อินทิเกรตออปติกส์คืออะไร?

แนวคิดของออปติกส์แบบบูรณาการถูกนำเสนอโดยดร. มิลเลอร์ แห่งห้องปฏิบัติการเบลล์ในปี พ.ศ. 2512 ออปติกส์แบบบูรณาการเป็นวิชาใหม่ที่ศึกษาและพัฒนาอุปกรณ์ออปติกส์และระบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออปติกส์แบบไฮบริดโดยใช้วิธีการแบบบูรณาการบนพื้นฐานของออปโตอิเล็กทรอนิกส์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ พื้นฐานทางทฤษฎีของออปติกส์แบบบูรณาการคือออปติกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับออปติกส์แบบคลื่นและออปติกส์สารสนเทศ ออปติกส์แบบไม่เชิงเส้น ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบเซมิคอนดักเตอร์ ออปติกส์แบบคริสตัล ออปติกส์แบบฟิล์มบาง ออปติกส์แบบคลื่นนำวิถี ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์แบบคู่ควบและพาราเมตริก และอุปกรณ์และระบบนำคลื่นแสงแบบฟิล์มบาง พื้นฐานทางเทคโนโลยีหลักคือเทคโนโลยีฟิล์มบางและเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ขอบเขตการประยุกต์ใช้ของออปติกส์แบบบูรณาการนั้นกว้างขวางมาก นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง เทคโนโลยีการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสง การประมวลผลข้อมูลด้วยแสง คอมพิวเตอร์ออปติกส์ และหน่วยเก็บข้อมูลด้วยแสงแล้ว ยังมีสาขาอื่นๆ เช่น การวิจัยวัสดุศาสตร์ เครื่องมือวัดแสง และการวิจัยสเปกตรัม

ประการแรก ข้อได้เปรียบด้านออปติกแบบบูรณาการ

1. การเปรียบเทียบกับระบบอุปกรณ์ออปติคัลแบบแยกส่วน

อุปกรณ์ออปติคัลแบบแยกส่วน (Discrete optical device) คืออุปกรณ์ออปติคัลชนิดหนึ่งที่ติดตั้งบนแท่นหรือฐานออปติคัลขนาดใหญ่ เพื่อสร้างระบบออปติคัล ขนาดของระบบอยู่ที่ประมาณ 1 ตารางเมตร และความหนาของลำแสงประมาณ 1 เซนติเมตร นอกจากขนาดใหญ่แล้ว การประกอบและปรับแต่งยังทำได้ยากกว่าอีกด้วย ระบบออปติคัลแบบรวมมีข้อดีดังต่อไปนี้:

1. คลื่นแสงแพร่กระจายในท่อนำคลื่นแสง และคลื่นแสงสามารถควบคุมและรักษาพลังงานได้ง่าย

2. การผสานรวมช่วยให้การวางตำแหน่งมีเสถียรภาพ ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เลนส์รวมคาดว่าจะสามารถผลิตอุปกรณ์ได้หลายชิ้นบนวัสดุรองรับเดียวกัน ดังนั้นจึงไม่มีปัญหาในการประกอบแบบเดียวกับเลนส์แยกชิ้น ทำให้การผสานรวมมีเสถียรภาพมากขึ้น และยังสามารถปรับให้เข้ากับปัจจัยแวดล้อมต่างๆ เช่น การสั่นสะเทือนและอุณหภูมิได้ดีขึ้น

(3) ขนาดอุปกรณ์และความยาวการโต้ตอบสั้นลง อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องยังทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าอีกด้วย

4. ความหนาแน่นพลังงานสูง แสงที่ส่งผ่านท่อนำคลื่นจะถูกจำกัดให้อยู่ในพื้นที่จำกัด ส่งผลให้มีความหนาแน่นพลังงานแสงสูง สามารถเข้าถึงเกณฑ์การทำงานของอุปกรณ์ที่จำเป็นได้อย่างง่ายดาย และทำงานภายใต้สภาวะแสงแบบไม่เชิงเส้น

5. เลนส์รวมโดยทั่วไปจะรวมอยู่บนพื้นผิวขนาดเซนติเมตร ซึ่งมีขนาดเล็กและมีน้ำหนักเบา

2. การเปรียบเทียบกับวงจรรวม

ข้อดีของการบูรณาการทางแสงสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเด็น ประการหนึ่งคือการแทนที่ระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ (วงจรรวม) ด้วยระบบออปติกแบบบูรณาการ (วงจรออปติกแบบบูรณาการ) อีกประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับเส้นใยแก้วนำแสงและท่อนำแสงระนาบไดอิเล็กตริกที่นำคลื่นแสงแทนสายไฟหรือสายโคแอกเซียลในการส่งสัญญาณ

ในเส้นทางแสงแบบบูรณาการ องค์ประกอบแสงจะถูกสร้างขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์และเชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่นแสงที่สร้างขึ้นภายในหรือบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ เส้นทางแสงแบบบูรณาการซึ่งรวมองค์ประกอบแสงไว้บนแผ่นเวเฟอร์เดียวกันในรูปแบบฟิล์มบาง เป็นวิธีสำคัญในการแก้ปัญหาการย่อขนาดของระบบแสงดั้งเดิมและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม อุปกรณ์แบบบูรณาการนี้มีข้อดีคือมีขนาดเล็ก ประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงและเชื่อถือได้ ประสิทธิภาพสูง ใช้พลังงานต่ำ และใช้งานง่าย

โดยทั่วไป ข้อดีของการแทนที่วงจรรวมด้วยวงจรออปติกรวม ได้แก่ แบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้น การมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น การสลับมัลติเพล็กซ์ การสูญเสียการเชื่อมต่อต่ำ ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ใช้พลังงานต่ำ ประหยัดต้นทุนในการเตรียมแบบแบทช์ และความน่าเชื่อถือสูง เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายระหว่างแสงและสสาร จึงสามารถพัฒนาฟังก์ชันใหม่ๆ ของอุปกรณ์ได้โดยใช้เอฟเฟกต์ทางกายภาพต่างๆ เช่น เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติก เอฟเฟกต์อะคูสติกออปติก เอฟเฟกต์แมกนีโตออปติก เอฟเฟกต์เทอร์โมออปติก และอื่นๆ ในการจัดองค์ประกอบเส้นทางแสงรวม

2. การวิจัยและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีออปติกส์แบบบูรณาการ

เลนส์บูรณาการถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น อุตสาหกรรม การทหาร และเศรษฐกิจ แต่ส่วนใหญ่จะใช้ในด้านต่อไปนี้:

1. การสื่อสารและเครือข่ายออปติก

อุปกรณ์รวมแสงเป็นฮาร์ดแวร์หลักในการสร้างเครือข่ายการสื่อสารออปติกความเร็วสูงและความจุขนาดใหญ่ ซึ่งรวมถึงแหล่งเลเซอร์รวมการตอบสนองความเร็วสูง มัลติเพล็กเซอร์แบ่งความยาวคลื่นหนาแน่นแบบอาร์เรย์กริดไกด์คลื่น เครื่องตรวจจับแสงรวมการตอบสนองแบนด์แคบ ตัวแปลงความยาวคลื่นการกำหนดเส้นทาง เมทริกซ์การสลับแสงตอบสนองรวดเร็ว ตัวแยกลำแสงไกด์คลื่นเข้าถึงหลายจุดที่มีการสูญเสียต่ำ และอื่นๆ

2. คอมพิวเตอร์โฟโตนิกส์

คอมพิวเตอร์โฟตอน (Photon Computer) คือคอมพิวเตอร์ที่ใช้แสงเป็นสื่อกลางในการส่งข้อมูล โฟตอนเป็นโบซอนที่ไม่มีประจุไฟฟ้า และลำแสงสามารถผ่านแบบขนานหรือข้ามกันได้โดยไม่กระทบกัน ซึ่งมีความสามารถโดยธรรมชาติในการประมวลผลแบบขนานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ คอมพิวเตอร์โฟตอนยังมีข้อได้เปรียบในด้านความจุในการจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ ความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่ง ความต้องการสภาพแวดล้อมต่ำ และความทนทานต่อความผิดพลาดสูง ส่วนประกอบพื้นฐานที่สุดของคอมพิวเตอร์โฟตอนคือสวิตช์ออปติคัลแบบรวมและส่วนประกอบลอจิกออปติคัลแบบรวม

3. การใช้งานอื่นๆ เช่น โปรเซสเซอร์ข้อมูลออปติคัล เซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติก เซ็นเซอร์ไฟเบอร์เกรตติง ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติก เป็นต้น