ساخته شده و تولید ‌شود. با توجه به فیزیک فوتونیک، گره‌ های CMOS قدیمی‌تر می‌توانند برای الگوبرداری و ساخت دستگاه‌ها و مدارهای فوتونیک مورد استفاده قرار گیرند.

موجبرها (اتصالات بین دستگاه های فوتونیک در مدار) از یک هسته سیلیکونی ساخته شده‌اند و به سبک های متفاوتی تولید می‌شوند: مانند یک دنده یا نوار و دارای اکسیدی از بستر SOI به عنوان روکش پایین و یا لایه دیگری از اکسید سیلیکون به عنوان روکش بالایی هستند. نور در این موجبرها منتقل می‌شود و با توجه به خواص مواد سیلیکون، تنها سیگنال ‌های مادون قرمز می‌توانند بدون تلفات قابل‌توجه منتقل شوند. امروزه، فرآیند های PIC فوتونیک سیلیکونی اغلب شامل موجبرهای اضافی است که از نیترید سیلیکون به عنوان ماده اصلی ساخت آنها استفاده شده است. این مواد توانایی را برای حمل طول موج‌ها در محدوده وسیع‌تری از جمله نور مرئی باز می‌کنند.

امروزه تولید منابع نور (لیزرها، منابع تغذیه مدارها و سیستم های فوتونیک) در سیلیکون به دلیل وجود فاصله باند غیرمستقیم ماده (تغییر افقی بین ظرفیت و نوار رسانایی ماده) غیرممکن است. برای اینکه نور تولید شود، یک ماده باید دارای یک bandgap مستقیم باشد. بنابراین، مواد دیگر با فاصله باند مستقیم معمولاً برای ایجاد لیزرهای نیمه هادی برای طول موج های مورد استفاده در مخابرات و دیتاکام (1550 و 1310 نانومتر) استفاده می‌شوند.

نظریه های نور در فوتونیک

در توصیف رفتار فوتونیک، ما با نور الکترومغناطیسی و نور کوانتومی سر و کار داریم. عمده کاربرد های هدایت مسیر انتشار نور مباحث الکترومغناطیسی هستند که در واقع در آنها جهت انتشار نور کنترل شده و نور در مسیر های مشخصی که به آنها موجبر گفته می شود هدایت می‌شود. موجبر نوری مشابه سیم برق که مسیری برای انتقال الکترون است، مسیری برای انتقال نور فراهم می‌کند. این موجبر‌ها انواع مختلف دی الکتریک، پلاسمونی، کریستال فوتونی و غیره دارند که محاسبه حالت های آنها به علاوه رفتار انتشار نور در موجبر، با استفاده از نور موجی با الکترومغناطیسی انجام می‌شود.

بخش مهم دیگر فتونیک رزوناتور های نوری هستند که اساس کار لیزرها می‌باشند. هر لیزر از یک لایه نور تاب تشکیل شده است که به رزوناتو کوپل شده است. این لایه با پمپ نوری یا الکتریکی فوتون تولید می‌کند و برای توصیف رفتار آن از نور کوانتومی استفاده می‌شود. زمانی که این لایه به یک رزوناتور کوپل می‌شود بخشی از طیف که با حالت رزونانس منطبق است تقویت شده و نور پرقدرتی در آن طول موج تولید می‌کند.

جمع‌بندی

در عصری زندگی می‌کنیم که صنایع مختلف با کمک به تکنولوژی موجب پیشرفت و دگرگونی سبک زندگی روزمره ما می‌شوند. هر روز انتقال اطلاعات با سرعت بیشتری انجام می‌شود و در صنایع مختلف راه های جدیدی برای توسعه و گسترش توانایی های آن بوجود می‌آید. واژه فوتونیک از فوتون به‌عنوان جزء تشکیل‌دهنده‌ی یک پرتوی نوری برگرفته شده است. همانطور که در علم الکترونیک، الکترون ذره ایفا کننده غالب فرآیند‌ها است، در صنایع فوتونیک و صنایع میکروفوتونیک نیز برهم‌کنش فوتون‌ها با مواد و یا انتشار آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. تا چندی پیش علم فوتونیک در چهارچوب علم فیزیک طبقه‌بندی می‌شد؛ اما در سال‌های اخیر با گسترش کاربرد آن در بسیار از عرصه‌های فناوری، این علم به‌صورت گرایشی شاخص و یا حتی یک شاخه مستقل طبقه بندی می‌شود.