7 دقیقه
پژوهشگران لیزری قابل تنظیم و پرقدرت ساخته‌اند که به اندازه‌ای کوچک است که روی یک میکروچیپ قرار می‌گیرد. این دستگاه فشرده وعده میدهد منابع نوری دقیق را با سرعت بیشتر، هزینه کمتر و راهبری سادهتر برای کاربردهایی از جمله لیدار خودروهای خودران تا آشکارسازی گازهای جوی فراهم کند.
لیزر میکروچیپی که توان شگفت‌انگیزی دارد
سیستم‌های لیزری مورد استفاده در اندازه‌گیری‌های دقیق و ارتباطات معمولاً حجیم، پرهزینه و نیازمند تنظیمات پیچیده‌اند. یک تیم چندرشته‌ای به سرپرستی دانشیار یوهان ریمنزبرگر در دانشگاه علوم و فناوری نروژ (NTNU)، همراه با EPFL و شرکت Luxtelligence SA، لیزری روی تراشه گزارش کرده‌اند که بسیاری از محدودیت‌های عملی مرسوم را برطرف میکند. مقاله‌ای که در نشریه Nature Photonics منتشر شده، نشان میدهد که پرتوی پایدار و پرتوان را می‌توان با مدارهای فوتونیکی مینیاتوری و مواد پیشرفته‌ی یکپارچه‌شده روی پلتفرم‌های تراشه استاندارد تولید کرد.
این پیشرفت نشان‌دهنده جهشی در حوزه میکروفوتونیک و لیزر روی تراشه است که می‌تواند هزینه و پیچیدگی سیستم‌های حسگری اپتیکی را به طور قابل توجهی کاهش دهد. با ترکیب تخصص در طراحی مواد، ساخت نیمههادی و مهندسی مدارهای نوری، گروه تحقیقاتی توانسته است مدلی عملیاتی از لیزر قابل تنظیم را ارائه دهد که مناسب تولید انبوه و کاربردهای میدانی است.
چگونگی عملکرد دستگاه و ویژگی‌هایی که آن را متمایز میکند
هسته نوآوری ترکیبی از مواد مهندسی‌شده و مدارهای هدایت نور میکروسکوپی است. تیم طراحی سیستمی انجام داده که خروجی نوری پیوسته و پایداری تولید میکند که می‌توان آن را به‌صورت نرم و پیوسته در فرکانس تنظیم کرد بدون اینکه جهش ناگهانی مود (mode hop) رخ دهد. این قابلیتِ تنظیم فرکانس بدون جهش مود کنترل دستگاه را ساده میکند: به‌جای تنظیم همزمان چند پارامتر، کاربر می‌تواند با یک پارامتر واحد جهت و فرکانس لیزر را هدایت کند.
از منظر فنی، این نتیجه از یکپارچگی عناصر تقویت‌کننده نوری، موجبرها، رزوناتورهای میکرو و مکانیزم‌های تنظیم مانند تغییر دمای موضعی یا شفت فازی الکترونیکی حاصل می‌شود. ترکیب مواد فعال (برای مثال لایه‌های III-V یا مواد نیمه‌رسانای تقویت‌کننده) با بسترهای سیلیکونی یا شیشه‌ای فوتونیکی اجازه میدهد تا تقویت، فیلترینگ و خروجی پرتوی نوری در فضای بسیار کوچک انجام شود.
از آنجا که فرآیند ساخت از فناوری‌های نیمههادی موجود بهره می‌برد، این لیزر قابلیت مقیاس‌پذیری در تولید را دارد و می‌تواند هزینه تولید را نسبت به بسیاری از لیزرهای دقیق فعلی کاهش دهد. قابلیت تولید انبوه و سازگاری با خطوط تولید تراشه، از مزیت‌های مهم برای ورود این فناوری به بازارهای صنعتی مانند لیدار، ارتباطات نوری و حسگرهای گازی است.
مزایای فنی کلیدی
- یکپارچگی در مقیاس تراشه برای فرم فاکتورهای فشرده
- تنظیم فرکانس نرم و سریع بدون جهش مود (mode hop)
- پایداری پرتوی بالا و قدرت اندازه‌گیری‌شدنی مناسب برای حسگری
- سازگاری با فرایندهای تولید استاندارد برای تولید انبوه
علاوه بر این ویژگی‌های کلیدی، معماری دستگاه برای کاربردهای حساس به دقت طیفی طراحی شده است. خلوص طیفی بالا و نویز پایین فاز از جمله مشخصه‌هایی است که کارآیی در آشکارسازی‌های مبتنی بر طیف‌سنجی جذب (absorption spectroscopy) را تضمین میکند.
چرا این موضوع اهمیت دارد: از لیدار تا آشکارسازی گاز
تصور کنید حسگر لیداری در یک خودروی خودران که اندازه کوچک‌تر، هزینه کمتر و کالیبراسیون ساده‌تری دارد. لیزر جدید روی تراشه می‌تواند فاصله‌ها را با دقت در حد سانتیمتر با اندازه‌گیری زمان بازگشت پالس‌های نوری یا تشخیص تغییرات فاز بسیار کوچک در امواج بازتابی تعیین کند. در ارزیابی‌های آزمایشگاهی این سامانه دقتی در مرتبهٔ تقریباً چهار سانتیمتر به دست آورد که برای کاربردهای خودرویی و رباتیک نویدبخش است.
علاوه بر لیدار، تیم تحقیقاتی دستگاه را برای حسگری گاز آزمایش کردند و از هیدروژن سیانید به عنوان نمونه آزمایشی استفاده نمودند. هیدروژن سیانید (که به آن اسید هیدروسایانیک نیز گفته می‌شود) گازی بسیار سمی است که شناسایی سریع و حساس آن حیاتی است. قابلیت تنظیم پذیری و خلوص طیفی لیزر آن را برای آشکارسازهای مبتنی بر جذب که «اثر انگشت مولکولی» خاصی را در جو تشخیص میدهند، مناسب می‌سازد.
در کاربردهای حسگری گازی، عوامل کلیدی عبارت‌اند از رزولوشن طیفی، حساسیت، نسبت سیگنال به نویز و سرعت اسکن طیف. لیزرهای روی تراشه به دلیل توانایی در تنظیم سریع فرکانس و پایداری طول موج میتوانند به اندازه‌گیری ترکیبات با غلظت پایین کمک کنند و در عین حال سخت‌افزار را فشرده و کم‌مصرف نگه دارند.
کاربردهای دیگر شامل پایش محیط زیست، ایمنی صنعتی (مانند تشخیص نشتی گازهای خطرناک)، پزشکی (حسگرهای نوری برای تشخیص مولکول‌های زیستی)، و ارتباطات نوری با قابلیت تطبیق فرکانس بالا می‌شود. در همه این حوزه‌ها، ترکیب اندازه کوچک، توان قابل توجه و قابلیت تنظیم دقیق، ارزش افزوده‌ی قابل توجهی ایجاد میکند.
پیامدها و گامهای بعدی
کوچک‌سازی لیزرهای توان‌مند و قابل تنظیم روی یک تراشه راه را برای تولید ابزارهای قابل حمل، ارزان و قابل استقرار در میدان به‌منظور پایش محیطی، ایمنی صنعتی و سخت‌افزار ارتباطی باز میکند. ریمنزبرگر اشاره میکند که ترکیب عملکرد و قابلیت تولید انبوه می‌تواند «ابزارهای اندازه‌گیری و ارتباطی کوچک، کم‌هزینه و کاربرپسند با عملکرد بالا» را ممکن سازد.
کارهای آتی بر بهینه‌سازی پایداری بلندمدت، یکپارچهسازی لیزر با آشکارسازها و مدارهای الکترونیکی روی همان پلتفرم، و ارزیابی عملکرد در سامانه‌های لیدار و پایش گاز در دنیای واقعی متمرکز خواهد بود. بهبودهایی مانند کاهش نویز فاز، افزایش بازده تبدیل برق به نور و سازوکارهای تثبیت دما برای کار در شرایط متغیر محیطی از جمله اهداف فنی بعدی‌اند.
از منظر تجاری و صنعتی، چالش‌ها و فرصت‌هایی وجود دارد: تطبیق با استانداردهای ایمنی و کالیبراسیون، انتخاب مواد و فرایندهای سازگار با خطوط تولید موجود و ایجاد زنجیره تامین برای قطعات فعال فوتونیکی. موفقیت در این مراحل می‌تواند پذیرش فناوری لیزر روی تراشه را در صنایع مختلف تسریع کند و بازارهای جدیدی برای حسگرها و سامانه‌های اپتیکی دقیق ایجاد نماید.
در نهایت، ادغام لیزر با الکترونیک خوانش و پردازش سیگنال روی یک بستر مشترک می‌تواند مسیر توسعه سامانه‌های «هم‌پوشان (co-packaged)» را هموار کند، یعنی دستگاه‌هایی که شامل منابع نور، مدارهای پردازشی و رابط‌های ارتباطی در یک واحد فشرده و مقرون‌به‌صرفه هستند. چنین رویکردی مزایای مهمی در مصرف انرژی، لاتنسی پایین و هزینه کل مالکیت ارائه میدهد.
اگر گامهای آتی در توسعه و اعتبارسنجی میدانی موفقیت‌آمیز باشند، رویکرد فوتونیک در مقیاس تراشه می‌تواند پذیرش سنجش نوری دقیق را در صنایع متعددی تسریع کند و نوآوری‌های جدیدی در حوزه‌های لیدار، تشخیص گاز، و ارتباطات اپتیکی به وجود آورد.
در جمع‌بندی، این کار پژوهشی مِسطحِ جدیدی از توان عملی، تطبیق‌پذیری و مقیاس‌پذیری را برای لیزرهای دقیق معرفی میکند و چشم‌انداز تازه‌ای برای توسعه حسگرها و سامانه‌های نوری در آینده نزدیک ارائه میدهد.
منبع: scitechdaily
نظرات
نووا_ز
به نظرم کمی اغراق داره؛ هزینه تولید و تایید ایمنی همیشه دردسرسازن. ولی ایده قویه، منتظر داده‌های میدانی‌ام
رضا
من هفته پیش تو آزمایشگاه یه ماژول کوچیک دیدم شبیه این، ولی قدرتش اینقدر نبود. امیدوارم نمونه تجاری بهتر باشه
لابکور
همه این ادعاها جذابه، اما واقعا نویز فاز و پایداری بلندمدت چطورن؟ آزمایش میدانی هنوز کجاست...؟
دیتاپالس
وااای، اینکه یه لیزر قوی رو بذارن روی تراشه واقعا شوکه‌ام کرد! سرعت و قیمت پایین، اگه واقعیه زندگیمون رو عوض میکنه
ارسال نظر