مدارهای مجتمع یا آی سی ها تراشه‌های کوچکی هستند که در اواخر دهه 1950 معرفی شدند و امروزه یکی از اجزای ضروری دستگاه‌های الکترونیکی مدرن به شمار می‌روند. تراشه‌های سنتی که از لایه‌های نیمه‌هادی تولید می‌شوند می‌توانند به سیگنال‌های الکتریکی پاسخ دهند. با این حال با کاهش ابعاد این تراشه‌ها، چالش‌های زیادی در زمینه تولید آی سی ها به وجود آمده است. با توجه به قانون مور، اضافه کردن اجزای بیشتر به یک لایه، غیر عملی است و بنابراین توسعه آی سی های الکترونیکی با ابعاد کوچک‌تر غیر ممکن شده است. همچنین در حوزه‌هایی مثل big data، دستگاه‌های IoT و هوش مصنوعی به علت حجم بالای داده‌های منتقل شده، پهنای باند این قطعات دچار تنگنا شده و سرعت ارسال داده توسط آنها کاهش می‌یابد. به عبارتی ساخت آی سی های الکترونیکی با سرعت بسیار بالا که بتوانند نیازهای دستگاه‌های IoT و هوش مصنوعی را به طور کامل برآورده کنند تقریبا غیرممکن شده است. با این حال می‌توان گفت، پیشرفت در حیطه آی سی‌های فوتونیک که از سیگنال‌های نوری به جای سیگنال‌های الکتریکی برای انتقال داده استفاده می‌کنند، راه حل موثری برای این مشکلات ارائه خواهد داد.
آی سی فوتونیک چیست؟
آی سی فوتونیک تراشه‌ای است که چندین مولفه نوری را در یک پلتفرم یکتا جایگذاری می‌کند تا دستوراتی مرتبط با تولید، دستکاری و تشخیص نور را انجام دهند. برخلاف آی سی های سنتی که بر پایه سیگنال‌های الکتریکی کار می‌کنند، آی سی های فوتونیک از فوتون‌ها (ذرات نور) برای برقراری ارتباط و محاسبات استفاده می‌کنند.
مدارهای مجتمع فوتونیک برای بهره‌برداری از خواص یکتای نور و ارائه مزایایی مثل پهنای باند بیشتر، مصرف انرژی کمتر و ارسال اطلاعات با سرعت بیشتر نسبت به همتایان الکتریکی خود طراحی شده‌اند. این آی سی‌ها معمولا شامل اجزایی نظیر لیزرها، مدولاتورها، دتکتورها، موج‌برها و دیگر اجزای نوری هستند.
آی سی‌های فوتونیک چگونه کار می‌کنند؟
آی‌سی‌های فوتونیک با بهره‌گیری از اصول کنترل و هدایت فوتون‌های نوری، عملکردی فوق‌العاده سریع، پهنای باند گسترده و بهره‌وری بالا ارائه می‌دهند. این مدارهای مجتمع با استفاده از لیزرها و دیودهای نوری، فوتون‌های لازم برای انتقال سیگنال‌ها را تولید کرده و اطلاعات را از طریق پالس‌های نوری منتقل می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود که داده‌ها با سرعتی فوق‌العاده بالا، پهنای باند وسیع و حداقل اتلاف انرژی منتقل شوند. در این ساختار، موج‌برهای نوری که از موادی مانند سیلیکون یا شیشه ساخته شده‌اند، به‌عنوان مسیرهای دقیق هدایت‌کننده عمل کرده و جریان فوتون‌ها را درون مدار کنترل می‌کنند. با استفاده از پدیده انعکاس داخلی کامل، سیگنال‌های نوری بدون انحراف و با کمترین افت در مسیرهای تعیین‌شده حرکت می‌کنند، که این امر دقت و پایداری انتقال داده را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد. طراحی پیشرفته این موج‌برها به مهندسان این امکان را می‌دهد که نور را به شکل بهینه هدایت کرده، مسیر انتشار را کنترل نموده و از تلفات ناخواسته جلوگیری کنند. این امر باعث می‌شود که آی‌سی‌های فوتونیک به گزینه‌ای ایده‌آل برای انتقال سریع و مطمئن داده‌ها تبدیل شوند.
چه موادی در آی سی های فوتونیک استفاده می‌شوند؟
مدارهای مجتمع فوتونیک از مواد مختلفی برای یکپارچه‌سازی اجزای نوری روی یک تراشه واحد بهره می‌برند. انتخاب ماده به کاربرد خاص و قابلیت‌های موردنظر بستگی دارد. فسفید ایندیوم (InP) یکی از پرکاربردترین مواد در پلتفرم‌های آی سی فوتونیکی است و به دلیل سازگاری با عملکردهای نوری فعال و غیرفعال در یک تراشه شناخته می‌شود. آی سی های مبتنی بر InP برای کاربردهایی که نیاز به تولید، تقویت، کنترل و آشکارسازی لیزرهای فعال دارند، ایده‌آل هستند. این ویژگی آنها را برای مخابرات و حسگرها بسیار مناسب می‌سازد.
نیترید سیلیکون (SiN) طیف گسترده‌تری را پوشش داده و دارای موج‌برهای با افت بسیار کم است که آن را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد. آی سی های مبتنی بر SiN در آشکارسازها، طیف‌سنج‌ها، زیست‌حسگرها و کامپیوترهای کوانتومی استفاده می‌شوند. موج‌برهای TriPleX® که بر پایه SiN ساخته شده‌اند، به دلیل افت انتشار بسیار کم، برای کاربردهای با عملکرد بالا ایده‌آل هستند.
کاربردهای آی سی های فوتونیکی
آی سی‌های فوتونیکی به دلیل مزایای منحصربه‌فرد خود، در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شوند. در ادامه، چند نمونه از کاربردهای عملی این فناوری را بررسی می‌کنیم:
مخابرات و شبکه‌های فیبر نوری
یکی از مهم‌ترین کاربردهای آی سی‌های فوتونیکی، افزایش سرعت و کارایی در شبکه‌های ارتباطی است. این فناوری در مراکز داده و زیرساخت‌های مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا انتقال داده‌ها با سرعت بسیار بالا و حداقل تأخیر انجام شود. امروزه، بسیاری از سیستم‌های مخابراتی پیشرفته مانند شبکه‌های 5G و ارتباطات فیبر نوری از آی سی‌های فوتونیکی برای پردازش و انتقال سیگنال‌های نوری استفاده می‌کنند.
مراکز داده و پردازش ابری
در عصر کلان‌داده (Big Data) و پردازش ابری، حجم عظیمی از اطلاعات باید با سرعت بالا بین سرورها منتقل شود. آی سی‌های فوتونیکی با ارائه پهنای باند گسترده‌تر و کاهش مصرف انرژی، نقش مهمی در بهینه‌سازی عملکرد مراکز داده ایفا می‌کنند. فناوری فوتونیک سیلیکونی به شرکت‌هایی مانند Google، Amazon و Microsoft این امکان را می‌دهد تا مراکز داده خود را با کارایی بیشتری مدیریت کنند.
حسگرهای پیشرفته و مانیتورینگ محیطی
آی سی‌های فوتونیکی در تولید حسگرهای دقیق برای صنایع مختلف، از جمله پزشکی، زیست‌محیطی و صنعتی کاربرد دارند. به عنوان مثال در پزشکی، از این حسگرها برای تشخیص بیماری‌ها و نظارت بر علائم حیاتی بیماران استفاده می‌شود. فناوری‌هایی مانند طیف‌سنجی نوری و تصویربرداری پزشکی (OCT) از این آی سی‌ها بهره می‌برند. در صنایع زیست‌محیطی، آی سی‌های فوتونیکی برای مانیتورینگ کیفیت هوا، ترکیب‌های شیمیایی و تغییرات دمایی به کار می‌روند. در کارخانه‌ها نیز از این حسگرها برای تشخیص ناهنجاری‌ها در فرآیندهای تولیدی و کنترل کیفیت محصولات استفاده می‌شود.
خودروهای خودران و فناوری لیدار (LiDAR)
لیدار (LiDAR) یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در خودروهای خودران است که امکان تشخیص موانع و نقشه‌برداری دقیق محیط را فراهم می‌کند. آی سی‌های فوتونیکی در سیستم‌های لیدار به کار گرفته می‌شوند تا داده‌های محیطی را با سرعت بالا پردازش کرده و عملکرد خودروهای هوشمند را بهبود بخشند. این فناوری همچنین در هواپیماهای بدون سرنشین (پهپادها) برای مسیریابی و تشخیص موانع استفاده می‌شود.
محاسبات کوانتومی و هوش مصنوعی
یکی از حوزه‌های نوظهور که از آی سی‌های فوتونیکی بهره می‌برد، محاسبات کوانتومی است. این فناوری امکان پردازش داده‌ها را با سرعتی فراتر از کامپیوترهای کلاسیک فراهم می‌کند. آی سی‌های فوتونیکی برای انتقال و پردازش اطلاعات کوانتومی به‌طور کارآمدتر استفاده می‌شوند. همچنین، در زمینه هوش مصنوعی (AI)، این آی سی‌ها به پردازش موازی داده‌ها کمک کرده و سرعت یادگیری ماشین را افزایش می‌دهند.
تجهیزات تصویربرداری و نمایشگرهای پیشرفته
در صنعت الکترونیک مصرفی، آی سی‌های فوتونیکی در توسعه نمایشگرهای جدید مانند نمایشگرهای هولوگرافیک، صفحه‌نمایش‌های فوق‌العاده نازک و دوربین‌های فوق حساس مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فناوری در گوشی‌های هوشمند و ابزارهای پوشیدنی نیز برای بهبود کیفیت نمایش و کاهش مصرف انرژی کاربرد دارد.
مزایای آی سی های فوتونیک
مدارهای مجتمع فوتونیکی مزایای متعددی دارند که آنها را برای کاربردهای متنوع بسیار جذاب می‌سازد. یکی از مهم‌ترین مزایای آنها توانایی انتقال داده با سرعت بالا است، زیرا از فوتون‌ها برای ارسال اطلاعات با سرعت نور استفاده می‌کنند. این ویژگی در کاربردهایی مانند مراکز داده و مخابرات که ارتباط سریع ضروری است، بسیار ارزشمند است. علاوه بر این، آی سی های فوتونیک پهنای باند بیشتری نسبت به مدارهای الکترونیکی سنتی ارائه می‌دهند و آنها را برای مدیریت حجم بالای داده با کارایی بالا ایده‌آل می‌سازد. اخیرا اولین نمونه از آی سی های فوتونیک قابل برنامه‌ریزی توسط شرکت iPronics تحت عنوان SmartLight به بازار عرضه شده و مورد آزمایش قرار گرفته است. این تراشه با سرعتی تا 20 برابر بیشتر از آی سی های الکترونیکی کار می‌کند و تقریبا تا 10 برابر مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.
آی سی های فوتونیک از نظر اندازه و یکپارچگی برتری دارند و امکان ادغام چندین جزء فوتونیکی را در یک تراشه یا زیرلایه واحد فراهم می‌کنند. این فرم فشرده برای دستگاه‌هایی که نیاز به اندازه کوچک و وزن کم دارند، بسیار مفید است.
آی سی های فوتونیکی نسبت به همتایان الکترونیکی‌شان، تلفات سیگنال کمتری دارند. این ویژگی برای حفظ کیفیت سیگنال و کاهش نیاز به تقویت سیگنال بسیار مهم است. علاوه بر این، ایمنی آی سی های فوتونیک در برابر تداخلات الکترومغناطیسی از دیگر مزایای مهم آنها است، زیرا این مدارها به‌جای الکترون‌ها از فوتون‌ها برای انتقال داده استفاده می‌کنند. این ویژگی عملکرد آنها را در محیط‌هایی که تداخلات الکترومغناطیسی می‌تواند کیفیت سیگنال را تحت تأثیر قرار دهد، بهبود می‌بخشد.
قابلیت پردازش موازی آی سی های فوتونیک، که ناشی از ماهیت امواج نوری است، موجب افزایش سرعت پردازش می‌شود. این ویژگی امکان پردازش هم‌زمان چندین جریان داده را با کارایی بالا فراهم می‌کند. علاوه بر این، آی سی های فوتونیک در حوزه محاسبات نوری نیز کاربرد دارند و امکان‌هایی فراتر از روش‌های الکترونیکی سنتی ارائه می‌دهند.
در نهایت، آی سی های فوتونیک با سیستم‌های فیبر نوری سازگار هستند و امکان ادغام آسان با زیرساخت‌های مخابراتی نوری موجود را فراهم می‌کنند. این سازگاری موجب افزایش پذیرش آنها در شبکه‌های مخابراتی شده و به پیشرفت سیستم‌های ارتباطی پرسرعت و کارآمد کمک می‌کند. در مجموع، مزایای مدارهای مجتمع فوتونیکی آنها را به اجزای کلیدی در توسعه فناوری‌های مختلف تبدیل کرده است.
چالش‌های موجود در مسیر ساخت آی سی های فوتونیک
مدارهای مجتمع فوتونیکی مزایای متعددی را ارائه می‌دهند، اما بدون چالش نیز نیستند. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، پیچیدگی تولید آنها است، زیرا ساخت اجزای فوتونیکی نیاز به دقت بالا و فرآیندهای پیچیده دارد که منجر به افزایش هزینه و دشواری در تولید آنها می‌شود. محدودیت‌های مواد نیز این مشکل را تشدید می‌کند، زیرا انتخاب مواد مناسب با عملکرد نوری بهینه ضروری است و برخی از مواد ممکن است برای همه کاربردها مناسب نباشند.
یکی دیگر از چالش‌ها، ادغام مواد مختلف در یک تراشه است. ادغام ناهمگن که شامل ترکیب مواد متفاوت است، ممکن است مشکلات سازگاری ایجاد کرده و فرآیند تولید را پیچیده کند. حساسیت به دما نیز یک نگرانی محسوب می‌شود، زیرا تغییرات دمایی می‌توانند بر عملکرد برخی از دستگاه‌های فوتونیکی تأثیر بگذارند و نیاز به شرایط محیطی کنترل‌شده را افزایش دهند.
مصرف توان یکی دیگر از نقاط ضعف مهم آی سی های فوتونیکی است، به‌ویژه برای اجزای اکتیو مثل لیزرها و مدولاتورها که به منابع تغذیه خارجی نیاز دارند. این موضوع ممکن است کاربرد آی سی های فوتونیک را در سناریوهایی که مصرف انرژی پایین در آنها اهمیت دارد، محدود کند. علاوه بر این، با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، آی سی های فوتونیک همچنان با چالش‌های تجاری‌سازی و نفوذ در بازار مواجه هستند که می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌ها و کمبود راه‌حل‌های استاندارد شود.
طراحی آی سی های فوتونیک با قابلیت‌های چندگانه ذاتاً پیچیده است و نیاز به بهینه‌سازی اجزای اولیه و اطمینان از سازگاری میان آنها در مدار دارد. آزمایش و عیب‌یابی نیز از دیگر چالش‌های مهم است، زیرا ماهیت سیگنال‌های نوری نیاز به تجهیزات و تخصص ویژه دارد. تنوع محدود اجزای فوتونیکی در مقایسه با همتایان الکترونیکی نیز دامنه عملکردهایی را که می‌توان در یک آی سی فوتونیک ادغام کرد، محدود می‌کند.
افت انتشار نیز یکی دیگر از ملاحظات است، زیرا سیگنال‌های نوری ممکن است هنگام عبور از موج‌برها و عناصر اپتیکی تضعیف شوند که بر بازده کلی مدار تأثیر می‌گذارد. با این حال، تحقیقات مداوم به دنبال رفع این چالش‌ها و بهبود عملکرد، قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌های مدارهای مجتمع فوتونیکی است.
آینده آی سی های فوتونیک
به نظر می رسد که آی سی های فوتونیک در آینده نقش مهمی در صنایع مختلف خواهند داشت. این آی سی ها نقشی اساسی در توسعه مراکز داده پرسرعت ایفا خواهند کرد. توانایی آنها در ارسال داده با سرعت‌های بسیار زیاد این آی سی ها را به قطعاتی ایده‌آل برای مقابله با نیاز روزافزون به ارتباطات بهینه و سریع تبدیل می‌کند.
با پیشرفت محاسبات کوانتومی، آی سی های فوتونیک می‌توانند در پردازش اطلاعات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند. توانایی آنها در دستکاری و پردازش نور می‌تواند منجر به توسعه استفاده از اجزای نوری در سیستم‌های محاسبات کوانتومی شود.
با ظهور شبکه‌های 5G و استانداردهای ارتباطات پیشرفته‌تر در آینده، انتظار می‌رود که آی سی‌های فوتونیک در سیستم‌های برقراری ارتباط پرسرعت و بدون تاخیر مورد استفاده قرار گیرند و عملکرد این سیستم‌ها را بهبود بخشند. این امر با بهره‌گیری از انتقال بهینه داده‌های حجیم توسط این آی سی‌های نوری امکان‌پذیر می‌شود.
آی سی‌های نوری همچنین در سنجش و تصویربرداری زیست‌پزشکی (biomedical) می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. توانایی آنها در پردازش و کنترل سیگنال‌های نوری آنها را به قطعاتی ایده‌آل برای توسعه لوازم تصویربرداری و تشخیصی پزشکی تبدیل خواهد کرد.
در توسعه شبکه‌های عصبی نوری نیز آی سی های فوتونیک می‌توانند نقش داشته باشند و در حوزه هوش مصنوعی تاثیر مثبت بگذارند. توانایی پردازش موازی در سیستم‌های برپایه سیگنال‌های نوری، می‌تواند نیازهای خاص ابزار AI را برآورده کند.
همچنین مطالعات در حوزه علم مواد، می‌تواند منجر به یافتن مواد جدیدی برای ساخت آی سی های فوتونیک باکیفیت‌تر شود که بتوانند در محدوده وسیعتری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند.
سخن آخر
آی سی های فوتونیکی می‌توانند منجر به پیشرفت بی‌سابقه فناوری مدارهای مجتمع شوند و با بهره‌گیری از قدرت نور، پردازش و انتقال اطلاعات را متحول کنند. این مدارها با استفاده از اجزای فوتونیکی مانند موج‌برها و لیزرها، مزایای منحصربه‌فردی از جمله انتقال داده با سرعت بالا، کاهش افت سیگنال، و مقاومت در برابر تداخلات الکترومغناطیسی را ارائه می‌دهند. در سال‌های آینده، ادغام یکپارچه عملکردهای الکترونیکی و فوتونیکی می‌تواند مرزهای جدیدی را در دنیای مدارهای مجتمع بگشاید و آینده‌ای را رقم بزند که در آن، سرعت نور دنیای ارتباطات را هدایت کند.