الگوریتم مبتنی بر طراحی معکوس، سه جزء کلیدی تراشههای فوتونیک را در مقیاس چند میکرومتر طراحی کرد؛ اندازههایی تا ۵۰۰ برابر کوچکتر از نمونههای طراحیشدهٔ دستی. این فشردگی فضایی امکان افزودن عملکردهای جدید و افزایش چگالی مدارهای نوری روی یک تراشه را فراهم میکند. نتایج در Nature Communications منتشر شده و گروه پژوهشی شامل محققانی از Max Planck Institute for the Science of Light است.
اهمیت کاهش اندازه اجزای فوتونیک
تراشههای فوتونیک از فوتونها برای انتقال و پردازش اطلاعات استفاده میکنند و بهخاطر پهنای باند بالاتر و کاهش اتلاف گرما در کاربردهایی مانند ارتباطات فیبر نوری، مراکز داده، لیدار و محاسبات کوانتومی اهمیت دارند. اما موجبرها، جداسازهای طول موج و مرتبکنندههای مد فضایی فضای قابلتخصیص محدودی روی تراشه میگیرند؛ کوچکسازی این اجزا امکان افزودن قابلیتهای بیشتر و افزایش چگالی عملکردی را فراهم میآورد.
روش: طراحی معکوس با هوش مصنوعی
پژوهشگران رفتار نوری مورد نظر و قیود ساخت مانند حداکثر انحنا یا ضخامت لایه را مشخص کردند. الگوریتم طراحی معکوس با آزمایش و بهینهسازی خودکار، هندسههایی را یافت که عملکرد خواستهشده را در قالب نانوساختارهای میکرومتری تامین میکنند؛ هندسههایی که غالباً در طراحی دستی قابلپیدا کردن نیستند.
انتخاب مصالح و پارامترهای ساخت
برای کاهش تلفات نوری و تقویت محصورسازی، از نیترید سیلیکون با ضخامت ۴۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر استفاده شد که نسبت به ضخامتهای متداول (۱۵۰ تا ۴۰۰ نانومتر) عملکرد بهتر و تلفات پایینتری ارائه میدهد و همچنان با فرایندهای ساخت صنعتی سازگار است.
دستاوردها و ارقام کلیدی
- سه جزء طراحیشده طولی در حد چند میکرومتر دارند و تا ۵۰۰ برابر کوچکتر از نمونههای سنتی بهینهشدهاند.
- آینههای تولیدی حدود ۱۱ میکرومتر طول داشتند و بازتاب تا ۹۸.۵٪ را ثبت کردند؛ وقتی دو آینه در دو طرف یک موجبر قرار گرفتند، نور بیش از ۱۰۰ بار بین آنها بازتاب شد که نشاندهنده تلفات بسیار پایین نیترید سیلیکون است.
- جداساز طول موج تقریباً به اندازهٔ یک باکتری (حدود ۵ میکرومتر) است و مرتبکنندهٔ مد فضایی کمی بزرگتر است؛ هر سه نمونه در عمل قابل ساخت نشان داده شدند.
مزیت نسبت به طراحی دستی و چالشهای پیش رو
روشهای دستی و مبتنی بر آزمون و خطا محدودیتهایی در دامنهٔ هندسههای قابلبررسی و زمان طراحی دارند. طراحی معکوس چرخههای طراحی را کوتاه میکند و اشکال نامعمول ولی کاراتر را ارائه میدهد. با این وجود، ادغام این اجزا بهصورت همزمان در یک مدار نوری مجتمع عملی و مقیاسپذیر هنوز چالشی اصلی است و نیاز به کار بیشتر در زمینهٔ تراشهسازی و کنترل خطای تولید دارد.
کاربردهای عملی بالقوه
در صورت یکپارچهسازی موفق، این اجزای کوچکشده میتوانند منجر به:
- تراشههای فوتونیک فشردهتر برای مراکز داده
- شتابدهندههای مبتنی بر نور برای مدلهای هوش مصنوعی
- گیرندهها و فرستندههای فیبر نوری با ابعاد کوچکتر
- سامانههای لیدار جمعوجورتر برای خودروهای خودران
برای کسب اطلاعات فنی تفصیلی و دادههای آزمایشی به مقالهٔ منتشرشده در Nature Communications مراجعه کنید. توضیحهای کلیتر دربارهٔ مفاهیم پایهای در صفحهٔ مرجع Photonics — Wikipedia موجود است.
گام بعدی در پژوهش
تمرکز بعدی روی یکپارچهسازی این اجزا در یک مدار نوری مجتمع و بررسی پایداری در تولید صنعتی خواهد بود. توسعهٔ الگوریتمها برای هماهنگسازی همزمان چند جزء و کاهش حساسیت به خطای ساخت، مسیرهای جدیدی برای افزایش چگالی و کارایی تراشههای فوتونیک باز میکند.
در صورت نیاز به بررسی نتایج آزمایشی و جزئیات پیادهسازی، گزارش اصلی در Nature Communications را ملاحظه کنید.
