כיצד מתפשט האור בסיליקון?

תחום המעגלים הפוטונים המשולבים (Photonic integrated circuits) מתמקד במזעור רכיבים פוטוניים ובהטמעתם בשבבים פוטוניים – מעגלים המבצעים מגוון פעולות חישוביות בפוטונים, ולא באלקטרונים כפי שקורה במעגלים אלקטרוניים. בדומה לשבבים בעולם האלקטרוניקה, גם בשבבים פוטוניים סיליקון הוא חומר גלם נפוץ מאוד. פוטוניקה מבוססת סיליקון היא תחום מתפתח הרלוונטי למסדי נתונים, לבינה מלאכותית, למחשוב קוונטי ועוד. היא מספקת קפיצת מדרגה בביצועיהם של שבבים וביחסי עלות-התועלת שלהם.

פרופ’ גיא ברטל – ראש המעבדה למחקר פוטוני מתקדם בפקולטה להנדסת חשמל ע”ש ויטרבי

עם זאת, למרות הרזולוציה הגבוהה של טכנולוגיות הייצור (ליתוגרפיה), המאפשרות ייצור מדויק של המבנים הרצויים, כלי האפיון עדיין אינם מאפשרים מיפוי מדויק של התכונות האופטיות של השבב, לרבות תנועת האור בתוכו. הסיבה לכך היא הקושי במידול של פגמים ואי-דיוקים בחומר – קושי הנובע מממדיהם הזעירים של התקנים אלה.

באתגר זה – דימות האור המתקדם במעגלים פוטוניים על השבב – עוסק מאמר חדש של חוקרי הפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי בטכניון. את המחקר שהתפרסם בכתב העת OPTICA הובילו ראש המעבדה למחקר פוטוני מתקדם פרופ’ גיא ברטל והדוקטורנט מתן אילוז והשתתפה בו קבוצת המחקר של פרופ’ אמיר רוזנטל.

הדוקטורנט מתן אילוז

חוקרי הטכניון רתמו את התכונות האופטיות של הסיליקון כדי למפות את התפשטות האור בתוכו, זאת ללא צורך בפעולה פולשנית כלשהי המשנה את השבב. תהליך זה כולל מיפוי של השדה החשמלי של גלי האור ואפיון של האלמנטים המשפיעים על תנועת  האור – מוליכי הגל (waveguides) ומפצלי האלומות (beamsplitters).

התהליך שפיתחו חוקרי הטכניון מספק דימות של האור בתוך השבב הפוטוני בזמן אמת, ללא צורך לפגוע בשבב ובלי הפסד של נתונים. תהליך חדש זה צפוי להוביל לשיפור תהליכי תכן, ייצור ואופטימיזציה של שבבים פוטוניים במגוון תחומים ובהם טלקומוניקציה, מחשוב עתיר ביצועים, למידה חישובית, מדידת  מרחקים, דימות רפואי, חישה ומחשוב קוונטי.

במחקר השתתפו קובי כהן, יעקב ח’יר-אלדין, יואב חזן ושי צסס.

איור – אילוסטרציה של מערכת הניסוי האופטית ותמונה אמיתית שמראה את האור בתוך התקן מסוג MMI – מוליך גל שמפצל את האלומה לשניים בתוך השבב האופטי

המחקר נתמך על ידי מרכז הלן דילר לטכנולוגיות קוונטיות בטכניון, המרכז למיקרו וננו אלקטרוניקה בטכניון והאקדמיה הלאומית הישראלית למדעים.

למאמר ב-  OPTICA לחצו כאן