طور علماء IollNIST (المعهد الوطني الأمريكي للعلوم والتكنولوجيا) عملية جديدة لتعبئة الدوائر المتكاملة الضوئية حتى تتمكن من البقاء والعمل في بعض البيئات الأكثر تطرفًا التي يمكن تخيلها.
وعلى الرغم من أن العملية الجديدة تتطلب الآن عدة أيام لإكمالها، إلا أن المهندسين يمكنهم تقصير الوقت بشكل كبير، مما يجعل هذه التقنية مناسبة للتصنيع على نطاق واسع.
رسم توضيحي لدائرة فوتونية متكاملة، مع مكونات مرتبطة باستخدام تقنية تمكن الدائرة من البقاء والعمل في البيئات القاسية.
ائتمان: نيست
وقال نيكولاي كليموف، عالم الفيزياء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، الذي قاد المشروع: “تمثل دراستنا خطوة كبيرة نحو جلب سرعة وكفاءة الضوئيات إلى البيئات التي لم تتمكن فيها رقائق أشباه الموصلات التقليدية التي تعمل بالتيار الكهربائي ورقائق الضوئيات المعبأة باستخدام الطرق التقليدية من العمل”.
تتمتع الرقائق الضوئية المتكاملة بميزة خاصة لأنها تنقل البيانات بسرعات عالية بينما تستهلك طاقة أقل بكثير من الرقائق التقليدية – ولكن فقط إذا كانت العبوة قادرة على الحفاظ على محاذاة التوصيلات الضوئية الدقيقة بشكل مثالي.
وقد ظل استخدامها في البيئات الصعبة محدودًا. تفشل العبوات التقليدية في الحفاظ على اتصالات موثوقة بين الرقائق الضوئية والألياف الضوئية في الظروف القاسية – مثل الإشعاع المكثف، أو الفراغ العالي جدًا، أو الحرارة الشديدة، أو درجات الحرارة شديدة البرودة.
تتطلب العديد من التقنيات الكمومية، بما في ذلك العديد من منصات الحوسبة الكمومية الرائدة، إما بيئات فراغية عالية جدًا، أو درجات حرارة أعلى من الصفر المطلق ببضع درجات فقط، أو كليهما. تعرض المهمات الفضائية ونوى المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات الأدوات للإشعاع المكثف. تتطلب التطبيقات الصناعية وتطبيقات الطاقة أجهزة استشعار يمكنها تحمل الحرارة والضغط والبيئات المسببة للتآكل.
ولتمكين الرقائق الضوئية المتكاملة من العمل في هذه البيئات القاسية، تغلب الباحثون على تحدي عنيد بشكل مدهش: ربط ألياف ضوئية بشكل موثوق بالشريحة الضوئية.
تميل المواد اللاصقة القياسية اليوم – أصماغ البوليمر العضوية – إلى التشقق أو إطلاق الغازات أو التحلل عند تعرضها للبرد الشديد أو الإشعاع الشديد أو الفراغ أو الحرارة. وبمجرد فشل هذا الارتباط، لن تتمكن الشريحة من العمل.
لحل هذه المشكلة، قام علماء NIST بتكييف تقنية استخدمتها وكالة ناسا في الأصل لتجميع أنظمة بصرية كبيرة وفائقة الاستقرار لكل من الأنظمة الفلكية الفضائية والأرضية.
تُنشئ هذه الطريقة، التي تُسمى الرابطة الحفزية الهيدروكسيدية (HCB)، رابطة كيميائية غير عضوية تشبه الزجاج بين الألياف الضوئية والرقاقة الضوئية.
بدلاً من الاعتماد على الغراء، تستخدم العملية كمية صغيرة من محلول هيدروكسيد الصوديوم لدمج الأسطح على المستوى الجزيئي، وتشكيل اتصال صلب ومستقر.
أظهر فريق NIST لأول مرة أن تقنية HCB يمكنها تحقيق المحاذاة الدقيقة للألياف الضوئية واقتران الضوء الفعال الذي تتطلبه الدوائر الضوئية، مع الاستمرار في تشكيل حزمة قوية قادرة على تحمل البيئات القاسية.
ولاختبار هذه المرونة، قام الباحثون بتعريض الشريحة الضوئية المعبأة لسلسلة من الظروف القاسية.
حتى بعد أن قام الفريق بتبريد المجموعة إلى درجات حرارة مبردة، وإغراق المادة من خلال التقلبات السريعة في درجة الحرارة، وقصفها بإشعاعات مؤينة مكثفة، ووضعها تحت فراغ عالٍ، ظلت وصلة الألياف المرتبطة بسداسي كلورو البنزين سليمة. سمح هذا للفريق بالتحقق من أن الشريحة نفسها استمرت في العمل بشكل طبيعي.
على الرغم من أنه لا يمكن إجراء اختبار درجة الحرارة المرتفعة مباشرة على الرقاقة الضوئية المعبأة بسبب القيود المفروضة على الألياف الضوئية التجارية المتاحة، فقد أظهرت الدراسات الإضافية التي أجراها الفريق أن التغليف الضوئي القائم على سداسي كلورو البنزين يظل مستقرًا ميكانيكيًا عند درجات حرارة أعلى بكثير مما يمكن أن تتحمله المواد اللاصقة التقليدية.
وتشير هذه النتائج مجتمعة إلى طريقة تعبئة ذات مرونة استثنائية عبر نطاق بيئي واسع بشكل ملحوظ.
وقال كليموف: “يخلق هذا النهج رابطة مرنة مثل الألياف الضوئية نفسها”. “إنها تسمح للدوائر الضوئية المتكاملة بالذهاب إلى أماكن لم تكن تستطيع الذهاب إليها من قبل.”
على الرغم من أن عملية الترابط الحالية تتطلب عدة أيام حتى تكتمل، إلا أن الباحثين يؤكدون أن هذه مشكلة هندسية وليست عائقًا أساسيًا. ومن خلال التطوير المركز، يمكن للمهندسين اختصار الوقت بشكل كبير، مما يجعل هذه التقنية مناسبة للتصنيع على نطاق واسع.
