מהי אופטיקה משולבת?

הרעיון של אופטיקה משולבת הועלה על ידי ד"ר מילר ממעבדות בל בשנת 1969. אופטיקה משולבת היא נושא חדש אשר חוקר ומפתח מכשירים אופטיים ומערכות מכשירים אלקטרוניים אופטיים היברידיים תוך שימוש בשיטות משולבות על בסיס אופטו-אלקטרוניקה ומיקרו-אלקטרוניקה. הבסיס התיאורטי של אופטיקה משולבת הוא אופטיקה ואופטיקה, הכוללת אופטיקה של גל ואופטיקה של מידע, אופטיקה לא ליניארית, אופטיקה מוליכים למחצה, אופטיקה של גביש, אופטיקה של סרט דק, אופטיקה של גל מודרך, תיאוריית מצבים מצמדים ואינטראקציה פרמטרית, התקנים ומערכות אופטיות של מוליכי גלים של סרט דק. הבסיס הטכנולוגי הוא בעיקר טכנולוגיית סרט דק וטכנולוגיית מיקרואלקטרוניקה. תחום היישום של אופטיקה משולבת הוא רחב מאוד, בנוסף לתקשורת סיבים אופטיים, טכנולוגיית חישת סיבים אופטיים, עיבוד מידע אופטי, מחשב אופטי ואחסון אופטי, ישנם תחומים נוספים, כגון מחקר מדעי החומר, מכשירים אופטיים, מחקר ספקטרלי.

ראשית, יתרונות אופטיים משולבים

1. השוואה למערכות מכשיר אופטי דיסקרטי

מכשיר אופטי דיסקרטי הוא סוג של מכשיר אופטי המקובע על פלטפורמה גדולה או בסיס אופטי ליצירת מערכת אופטית. גודל המערכת הוא בסדר גודל של 1 מ"ר, ועובי הקורה כ-1 ס"מ. בנוסף לגודלו הגדול, גם ההרכבה וההתאמה קשים יותר. למערכת האופטית המשולבת יש את היתרונות הבאים:

1. גלי אור מתפשטים במוליכי גל אופטיים, וקל לשלוט בגלי האור ולתחזק את האנרגיה שלהם.

2. אינטגרציה מביאה למיצוב יציב. כפי שהוזכר לעיל, אופטיקה משולבת מצפה לייצר מספר מכשירים על אותו מצע, כך שאין בעיות הרכבה שיש לאופטיקה בדידה, כך שהשילוב יכול להיות יציב, כך שהוא גם מותאם יותר לגורמים סביבתיים כמו רעידות וטמפרטורה .

(3) גודל המכשיר ואורך האינטראקציה מתקצרים; האלקטרוניקה הקשורה פועלת גם במתחים נמוכים יותר.

4. צפיפות הספק גבוהה. האור המועבר לאורך מוליך הגל מוגבל למרחב מקומי קטן, וכתוצאה מכך צפיפות הספק אופטית גבוהה, שקל להגיע לספי הפעולה הדרושים של המכשיר ולעבוד עם אפקטים אופטיים לא ליניאריים.

5. אופטיקה משולבת משולבת בדרך כלל על מצע בקנה מידה סנטימטר, שהוא קטן בגודלו וקל משקלו.

2. השוואה עם מעגלים משולבים

ניתן לחלק את היתרונות של אינטגרציה אופטית לשני היבטים, האחד הוא החלפת המערכת האלקטרונית המשולבת (מעגל משולב) במערכת האופטית המשולבת (מעגל אופטי משולב); השני קשור לסיב האופטי ולמוליך הגל האופטי של המישור הדיאלקטרי המנחים את גל האור במקום חוט או כבל קואקסיאלי להעברת האות.

בנתיב אופטי משולב, האלמנטים האופטיים נוצרים על מצע רקיק ומחוברים על ידי מובילי גל אופטיים הנוצרים בתוך או על פני המצע. הנתיב האופטי המשולב, המשלב אלמנטים אופטיים על אותו מצע בצורה של סרט דק, הוא דרך חשובה לפתור את המזעור של המערכת האופטית המקורית ולשפר את הביצועים הכוללים. למכשיר המשולב היתרונות של גודל קטן, ביצועים יציבים ואמינים, יעילות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה ושימוש קל.

באופן כללי, היתרונות של החלפת מעגלים משולבים במעגלים אופטיים משולבים כוללים רוחב פס מוגבר, ריבוי חלוקת אורך גל, מיתוג מרובי, אובדן צימוד קטן, גודל קטן, משקל קל, צריכת חשמל נמוכה, חסכון טוב בהכנת אצווה ואמינות גבוהה. בשל האינטראקציות השונות בין האור לחומר, ניתן לממש פונקציות מכשיר חדשות גם על ידי שימוש באפקטים פיזיים שונים כגון אפקט פוטו-אלקטרי, אפקט אלקטרו-אופטי, אפקט אקוסטי-אופטי, אפקט מגנטו-אופטי, אפקט תרמו-אופטי וכן הלאה. הרכב הנתיב האופטי המשולב.

2. מחקר ויישום של אופטיקה משולבת

אופטיקה משולבת נמצאת בשימוש נרחב בתחומים שונים כגון תעשייה, צבא וכלכלה, אך היא משמשת בעיקר בהיבטים הבאים:

1. רשתות תקשורת ואופטיות

התקנים משולבים אופטיים הם החומרה העיקרית למימוש רשתות תקשורת אופטיות במהירות גבוהה וקיבולת גדולה, כולל מקור לייזר משולב במהירות גבוהה, מערך מוליכי סורג צפוף לחלוקת אורך גל, מרבבי צילום משולב תגובה צרה, ממיר אורך גל ניתוב, מטריצת מיתוג אופטי בתגובה מהירה, מפצל קרן קרן מרובה גישה עם אובדן נמוך וכן הלאה.

2. מחשב פוטוני

מה שנקרא מחשב פוטון הוא מחשב המשתמש באור כאמצעי העברת מידע. פוטונים הם בוזונים, שאין להם מטען חשמלי, ואלומות אור יכולות לעבור במקביל או לחצות מבלי להשפיע זו על זו, שיש לה יכולת מולדת של עיבוד מקביל גדול. למחשב פוטוני יש גם יתרונות של קיבולת אחסון מידע גדולה, יכולת אנטי-הפרעות חזקה, דרישות נמוכות לתנאי סביבה וסבילות תקלות חזקה. הרכיבים הפונקציונליים הבסיסיים ביותר של מחשבים פוטוניים הם מתגים אופטיים משולבים ורכיבים לוגיים אופטיים משולבים.

3. יישומים אחרים, כגון מעבד מידע אופטי, חיישן סיבים אופטיים, חיישן סיבים, גירוסקופ סיבים אופטיים וכו'.