Transcript تراشه های 2فوتونیکی (1)

‫تهیه کنندگان ‪:‬‬
‫فرشید عبدالهی دزفولی نژاد‬
‫غفار بهروز‬
‫چراغی‬
‫تراشه نوری چیست؟‬
‫تراشه نوری دستگاه های هستد که برای انتقال اطالعات به جای جریان‬
‫الکتریسیته از دسته های نوری استفاده می کنند‪.‬‬
‫محققان موسسه ماساچوست خیز بلندی به سوی ایجاد تراشه های فوتونیک‬
‫برداشته اند‪.‬‬
‫منای سخت افزاری تراشه نوری‬
‫منای سخت افزاری تراشه نوری‬
‫سواالتی که ذهن مهه را درگری کرده است‬
‫سیلیکون فوتونیک چیست؟‬
‫چه تغییرات و جهشی در شبکه های کامپیوتری نسل آینده ‪,‬مراکز داده‪,‬سخت‬
‫افزار و ارتباطات بوجود آورد؟‬
‫کدام شرکت ها پیشگام هستند؟‬
‫اینتل و ‪ IBM‬پیشرو توسعه تراشه های نوری هستند‪.‬‬
‫فناوری سیلیکون فوتونیک یا سیلیکون نانو‬
‫فتونیک‬
‫شرکت اینتل فناوری جدید سیلیکون فتونیک را پرده برداری کرد‪.‬‬
‫گروه تحقیقاتی دانشجویی ‪ SURRY‬نیز روی این فناوری کار کرده اند‪.‬‬
‫اجزاء اصلی تشکیل دهنده تراشه های فوتونیکی؟‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫لیزرها ‪.‬‬
‫موجبرها ‪.‬‬
‫مدوالتورها ‪.‬‬
‫آشکارسازهای نوری ‪.‬‬
‫تارخیچه و تولید لیزرها‬
‫فردی با نام ‪ ted miaman‬در سال ‪ 1960‬در آزمایشگاه لیزر را کشف‬
‫کرد‪.‬‬
‫اینتل با دانشگاه ‪ ucsb‬روی لیزر ها در تراشه های فوتونی تحقیقاتی را‬
‫انجام دادند‪.‬‬
‫‪LASER :‬‬
‫‪Amplification by Stimulated Emission of Radiation light‬‬
‫لیزر ابزاری است که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخص ی‬
‫دارند ساطع میکنند‪ .‬این دستگاه از مادهای جمعکننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که‬
‫درون محفظه تشدید نور قرار داردمیکند‪.‬‬
‫سواالت مطرح شده‬
‫‪ o‬دالیل گرایش به سمت تراشه های فوتونیکی؟‬
‫‪ o‬فوتون چیست ؟‬
‫‪ o‬فوتونیک چیست؟‬
‫‪ o‬سیلیکون فوتونیک چیست‬
‫‪ o‬اجزاء اصلی تشکیل دهنده تراشهای فوتونیکی؟‬
‫دالیل گرایش به سمت تراشه های فوتونیکی؟‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫نیاز به پهنای باند بیشتر ‪.‬‬
‫نیاز به شبکه های نوری هوشمند ‪.‬‬
‫کاهش هزینه ها ‪.‬‬
‫مشکل تنگنای اتصاالت الکتریکی در مدارات مجتمع ‪ CMOS‬اشاره کنیم ‪.‬‬
‫فوتون چیست ؟‬
‫‪ ‬فوتون در فیزیک‪ ،‬یک ذره بنیادی است که بهعنوان واحد کوانتومی نور و یا هر نوع تابش‬
‫الکترومغناطیس ی محسوب میشود‪.‬‬
‫‪ ‬بهترین تعریف از فوتون توسط مکانیک کوانتومی ارائه میشود‪ .‬که نشان دهنده ویژگی‬
‫دوگانگی ذره وموج میباشد‪.‬‬
‫‪ ‬فوتون دارای اسپین یک است‪ ،‬یعنی از لحاظ ذرهای بوزون به حساب میآید‪.‬‬
‫فوتونیک چیست؟‬
‫يكي از شاخه هاي جديد و مهم علوم در سالهاي اخير فوتونيك يا مهندسي نور‬
‫مي باشد اين علم استفاده از نور ( در تمامي طول موجها) بمنظور تبديل آن به‬
‫اطالعات است‬
‫سیلیکون فوتونیک چیست ؟‬
‫استفاده از علوم فوتونیک با بهره مندی از سیلیکون بعنوان رسانای نوری‬
‫اطالق میشود‬
‫برخي ازکاربردهای لیزر‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫گروهی از ستارهشناسان با استفاده از یک تلسکوپ قدرتمند لیزری کهکشان راهشیری را مشاهده میکنند‪.‬‬
‫فیزیک و شیمی‬
‫زیستشناس ی و پزشکی‪ :‬چاقوی لیزری‪ ،‬مته لیزری‪ ،‬فیزیوتراپی و ‪...‬‬
‫صنایع نظامی‪ :‬ردیاب لیزری‪ ،‬تفنگ لیزری‪ ،‬بمب با هدایت لیزری و ‪...‬‬
‫صنعت‪ :‬جوشکاری لیزری‪ ،‬برشهای لیزری‪ ،‬برش املاس‪ ،‬مسافت یاب لیزری‪ ،‬صنایع ساختمانی‬
‫ارتباطات نوری‬
‫ساخت ترانزیستورو مدار مجتمع‬
‫لیتوگرافی و استریولیتوگرافی‬
‫فرآوری اطالعات نوری و ضبط آنها‬
‫فرآوری مواد‬
‫اندازهگیری (سرعت سنجی)‬
‫آزمایشگاهی و پژوهش ی‪ :‬اندازهگیری‪ ،‬سنتز مواد و ‪...‬‬
‫محیط لیزری‬
‫محیط تقویت کننده یا محیط لیزری بخش مهمی از ابزار لیزر است که منبع ساطع کننده‬
‫نور میباشد و میتواندگاز ‪ ،‬مایع یا جامد باشد و طول موج تابش لیزری را تعیین میکند‪.‬‬
‫خروجی لیزر‬
‫خروجی لیزرها به دو صورت پالس ی و پیوسته میباشد‪ .‬پالس در واقع نوری است که در‬
‫محدوده زمانی کوتاه تابیده میشود‪ .‬این محدوده زمانی امروزه به کمتر از فمتوثانیه رسیده‬
‫است‪.‬‬
‫انواع لیزر‬
‫لیزر حالت جامد – لیزر گازی – لیزر مایع – لیزر شیمیایی – لیزر نیمه رسانا – لیزر‬
‫سیلیکونی هیبریدی‬
‫موجبر نوری‬
‫موجبر یک سطح تخت با مقطع مربعی یا مستطیلی است که برای انتقال و انتشار نور بکار میرود‪ .‬مانند آنچه که‬
‫در یک فیبر نوری رخ میدهد‪ ،‬نور از طریق بازتاب های کلی از سطح باال و پایین موجبر با مدهایی که به زاویه‬
‫تابش اولیه بستگی دارد‪ ،‬انتشار پیدا میکند‪ .‬در واقع فیبر نوری هم نوعی موجبر است البته با این تفاوت که‬
‫مقطع آن دایره ای است‪.‬‬
‫با پیشرفت فن آوری کوچک کردن مدارها ‪ ،‬مدارهای الکترونیکی دیگر پاسخگوی نیاز بشر نیست و بشر به دنبال‬
‫جایگزینی برای آن میباشد‪ .‬یکی از این جایگزینها مدارهای مجتمع نوری است‪ .‬در این مدارهای مجتمع‬
‫نوری جای سیمهای فلزی را موجبرهای نوری گرفته اند ‪.‬‬
‫آشکارساز نوری‬
‫وﻇﯿﻔﻪ آﺷﮑﺎرﺳﺎز ﻧﻮری ﺗﺒﺪﯾﻞ ﺳﯿﮕﻨﺎل ﻧﻮری ﺣﺎوی اﻃﻼﻋﺎت ﺑﻪ ﺳﯿﮕﻨﺎل اﻟﮑﺘﺮﯾﮑﯽ اﺳﺖ ‪.‬‬
‫ﺑﻪ ﺳﻪ ﮔﺮوه ﻋﻤﺪه ﺗﻘﺴﯿﻢ ﻣﯽ ﺷﻮﻧﺪ‪:‬‬
‫‪ o‬آﺷﮑﺎرﺳـﺎزﻫﺎی ﻧـﯿﻤﻪ ﻫـﺎدی‬
‫‪ o‬آﺷﮑﺎرﺳـﺎزﻫ ﺎی ﻓﻮﺗـﻮن ﮔﺴـﯿﻞ‬
‫‪ o‬آﺷﮑﺎرﺳـﺎزﻫﺎی ﺣﺮارﺗـﯽ‬
‫آﺷﮑﺎرﺳـﺎز ﻫﺎی ﻧـﻮری ﻧـﯿﻤﻪ ﻫـﺎدی ﺑـﻪ دﻟﯿﻞ ﻗﯿﻤﺖ ﮐﻢ ‪ ،‬اﻧﺪازه ﮐﻮﭼﮏ ‪ ،‬اﺳﺘﺤﮑﺎم ‪ ،‬ﺗﻮان ﻣﺼﺮﻓﯽ ﮐﻢ‪ ،‬ﻣﺤـﺪوده‬
‫ﻃﯿﻔـﯽ وﺳـﯿﻊ ‪ ،‬ﺣﺴﺎﺳـﯿﺖ ﺧـﻮب و ﭘﺎﺳـﺦ ﺳـﺮﯾﻊ ‪ ،‬ﻣﻨﺎﺳـﺒﺘﺮﯾﻦ اﻧﺘﺨﺎب ﺑﺮای ﻣﺨﺎﺑﺮات ﻧﻮری اﻧﺪ‪.‬‬
‫‪APD‬‬
‫ﻣﺰاﯾﺎ‬
‫‪PIN-Pre AMP‬‬
‫بهره جریان ‪,‬‬
‫ﺣﺴﺎﺳﯿﺖ ﺑﯿﺸﺘﺮ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ‬
‫‪, PIN‬‬
‫وﻟﺘﺎژ ﮐﺎر ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﺳﺮﻋﺖ ﭘﺎﺳﺦ و ﺑﺎﻧﺪ ﻓﺮﮐﺎﻧﺴﯽ ﻧﻮﯾﺰ ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﺗﻘﻮﯾﺖ ﺳﯿﮕﻨﺎل‬
‫ﻣﻨﺎﺳﺐ‬
‫‪PIN‬‬
‫‪MSM‬‬
‫وﻟﺘﺎژ ﮐﺎر ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﺟﺮﯾﺎن ﻧﺸﺘﯽ ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﻧﻮﯾﺰ ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﺳﺮﻋﺖ ﭘﺎﺳﺦ و ﺑﺎﻧﺪ‬
‫ﻓﺮﮐﺎﻧﺴﯽ ﺑﻬﺘﺮ از ‪،APD‬‬
‫ﺳﺎﺧﺘﺎر ﺳﺎده ﺗﺮ و ﻗﯿﻤﺖ‬
‫ﮐﻤﺘﺮ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ‪APD‬‬
‫ﺳﺎﺧﺘﺎر ﺑﺴﯿﺎر ﺳﺎده‪،‬‬
‫ﻧﻮﯾﺰ ﮐﻤﺘﺮ از ‪ APD‬و‬
‫‪PIN،‬‬
‫ﺳﺮﻋﺖ ﭘﺎﺳﺦ و ﺑﺎﻧﺪ‬
‫ﻓﺮﮐﺎﻧﺴﯽ زﯾ‬
‫نوﯾﺰ زﯾﺎد ‪ ،‬ﺟﺮﯾﺎن ﻧﺸﺘﯽ زﯾﺎد‪،‬‬
‫ﻧﯿﺎز ﺑﻪ وﻟﺘﺎژ ﮐﺎر زﯾﺎد‪،‬‬
‫ﺣﺴﺎﺳﯿﺖ زﯾﺎد ﺑﻪ دﻣﺎ‪،‬‬
‫ﻣﻌﺎﯾﺐ‬
‫ﺳﺎﺧﺘﺎر ﭘﯿﭽﯿﺪه‪ ،‬ﻗﯿﻤﺖ زﯾﺎد‬
‫ﭘﯿﭽﯿﺪﮔﯽ ﺳﺎﺧﺖ‬
‫(ﻣﺠﺘﻤﻊ ﺳﺎزی ﺑﻪ ﻫﻤﺮاه ﺗﻘﻮﯾﺖ‬
‫(ﮐﻨﻨﺪه‬
‫ﺣﺴﺎﺳﯿﺖ ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﺑﺪون ﺑﻬﺮه ﺟﺮﯾﺎن‪،‬‬
‫ﺟﺪول‪ :1‬ﻣﻘﺎﯾﺴﻪ اﻧﻮاع آﺷﮑﺎرﺳﺎزﻫﺎی ﻧﻮری‬
‫ﺣﺴﺎﺳﯿﺖ ﮐﻢ‪،‬‬
‫ﺑﺪون ﺑﻬﺮه ﺟﺮﯾﺎن‬
‫گرافن چیست ؟‬
‫گرافن یکی از مواد کریستالی دو بعدی است که در سال های اخیر شناسایی و تحلیل شده اند‪ .‬صفحه ای ورقه ای‬
‫شکل به ضخامت اتم کربن را گرافن تک الیه می نامند‪ .‬این ماده جدید ویژگی های منحصر به فرد زیادی‬
‫دارد که این امر باعث می شود آن را برای مطالعات اساس ی و کاربردهای آینده به ماده ای جالب مبدل سازد‪.‬‬
‫مزیتهای ساخت آشکار ساز نوری با گرافن‬
‫‪ o‬سرعت باال ‪:‬‬
‫حتی آشکارسازهای نوری پیشرفته ساخته شده از عناصر نادر‪ ،‬نسبت به گرافن از لحاظ سرعت انتقال و‬
‫پاسخ دهی (تاخیر) پایین تر قرار می گیرند‪.‬‬
‫‪ o‬اندازه فوق العاده کوچک‪:‬‬
‫سازندگان ادعا کرده اند که آشکار ساز نوری آن ها می تواند به اندازه ای کوچک ساخته شود که ‪20000‬‬
‫تعداد از آن ها قابل جای دادن بر روی یک تراشه تنها یک سانتی متر مربع باشند‪.‬‬
‫مدوالتورهای نوری‬
‫ابزار نوری است که در آن کنترل گر سیگنالی که تاثیرات الکتریکی‪-‬نوری را نشان میدهد‪ ،‬اشعه نور را مدوله یا‬
‫تلفیق میکند‪ .‬هدف از مدوله سازی میتواند مدوله سازی فاز‪ ،‬دامنه‪ ،‬فرکانس یا قطبش باشد‪ .‬با استفاده از‬
‫مدوالتورهایی که با لیزر کنترل میشوند‪ ،‬می توان پهنای باند مدوالسیون را تا بازه گیگا هرتز افزایش داد‪ .‬به‬
‫طور کلی در مواد اپتیکی غیر خطی (پلیمرهای آلی سریعترین میزان پاسخ دهی را دارند و برای این کاربرد بسیار‬
‫مناسب هستند) با تابش میدان اپتیکی ایستا یا فرکانس پایین‪ ،‬مدوالسیون ضریب شکست مشاهده خواهد‬
‫شد‪ .‬برخی مواد زمانی که در معرض تابش میدان الکتریکی قرار میگیرند‪ ،‬ویژگیهای اپتیکی آنها تغییر میکند‪ .‬این‬
‫تغییر به علت وجود نیرویی که موقعیت‪ ،‬جهت و یا شکل مولکولهای تشکیل دهنده ماده را تغییر میدهد‬
‫اتفاق میافتد‪ .‬اثر الکترو اپتیک تغییر در ضریب شکست با اعمال میدان الکتریکی ثابت یا فرکانس پایین است‪.‬‬
‫انواع مدوالسیون‬
‫مدوالسیون فاز‬
‫مدوالسیون دامنه‬
‫مدوالسیون قطبش‬
‫مدوالسیون فاز‬
‫ساده ترین نوع مدوالتورهای الکترو اپتیکی از کریستالی مانند لیتیوم نایوبات که ضریب‬
‫شکست آن تابع قدرت میدان الکتریکی است‪ ،‬تشکیل شدهاست‪ .‬به این معنی که اگر‬
‫لیتیوم نایوبات در معرض میدان الکتریکی قرار بگیرد‪ ،‬نور با سرعت کمتری در آن حرکت‬
‫خواهد کرد و فاز نور خارج شده از کریستال به طور مستقیم با زمانی که طول میکشد‬
‫تا نور از کریستال خارج شود متناسب است‪ .‬بنابراین با تغییر دادن میدان الکتریکی‬
‫اعمالی به کریستال می توان فاز نور لیزر خروجی از مدوالتور را کنترل کرد‬
‫مدوالسیون دامنه‬
‫مدوله کنندههای فاز با استفاده از تداخل سنج ماخ زندر میتوانند مدوله سازی دامنه را انجام دهند‪.‬‬
‫تقسیم کننده پرتو‪ ،‬نور لیزر را به دو مسیر تقسیم میکند که فاز نور در یکی از مسیرها همانطور که در‬
‫باال گفته شد مدوله میشود‪ .‬سپس این دو پرتو با هم ترکیب میشوند‪ .‬تغییر در میدان الکتریکی اعمال‬
‫شده در یکی از مسیرهای تداخل سنج برای مدوالسیون فاز تعیین میکند که دو پرتو خروجی ترکیبشان‬
‫سازنده یا مخرب باشد و به این ترتیب می توان دامنه و شدت نور خروجی را کنترل کرد‪ .‬این وسیله‬
‫مدوالتور ماخ زندر نامیده میشود‪ .‬یکی از کاربردهای این مدوالتورهای الکترو اپتیکی ساختن باندهای‬
‫جانبی در پرتوهای تک رنگ لیزر میباشد‪ .‬برای اینکه بدانید این مسئله چگونه اتفاق میافتد فرض کنید‬
‫پرتو لیزر با توان باال با فرکانس ‪ω‬توسط معادله زیر وارد مدوالتور میشود‬
‫مدوالسیون قطبش‬
‫بسته به نوع و جهت گیری کریستال غیر خطی و راستای میدان الکتریکی اعمالی به کریستال‬
‫تاخیر فاز ایجاد شده میتواند به جهت قطبش بستگی داشته باشد‪ .‬بنابراین از سلول پاکلز‬
‫ً‬
‫می توان برای مدوله کردن قطبش استفاده کرد‪ .‬برای قطبش خطی فرودی (که معموال با‬
‫محور کریستال زاویه ‪ ۴۵‬درجه میسازد)قطبش خروجی در حالت کلی بیضوی خواهد بود‪.‬‬
‫پایان‬