ما هي البصريات المتكاملة؟

تم طرح مفهوم البصريات المتكاملة من قبل الدكتور ميلر من مختبرات بيل في عام 1969. البصريات المتكاملة هي موضوع جديد يدرس ويطور الأجهزة البصرية وأنظمة الأجهزة الإلكترونية البصرية الهجينة باستخدام طرق متكاملة على أساس الإلكترونيات الضوئية والالكترونيات الدقيقة. الأساس النظري للبصريات المتكاملة هو البصريات والإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك البصريات الموجية وبصريات المعلومات، والبصريات غير الخطية، والإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات، والبصريات البلورية، والبصريات ذات الأغشية الرقيقة، وبصريات الموجات الموجهة، والوضع المزدوج ونظرية التفاعل البارامتري، وأجهزة وأنظمة الدليل الموجي البصري للأغشية الرقيقة. الأساس التكنولوجي هو في الأساس تكنولوجيا الأغشية الرقيقة وتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة. مجال تطبيق البصريات المتكاملة واسع جدًا، بالإضافة إلى اتصالات الألياف الضوئية، وتكنولوجيا استشعار الألياف الضوئية، ومعالجة المعلومات البصرية، والكمبيوتر البصري والتخزين البصري، هناك مجالات أخرى، مثل أبحاث علوم المواد، والأدوات البصرية، والبحث الطيفي.

أولا، المزايا البصرية المتكاملة

1. المقارنة مع أنظمة الأجهزة البصرية المنفصلة

الجهاز البصري المنفصل هو نوع من الأجهزة البصرية المثبتة على منصة كبيرة أو قاعدة بصرية لتشكيل نظام بصري. يبلغ حجم النظام حوالي 1 م 2، ويبلغ سمك العارضة حوالي 1 سم. بالإضافة إلى حجمها الكبير، فإن التجميع والتعديل أكثر صعوبة أيضًا. يتمتع النظام البصري المتكامل بالمزايا التالية:

1. تنتشر موجات الضوء في موجهات الموجات الضوئية، ومن السهل التحكم في طاقتها والحفاظ على موجات الضوء.

2. التكامل يجلب تحديد المواقع المستقرة. كما هو مذكور أعلاه، تتوقع البصريات المتكاملة تصنيع عدة أجهزة على نفس الركيزة، لذلك لا توجد مشاكل في التجميع لدى البصريات المنفصلة، ​​بحيث يمكن أن تكون المجموعة مستقرة، بحيث تكون أيضًا أكثر قدرة على التكيف مع العوامل البيئية مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة .

(3) يتم تقصير حجم الجهاز وطول التفاعل؛ تعمل الإلكترونيات المرتبطة أيضًا بجهد منخفض.

4. كثافة طاقة عالية. يقتصر الضوء المنقول على طول الدليل الموجي على مساحة محلية صغيرة، مما يؤدي إلى كثافة طاقة ضوئية عالية، مما يسهل الوصول إلى عتبات تشغيل الجهاز الضرورية والعمل مع التأثيرات البصرية غير الخطية.

5. يتم دمج البصريات المتكاملة بشكل عام على ركيزة بمقياس سنتيمتر، وهي صغيرة الحجم وخفيفة الوزن.

2. المقارنة مع الدوائر المتكاملة

ويمكن تقسيم مزايا التكامل البصري إلى جانبين، أحدهما هو استبدال النظام الإلكتروني المتكامل (الدائرة المتكاملة) بالنظام البصري المتكامل (الدائرة الضوئية المتكاملة)؛ ويرتبط الآخر بالألياف الضوئية والدليل الموجي البصري للمستوى العازل الذي يوجه موجة الضوء بدلاً من السلك أو الكبل المحوري لنقل الإشارة.

في المسار البصري المتكامل، تتشكل العناصر البصرية على ركيزة من الرقاقة وتتصل بواسطة أدلة موجية بصرية تتشكل داخل أو على سطح الركيزة. يعد المسار البصري المتكامل، الذي يدمج العناصر البصرية على نفس الركيزة في شكل طبقة رقيقة، طريقة مهمة لحل مشكلة تصغير النظام البصري الأصلي وتحسين الأداء العام. يتميز الجهاز المتكامل بمزايا الحجم الصغير والأداء المستقر والموثوق والكفاءة العالية والاستهلاك المنخفض للطاقة وسهولة الاستخدام.

بشكل عام، تشمل مزايا استبدال الدوائر المتكاملة بدوائر بصرية متكاملة زيادة عرض النطاق الترددي، وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي، والتبديل المتعدد، وفقدان الاقتران الصغير، وصغر الحجم، وخفة الوزن، وانخفاض استهلاك الطاقة، والاقتصاد الجيد في إعداد الدفعات، والموثوقية العالية. نظرًا للتفاعلات المختلفة بين الضوء والمادة، يمكن أيضًا تحقيق وظائف الجهاز الجديدة باستخدام تأثيرات فيزيائية مختلفة مثل التأثير الكهروضوئي، والتأثير الكهروضوئي، والتأثير الصوتي البصري، والتأثير المغناطيسي البصري، والتأثير الحراري البصري وما إلى ذلك. تكوين المسار البصري المتكامل.

2. بحث وتطبيق البصريات المتكاملة

تُستخدم البصريات المتكاملة على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الصناعة والجيش والاقتصاد، ولكنها تستخدم بشكل أساسي في الجوانب التالية:

1. الاتصالات والشبكات الضوئية

الأجهزة البصرية المتكاملة هي الأجهزة الرئيسية لتحقيق سرعة عالية وشبكات الاتصالات الضوئية ذات السعة الكبيرة، بما في ذلك مصدر الليزر المدمج عالي السرعة، ومجموعة شبكة الدليل الموجي معدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف، والكاشف الضوئي المتكامل للاستجابة ضيقة النطاق، ومحول الطول الموجي التوجيهي، ومصفوفة التبديل البصري سريعة الاستجابة، خسارة منخفضة متعددة الوصول إلى الدليل الموجي فاصل شعاع وما إلى ذلك.

2. الكمبيوتر الضوئي

إن ما يسمى بكمبيوتر الفوتون هو كمبيوتر يستخدم الضوء كوسيلة لنقل المعلومات. الفوتونات هي بوزونات، ليس لها شحنة كهربائية، ويمكن لأشعة الضوء أن تمر بشكل متوازي أو متقاطع دون التأثير على بعضها البعض، وهو ما يتمتع بقدرة فطرية على المعالجة المتوازية الكبيرة. يتمتع الكمبيوتر الفوتوني أيضًا بمزايا سعة تخزين المعلومات الكبيرة، والقدرة القوية على مقاومة التداخل، والمتطلبات المنخفضة للظروف البيئية، والتسامح القوي مع الأخطاء. المكونات الوظيفية الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الضوئية هي المفاتيح الضوئية المتكاملة والمكونات المنطقية البصرية المتكاملة.

3. تطبيقات أخرى، مثل معالج المعلومات الضوئية، مستشعر الألياف الضوئية، مستشعر صريف الألياف، جيروسكوب الألياف الضوئية، إلخ.