החוקר הראשי מסביר כי אחד מהאתגרים הטכנולוגיים הנוכחיים הגדולים ביותר הינו המרת מידע בין רכיבים אופטיים לרכיבים אלקטרוניים במהירות וביעילות
לראשונה אי-פעם, קבוצת כימאים, פיסיקאים ומהנדסים הצליחו לפתח חומרים גבישיים המאפשרים לסיב אופטי להיות משולב ולתפקד ברכיבי אלקטרוניקה מהירים. היישומים האפשריים של סיבים אופטיים כאלו כוללים טלקומוניקציה וטכנולוגיות אופטיות/אלקטרוניות אחרות משופרות, טכנולוגיית לייזר משופרת והתקנים מדויקים יותר עבור חישה-מרחוק. הצוות הבינלאומי, בראשותו של הפרופסור לכימיה John Badding מאוניברסיטת פן סטייט פרסם את ממצאיו בכתב-העת המדעי Nature Photonics.
החוקר הראשי מסביר כי אחד מהאתגרים הטכנולוגיים הנוכחיים הגדולים ביותר הינו המרת מידע בין רכיבים אופטיים לרכיבים אלקטרוניים במהירות וביעילות. הטכנולוגיה הנוכחית מובילה לשיטות מיזוג די מסורבלות של סיבים אופטיים יחד עם שבבים אלקטרוניים – מעגלים משולבים מבוססי-סיליקון המתפקדים כאבני הבניין עבור רוב ההתקנים האלקטרוניים המוליכים למחצה כגון תאים סולאריים, דיודות פולטות אור, מחשבים וטלפונים ניידים.
“הסיב האופטי הוא בדרך כלל תווך סביל שפשוט מעביר אור, בעוד שהשבב הוא הרכיב המבצע את התפקיד האלקטרוני במערכת,” מסביר החוקר הראשי. “לדוגמה, אור מועבר מלונדון לניו-יורק דרך כבלי סיב-אופטי כאשר שני אנשים משתמשים בשיחת וידיאו בעזרת המחשבים שלהם. אולם, מסכי המחשב וההתקנים האלקטרוניים הקשורים אליהם צריכים להמיר את האור המתקבל לכדי תמונה, מנגנון שהינו אלקטרוני. אור וחשמל פועלים בתיאום בתהליך הקרוי המרת OEO, או המרת אופטי-חשמלי-אופטי”. החוקר מסביר כי באופן אידיאלי, במקום לשלב סיב אופטי בתוך שבב, שהוא נוהג שיגרתי בטכנולוגיות הקיימות, “סיב מתוחכם” יכלול את הפונקציות האלקטרוניות כבר משולבות בתוכו.
השילוב של סיבים אופטיים ושבבים מסובך בשל מספר טעמים. ראשית, סיבים הינם מעוגלים וגליליים, בעוד שהשבבים שטוחים, כך שעיצוב החיבור ביניהם די מאתגר. אתגר נוסף הוא סידורם של רכיבים כה זעירים. “סיב אופטי קטן פי עשרה מעובייה של שיערת אדם. בנוסף על כך, קיימים מסלולים מכוויני-אור הבנויים בתוך השבבים שהם קטנים אפילו יותר מהסיבים פי מאה,” מציין החוקר הראשי. “כך, דמיינו שאתם רק מנסים לסדר את שני הרכיבים הללו יחדיו. מבצע זה מהווה אתגר גדול לטכנולוגיות קיימות.”
על מנת להתמודד עם אתגרים אלו החוקרים השתמשו בגישה שונה – במקום למזג שבב שטוח עם סיב אופטי מעוגל, החוקרים מצאו דרך לבנות סוג חדש של סיב אופטי הכולל בתוכו רכיב אלקטרוני משולב, ובצורה זו הם עקפו את הצורך לשלב סיב לרכיב אופטי בתוך שבב. לשם כך, הם השתמשו בשיטות כימיות של לחץ גבוה על מנת לרבץ חומרים מוליכים-למחצה ישירות, שכבה אחר שכבה, לתוך חרירים זעירים הקיימים בסיבים אופטיים. “פריצת הדרך הגדולה במחקר שלנו היא בכך שלא נדרשנו לשבב שלם כחלק מהמוצר המוגמר. הצלחנו לבנות את הצומת – הגבול הפעיל שבו הפעילות האלקטרונית מתרחשת – ישירות לתוך הסיב,” מסביר אחד מהחוקרים. “יתרה מכך, בעוד שייצור שבבים רגילים מחייב שימוש במתקנים של חדרים נקיים בעלות של מיליוני דולרים, התהליך שלנו ניתן לביצוע בעזרת ציוד פשוט שעלותו הרבה יותר נמוכה.”
החוקר מוסיף כי אחד מהיעדים העיקריים של המחקר בתחום זה הינו ליצור מערכת שטוחה המורכבת כולה מסיבים. “אם האות החשמלי מעולם לא יוצא מהסיב, אזי השיטה היא הרבה יותר מהירה, זולה ויעילה,” מציין החוקר. “הזזת הטכנולוגיה משבב ישירות לסיב, שהיא הסביבה הטבעית יותר לאור, מקדמת את הפוטנציאל לחומרים מוליכים-למחצה מוטמעים המסוגלים לקדם פעילות אופטו-אלקטרונית לרמה הבאה. כרגע, עדיין חייבים לבנות מיתוג אלקטרוני בשני קצות הסיב האופטי. אם נוכל ליצור באופן מעשי אותות בתוככי הסיב, נוכל להגיע לטווח מלא של יישומים אופטו-אלקטרוניים.”
למחקר יש גם יישומים רבים אפשריים שלא בתחום הטלקומוניקציה; לדוגמה, המחקר שלנו מציג גישה שונה לחלוטין לייצור צמתים מוליכים-למחצה שישמשו במחקר לשם פיתוח של יישומי תאים סולאריים,” מסביר החוקר הראשי.
הידיעה על המחקר
