کریستال‌های فوتونی ممکن است انقلابی در اپتوالکترونیک فراتر از CMOS ایجاد کنند.

مراکز داده های آینده را تصور کنید که در آن اطلاعات با سرعت نور از طریق کریستال های میکروسکوپی به جای اجزای الکترونیکی وزوز پردازش می شوند. این دیدگاه که زمانی به داستان های علمی تخیلی محدود می شد، از طریق فناوری کریستال فوتونی در حال ملموس شدن است. از آنجایی که فناوری CMOS به محدودیت های فیزیکی خود نزدیک می شود، ادغام نوری-الکترونیکی به عنوان راه حل حیاتی برای عبور از موانع عملکرد فعلی ظاهر می شود.

هزارتوی نور میکروسکوپی: کریستال های فوتونی چگونه کار می کنند

کریستال های فوتونی مواد مهندسی شده مصنوعی با تغییرات دوره ای ضریب شکست هستند. این تناوب ساختاری، کنترل بی سابقه ای بر انتشار نور را امکان پذیر می کند و فوتون ها را در فضاهای میکروسکوپی محصور می کند تا تعاملات نور و ماده را به طرز چشمگیری افزایش دهد. این کریستال ها که اساساً به عنوان هزارتوی نوری در مقیاس نانو عمل می کنند، می توانند مسیرهای نور را از طریق طراحی ساختاری پیچیده به طور دقیق دستکاری کنند.

کریستال های فوتونی که با استفاده از تکنیک های پیشرفته نانوساخت بر روی بسترهای نیمه هادی ساخته می شوند، پدیده های نوری مختلفی را از طریق تنظیم دقیق ساختارهای دوره ای خود به دست می آورند:

• محدودیت نور فوق العاده قوی: فوتون ها را در حجم های زیر طول موج متمرکز می کند تا راندمان دستگاه های نوری را افزایش دهد
• اثر نور آهسته: سرعت انتشار نور را کاهش می دهد تا زمان تعامل نور و ماده را افزایش دهد
• انکسار منفی: خم شدن نور ناهنجار را برای اجزای نوری جدید فعال می کند

این ویژگی های منحصر به فرد، کریستال های فوتونی را به عنوان عناصر تحول آفرین برای کوچک سازی دستگاه های حافظه نوری و کاهش مصرف انرژی در مدارهای مجتمع فوتونی قرار می دهد.

آنالوگ کریستالی: از الکترون ها تا فوتون ها

اصطلاح "کریستال فوتونی" الهام مستقیمی از فیزیک حالت جامد می گیرد. در کریستال های معمولی، آرایش های اتمی دوره ای، میدان های پتانسیل دوره ای ایجاد می کنند که خواص الکترونیکی را تعیین می کنند و رساناها، عایق ها و نیمه هادی ها را تولید می کنند.

این اصل اساسی به فوتونیک نیز گسترش می یابد: درست همانطور که امواج الکترونی با تناوب مقیاس اتمی تعامل دارند، امواج نور با ساختارهای مصنوعی که تناوب آنها با طول موج های نوری (معمولاً 200-400 نانومتر) مطابقت دارد، تعامل دارند. با مهندسی این ابعاد، کریستال های فوتونی به خواص نوری دست می یابند که در مواد طبیعی غیرممکن است، از جمله مواد کامل شکاف نواری فوتونی که فرکانس های نوری خاص را مسدود می کنند.

فراتر از CMOS: ضرورت ادغام نوری-الکترونیکی

با افزایش نمایی تقاضا برای محاسبات، فناوری سنتی CMOS با موانع غیرقابل عبوری مواجه است. در حالی که قانون مور دهه ها پیشرفت را به همراه داشت، کوچک سازی ترانزیستور اکنون به محدودیت های مقیاس اتمی نزدیک می شود و گلوگاه هایی را در سرعت و راندمان توان ایجاد می کند.

برنامه های کاربردی نوظهور - از وسایل نقلیه خودران گرفته تا سیستم های پیش بینی فاجعه - به پردازش با تأخیر فوق العاده کم نیاز دارند که الکترونیک های معمولی نمی توانند ارائه دهند. راه حل در ادغام یکپارچه نوری-الکترونیکی نهفته است که سرعت و راندمان فوتون ها را با تطبیق پذیری محاسباتی الکترون ها ترکیب می کند.

پیشرفت های فوتونی NTT: هموار کردن راه برای ادغام

پیشرفت های ساخت نیمه هادی ها، توسعه سریع کریستال های فوتونی را امکان پذیر کرده است. دو دهه تحقیق نانوفوتونیک NTT نوآوری های مهمی را به همراه داشته است:

• کوچکترین ظرفیت خازنی ادغام فوتونی-الکترونیکی جهان (2019)
• مدولاتورها و ترانزیستورهای نوری با توان کم و رکورد
• سوئیچ های کریستال فوتونی با قابلیت دوام در مقیاس صنعتی

این دستاوردها مدارهای فوتونی-الکترونیکی را با سرعت و راندمان انرژی بی سابقه ای فعال می کند و به طور بالقوه معماری های محاسباتی را متحول می کند.

چشم انداز IOWN: آینده ای تمام فوتونی

ابتکار شبکه نوری و بی سیم نوآورانه NTT (IOWN) یک نقشه راه 2030 برای زیرساخت های فوتونی را ترسیم می کند. محور این دیدگاه، شبکه تمام فوتونیک (APN) است، یک سیستم نوری سرتاسری که نوید می دهد:

• انتقال داده با ظرفیت فوق العاده بالا
• ارتباطات با تأخیر نزدیک به صفر
• کاهش چشمگیر مصرف انرژی

با ادغام فوتونیک در سیستم های محاسباتی و حافظه، این چارچوب می تواند اصول پردازش اطلاعات را به طور اساسی متحول کند و اکوسیستم های فناوری هوشمندتر و پایدارتر را امکان پذیر سازد.