طُرح مفهوم البصريات المتكاملة من قِبل الدكتور ميلر من مختبرات بيل عام ١٩٦٩. تُعدّ البصريات المتكاملة فرعًا جديدًا من فروع علم البصريات، يُعنى بدراسة وتطوير الأجهزة البصرية وأنظمة الأجهزة الإلكترونية البصرية الهجينة باستخدام أساليب متكاملة تعتمد على الإلكترونيات الضوئية والإلكترونيات الدقيقة. يرتكز الأساس النظري للبصريات المتكاملة على البصريات والإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك بصريات الموجات وبصريات المعلومات، والبصريات غير الخطية، والإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات، وبصريات البلورات، وبصريات الأغشية الرقيقة، وبصريات الموجات الموجهة، ونظرية الأنماط المقترنة والتفاعل البارامتري، وأجهزة وأنظمة الموجهات الضوئية ذات الأغشية الرقيقة. أما الأساس التكنولوجي، فيعتمد بشكل أساسي على تقنية الأغشية الرقيقة وتقنية الإلكترونيات الدقيقة. تتميز البصريات المتكاملة بنطاق تطبيقات واسع جدًا، فإلى جانب اتصالات الألياف الضوئية، وتقنية استشعار الألياف الضوئية، ومعالجة المعلومات الضوئية، والحاسوب الضوئي، والتخزين الضوئي، تشمل مجالات أخرى مثل أبحاث علوم المواد، والأجهزة البصرية، والأبحاث الطيفية.
أولاً، المزايا البصرية المتكاملة
1. مقارنة 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 متر مربع واحد، وسمك الشعاع حوالي سنتيمتر واحد. بالإضافة إلى حجمه الكبير، فإن تركيبه وضبطه أكثر صعوبة. يتميز النظام البصري المتكامل بالمزايا التالية:
1. تنتشر الموجات الضوئية في الموجهات الضوئية، ومن السهل التحكم في الموجات الضوئية والحفاظ على طاقتها.
2. يوفر التكامل تحديدًا مستقرًا للموقع. كما ذكرنا سابقًا، يهدف نظام البصريات المتكاملة إلى تصنيع عدة أجهزة على نفس الركيزة، مما يلغي مشاكل التجميع التي تواجهها البصريات المنفصلة، وبالتالي يكون التركيب مستقرًا، كما أنه أكثر تكيفًا مع العوامل البيئية مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة.
(3) يتم تقصير حجم الجهاز وطول التفاعل؛ كما تعمل الإلكترونيات المرتبطة به بفولتيات أقل.
4. كثافة طاقة عالية. ينحصر الضوء المنقول على طول الدليل الموجي في مساحة محلية صغيرة، مما ينتج عنه كثافة طاقة بصرية عالية، والتي يسهل الوصول بها إلى عتبات تشغيل الجهاز اللازمة والعمل مع التأثيرات البصرية غير الخطية.
5. يتم دمج البصريات المتكاملة بشكل عام على ركيزة بحجم سنتيمتر، وهي صغيرة الحجم وخفيفة الوزن.
2. مقارنة بالدوائر المتكاملة
يمكن تقسيم مزايا التكامل البصري إلى جانبين، أحدهما هو استبدال النظام الإلكتروني المتكامل (الدائرة المتكاملة) بالنظام البصري المتكامل (الدائرة البصرية المتكاملة)؛ والآخر يتعلق بالألياف البصرية والموجه الضوئي المستوي العازل الذي يوجه الموجة الضوئية بدلاً من الأسلاك أو الكابلات المحورية لنقل الإشارة.
في المسار البصري المتكامل، تُشكّل العناصر البصرية على ركيزة من الرقاقة وتُربط بواسطة موجهات ضوئية مُشكّلة داخل الركيزة أو على سطحها. يُعدّ المسار البصري المتكامل، الذي يدمج العناصر البصرية على نفس الركيزة على شكل طبقة رقيقة، وسيلةً مهمةً لتحقيق تصغير النظام البصري الأصلي وتحسين الأداء العام. يتميز الجهاز المتكامل بصغر حجمه، وأدائه المستقر والموثوق، وكفاءته العالية، واستهلاكه المنخفض للطاقة، وسهولة استخدامه.
بشكل عام، تشمل مزايا استبدال الدوائر المتكاملة بالدوائر البصرية المتكاملة زيادة عرض النطاق الترددي، وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي، والتبديل المتعدد، وانخفاض فقد الاقتران، وصغر الحجم، وخفة الوزن، وانخفاض استهلاك الطاقة، واقتصادية تحضير الدفعات، والموثوقية العالية. ونظرًا للتفاعلات المتعددة 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 البصري المتكامل.
2. البحث والتطبيق في مجال البصريات المتكاملة
تُستخدم البصريات المتكاملة على نطاق واسع في مجالات متنوعة مثل الصناعة والجيش والاقتصاد، ولكنها تُستخدم بشكل أساسي في الجوانب التالية:
1. شبكات الاتصالات والشبكات الضوئية
تُعد الأجهزة البصرية المتكاملة هي الأجهزة الرئيسية لتحقيق شبكات الاتصالات البصرية عالية السرعة وذات السعة الكبيرة، بما في ذلك مصدر الليزر المتكامل عالي السرعة، ومصفوفة محزز الموجة الموجهة، ومضاعف تقسيم الطول الموجي الكثيف، وكاشف ضوئي متكامل ضيق النطاق، ومحول الطول الموجي للتوجيه، ومصفوفة التبديل البصري سريعة الاستجابة، ومقسم حزمة الموجة الموجهة منخفض الفقدان متعدد الوصول، وما إلى ذلك.
2. الحاسوب الضوئي
الحاسوب الضوئي هو حاسوب يستخدم الضوء كوسيلة لنقل المعلومات. الفوتونات هي جسيمات عديمة الشحنة الكهربائية، ويمكن لأشعة الضوء أن تمر بشكل متوازٍ أو متقاطع دون أن تؤثر على بعضها البعض، مما يمنحها قدرة فائقة على المعالجة المتوازية. يتميز الحاسوب الضوئي أيضًا بسعة تخزين معلومات كبيرة، ومقاومة عالية للتداخل، ومتطلبات بيئية منخفضة، وقدرة عالية على تحمل الأعطال. تتكون المكونات الوظيفية الأساسية للحواسيب الضوئية من مفاتيح ضوئية متكاملة ومكونات منطقية ضوئية متكاملة.
3. تطبيقات أخرى، مثل معالج المعلومات البصرية، ومستشعر الألياف البصرية، ومستشعر شبكة الألياف، وجيروسكوب الألياف البصرية، وما إلى ذلك.
تاريخ النشر: 28 يونيو 2023