طُرح مفهوم البصريات المتكاملة من قِبل الدكتور ميلر من مختبرات بيل عام ١٩٦٩. تُعدّ البصريات المتكاملة مجالًا جديدًا يدرس ويطوّر الأجهزة البصرية وأنظمة الأجهزة الإلكترونية البصرية الهجينة باستخدام أساليب متكاملة، استنادًا إلى الإلكترونيات البصرية والإلكترونيات الدقيقة. يعتمد علم البصريات المتكاملة نظريًا على البصريات والإلكترونيات البصرية، ويشمل ذلك بصريات الموجة وبصريات المعلومات، والبصريات غير الخطية، وإلكترونيات أشباه الموصلات البصرية، وبصريات البلورات، وبصريات الأغشية الرقيقة، وبصريات الموجة الموجهة، ونظرية التفاعلات البارامترية والوضع المقترن، وأجهزة وأنظمة الدليل الموجي البصري للأغشية الرقيقة. أما الأساس التكنولوجي، فهو بشكل رئيسي تقنية الأغشية الرقيقة وتقنية الإلكترونيات الدقيقة. يتميّز مجال تطبيق البصريات المتكاملة باتساعه، فبالإضافة إلى اتصالات الألياف البصرية، وتقنية استشعار الألياف البصرية، ومعالجة المعلومات البصرية، والحاسوب البصري، والتخزين البصري، هناك مجالات أخرى، مثل أبحاث علوم المواد، والأجهزة البصرية، وأبحاث الطيف.
أولاً، المزايا البصرية المتكاملة
1. مقارنة مع أنظمة الأجهزة البصرية المنفصلة
الجهاز البصري المنفصل هو نوع من الأجهزة البصرية يُثبّت على منصة كبيرة أو قاعدة بصرية لتشكيل نظام بصري. تبلغ مساحة النظام حوالي متر مربع واحد، ويبلغ سمك شعاعه حوالي سنتيمتر واحد. بالإضافة إلى حجمه الكبير، يُعدّ تركيبه وتعديله أكثر صعوبة. يتميز النظام البصري المتكامل بالمزايا التالية:
1. تنتشر الموجات الضوئية في الموجهات الضوئية، ومن السهل التحكم في الموجات الضوئية والحفاظ على طاقتها.
٢. يضمن التكامل استقرارًا في التموضع. كما ذُكر سابقًا، يُتوقع من البصريات المتكاملة تصنيع عدة أجهزة على نفس الركيزة، ما يُجنّب مشاكل التجميع التي تُواجهها البصريات المنفصلة، ما يضمن استقرار التركيبة وتكيّفها بشكل أفضل مع العوامل البيئية كالاهتزاز ودرجة الحرارة.
(3) يتم تقصير حجم الجهاز وطول التفاعل؛ وتعمل الإلكترونيات المرتبطة به أيضًا بجهد أقل.
٤. كثافة طاقة عالية. ينحصر الضوء المنقول عبر الموجّه الموجي في مساحة محلية صغيرة، مما ينتج عنه كثافة طاقة بصرية عالية، تُسهّل الوصول إلى عتبات التشغيل اللازمة للجهاز، وتعمل بتأثيرات بصرية غير خطية.
5. يتم عادةً دمج البصريات المتكاملة على ركيزة بمقياس السنتيمتر، وهي صغيرة الحجم وخفيفة الوزن.
2. مقارنة مع الدوائر المتكاملة
يمكن تقسيم مزايا التكامل البصري إلى جانبين، الأول هو استبدال النظام الإلكتروني المتكامل (الدائرة المتكاملة) بالنظام البصري المتكامل (الدائرة البصرية المتكاملة)؛ والثاني يتعلق بالألياف الضوئية والموجه الضوئي للمستوى العازل الذي يوجه موجة الضوء بدلاً من الأسلاك أو الكابلات المحورية لنقل الإشارة.
في المسار البصري المتكامل، تُشكَّل العناصر البصرية على ركيزة رقاقة، وتُربط بواسطة أدلة موجية بصرية مُشكَّلة داخل الركيزة أو عليها. يُعدّ المسار البصري المتكامل، الذي يدمج العناصر البصرية على نفس الركيزة على شكل غشاء رقيق، وسيلةً مهمةً لحل مشكلة تصغير النظام البصري الأصلي وتحسين الأداء العام. يتميز الجهاز المتكامل بمزايا الحجم الصغير، والأداء المستقر والموثوق، والكفاءة العالية، وانخفاض استهلاك الطاقة، وسهولة الاستخدام.
بشكل عام، تشمل مزايا استبدال الدوائر المتكاملة بالدوائر الضوئية المتكاملة زيادة عرض النطاق الترددي، وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي، والتبديل المتعدد، وانخفاض فقدان الاقتران، والحجم الصغير، والوزن الخفيف، وانخفاض استهلاك الطاقة، وسرعة تحضير الدفعات، والموثوقية العالية. وبفضل التفاعلات المتنوعة بين الضوء والمادة، يمكن أيضًا تحقيق وظائف جديدة للأجهزة باستخدام تأثيرات فيزيائية متنوعة، مثل التأثير الكهروضوئي، والتأثير الكهروضوئي، والتأثير الصوتي البصري، والتأثير المغناطيسي البصري، والتأثير الحراري البصري، وغيرها، في تكوين المسار الضوئي المتكامل.
2. البحث وتطبيق البصريات المتكاملة
تُستخدم البصريات المتكاملة على نطاق واسع في مختلف المجالات مثل الصناعة والجيش والاقتصاد، ولكنها تستخدم بشكل أساسي في الجوانب التالية:
1. الاتصالات والشبكات البصرية
الأجهزة البصرية المتكاملة هي الأجهزة الرئيسية لتحقيق شبكات الاتصالات البصرية عالية السرعة وكبيرة السعة، بما في ذلك مصدر الليزر المتكامل للاستجابة عالية السرعة، ومقسم الطول الموجي الكثيف لمجموعة الشبكة الموجية، وكاشف الضوء المتكامل للاستجابة الضيقة النطاق، ومحول الطول الموجي للتوجيه، ومصفوفة التبديل البصرية سريعة الاستجابة، ومقسم شعاع الموجه متعدد الوصول منخفض الخسارة وما إلى ذلك.
2. الحاسوب الفوتوني
ما يُسمى بالحاسوب الفوتوني هو حاسوب يستخدم الضوء كوسيلة لنقل المعلومات. الفوتونات هي بوزونات عديمة الشحنة الكهربائية، ويمكن لأشعة الضوء أن تمر متوازية أو متقاطعة دون أن تتأثر ببعضها البعض، مما يُتيح لها معالجة متوازية عالية. يتميز الحاسوب الفوتوني أيضًا بسعة تخزين كبيرة للمعلومات، وقدرة عالية على مقاومة التداخل، ومتطلبات منخفضة للظروف البيئية، وتحمل قوي للأخطاء. المكونات الوظيفية الأساسية للحاسوب الفوتوني هي المفاتيح البصرية المتكاملة ومكونات المنطق البصري المتكاملة.
3. تطبيقات أخرى، مثل معالج المعلومات البصرية، ومستشعر الألياف البصرية، ومستشعر الشبكة الليفية، وجيروسكوب الألياف البصرية، وما إلى ذلك.
وقت النشر: ٢٨ يونيو ٢٠٢٣