מהי אופטיקה משולבת?

הקונספט של אופטיקה משולבת הוצע על ידי ד"ר מילר ממעבדות בל בשנת 1969. אופטיקה משולבת היא תחום חדש החוקר ומפתח התקנים אופטיים ומערכות התקנים אלקטרוניים אופטיים היברידיים באמצעות שיטות משולבות על בסיס אופטואלקטרוניקה ומיקרואלקטרוניקה. הבסיס התיאורטי של אופטיקה משולבת הוא אופטיקה ואופטואלקטרוניקה, הכוללות אופטיקת גלים ואופטיקת מידע, אופטיקה לא לינארית, אופטואלקטרוניקה מוליכים למחצה, אופטיקה גבישית, אופטיקה של שכבה דקה, אופטיקה של גלים מודרכים, תורת האינטראקציה המצומדת והפרמטרית, התקנים ומערכות מוליכי גל אופטיים של שכבה דקה. הבסיס הטכנולוגי הוא בעיקר טכנולוגיית שכבה דקה 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 החומרים, מכשירים אופטיים ומחקר ספקטרלי.

ראשית, יתרונות אופטיים משולבים

1. השוואה עם מערכות התקנים אופטיים בדידים

התקן אופטי דיסקרטי הוא סוג של התקן אופטי המוצב על משטח גדול או בסיס אופטי ליצירת מערכת אופטית. גודל המערכת הוא בסדר גודל של 1 מ"ר, ועובי הקרן הוא כ-1 ס"מ. בנוסף לגודלה הגדול, גם ההרכבה וההתאמה קשים יותר. למערכת האופטית המשולבת יש את היתרונות הבאים:

1. גלי אור מתפשטים במוליכי גל אופטיים, וגלי אור קלים לשליטה ולשמירה על האנרגיה שלהם.

2. אינטגרציה מביאה למיקום יציב. כפי שצוין לעיל, אופטיקה משולבת מצפה לייצר מספר התקנים על אותו מצע, כך שאין בעיות הרכבה כמו באופטיקה דיסקרטית, כך שהשילוב יכול להיות יציב, כך שהוא גם יותר מסתגל לגורמים סביבתיים כמו רעידות וטמפרטורה.

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

4. צפיפות הספק גבוהה. האור המועבר לאורך מוליך הגל מוגבל למרחב מקומי קטן, וכתוצאה מכך נוצרת צפיפות הספק אופטית גבוהה, המאפשרת להגיע בקלות לספי ההפעלה הנדרשים של המכשיר ולעבוד עם אפקטים אופטיים לא ליניאריים.

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

2. השוואה עם מעגלים משולבים

ניתן לחלק את היתרונות של אינטגרציה אופטית לשני היבטים, האחד הוא החלפת המערכת האלקטרונית המשולבת (מעגל משולב) במערכת אופטית משולבת (מעגל אופטי משולב); השני קשור לסיב אופטי ומוליך גל אופטי במישור דיאלקטרי המנחה את גל האור במקום חוט או כבל קואקסיאלי להעברת האות.

בנתיב אופטי משולב, האלמנטים האופטיים נוצרים על גבי מצע פרוסה (wafer) ומחוברים באמצעות מוליכי גל אופטיים הנוצרים בתוך או על פני המצע. הנתיב האופטי המשולב, המשלב אלמנטים אופטיים על אותו מצע בצורת שכבה דקה, הוא דרך חשובה לפתור את בעיית המזעור של המערכת האופטית המקורית ולשפר את הביצועים הכוללים. להתקן המשולב יתרונות של גודל קטן, ביצועים יציבים ואמינים, יעילות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה וקל לשימוש.

באופן כללי, היתרונות של החלפת מעגלים משולבים במעגלים אופטיים משולבים כוללים רוחב פס מוגבר, ריבוב חלוקת אורך גל, מיתוג ריבובי, אובדן צימוד קטן, גודל קטן, משקל קל, צריכת חשמל נמוכה, יעילות טובה בהכנת אצווה ואמינות גבוהה. בשל האינטראקציות השונות בין אור לחומר, ניתן לממש פונקציות חדשות של התקנים גם באמצעות אפקטים פיזיקליים שונים כגון אפקט פוטואלקטרי, אפקט אלקטרו-אופטי, אפקט אקוסטו-אופטי, אפקט מגנטו-אופטי, אפקט תרמו-אופטי וכן הלאה בהרכב 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 אופטיים משולבים הם החומרה המרכזית למימוש רשתות תקשורת אופטיות במהירות גבוהה ובקיבולת גדולה, כולל מקור לייזר משולב בעל תגובה מהירה, מרבב חלוקת אורך גל צפוף של מערך סריגי מוליך גל, גלאי פוטו משולב בעל תגובה צרה, ממיר אורך גל ניתוב, מטריצת מיתוג אופטית בעלת תגובה מהירה, מפצל קרן גישה מרובה עם הפסדים נמוכים וכן הלאה.

2. מחשב פוטוני

מחשב פוטונים הוא מחשב המשתמש באור כמדיום העברת מידע. פוטונים הם בוזונים, שאין להם מטען חשמלי, וקורות אור יכולות לעבור במקביל או לחצות זו את זו מבלי להשפיע זו על זו, ויש להן יכולת מולדת של עיבוד מקבילי מעולה. למחשב פוטוני יש גם יתרונות של קיבולת אחסון מידע גדולה, יכולת חזקה נגד הפרעות, דרישות נמוכות לתנאי סביבה וסבילות חזקה לתקלות. הרכיבים הפונקציונליים הבסיסיים ביותר של מחשבים פוטוניים הם מתגים אופטיים משולבים ורכיבי לוגיקה אופטיים משולבים.

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