ระบบออปติกแบบบูรณาการคืออะไร?

แนวคิดเรื่องทัศนศาสตร์แบบบูรณาการ (Integrated Optics) ถูกเสนอโดย ดร. มิลเลอร์ จากห้องปฏิบัติการเบลล์ (Bell Laboratories) ในปี 1969 ทัศนศาสตร์แบบบูรณาการเป็นสาขาใหม่ที่ศึกษาและพัฒนาอุปกรณ์ทางแสงและระบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงแสงแบบไฮบริดโดยใช้วิธีการบูรณาการบนพื้นฐานของทัศนอิเล็กทรอนิกส์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ พื้นฐานทางทฤษฎีของทัศนศาสตร์แบบบูรณาการคือทัศนศาสตร์และทัศนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับทัศนศาสตร์คลื่นและทัศนศาสตร์สารสนเทศ ทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้น ทัศนอิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์ ทัศนศาสตร์ผลึก ทัศนศาสตร์ฟิล์มบาง ทัศนศาสตร์คลื่นนำ การปฏิสัมพันธ์แบบโหมดคู่และพาราเมตริก และอุปกรณ์และระบบนำคลื่นแสงฟิล์มบาง พื้นฐานทางเทคโนโลยีส่วนใหญ่คือเทคโนโลยีฟิล์มบางและเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ สาขาการประยุกต์ใช้ของทัศนศาสตร์แบบบูรณาการนั้นกว้างขวางมาก นอกเหนือจากการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง เทคโนโลยีการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสง การประมวลผลข้อมูลด้วยแสง คอมพิวเตอร์เชิงแสง และการจัดเก็บข้อมูลด้วยแสงแล้ว ยังมีสาขาอื่นๆ เช่น การวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ เครื่องมือทางแสง และการวิจัยสเปกตรัม

ประการแรก ข้อดีด้านออปติคอลแบบบูรณาการ

1. การเปรียบเทียบกับระบบอุปกรณ์ออปติคอลแบบแยกส่วน

อุปกรณ์แสงแบบแยกส่วน คืออุปกรณ์แสงชนิดหนึ่งที่ติดตั้งอยู่บนแท่นขนาดใหญ่หรือฐานแสงเพื่อประกอบเป็นระบบแสง ขนาดของระบบอยู่ที่ประมาณ 1 ตารางเมตร และความหนาของลำแสงประมาณ 1 เซนติเมตร นอกจากขนาดที่ใหญ่แล้ว การประกอบและการปรับแต่งยังทำได้ยากกว่าอีกด้วย ส่วนระบบแสงแบบรวมนั้นมีข้อดีดังต่อไปนี้:

1. คลื่นแสงแพร่กระจายในท่อนำแสง และคลื่นแสงสามารถควบคุมและรักษาระดับพลังงานได้ง่าย

2. การรวมระบบทำให้การจัดวางตำแหน่งมีความเสถียร ดังที่กล่าวมาข้างต้น ระบบเลนส์รวมช่วยให้สามารถสร้างอุปกรณ์หลายชิ้นบนพื้นผิวเดียวกันได้ จึงไม่มีปัญหาในการประกอบเหมือนกับระบบเลนส์แยกชิ้น ทำให้การรวมกันมีความเสถียร และปรับตัวได้ดีขึ้นต่อปัจจัยแวดล้อม เช่น การสั่นสะเทือนและอุณหภูมิ

(3) ขนาดของอุปกรณ์และระยะการโต้ตอบสั้นลง นอกจากนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องยังทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำลงด้วย

4. ความหนาแน่นของพลังงานสูง แสงที่ส่งผ่านตามท่อนำแสงจะถูกจำกัดอยู่ในพื้นที่เฉพาะที่เล็ก ทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานแสงสูง ซึ่งช่วยให้สามารถเข้าถึงเกณฑ์การทำงานของอุปกรณ์ที่จำเป็นและทำงานร่วมกับผลกระทบทางแสงแบบไม่เชิงเส้นได้ง่าย

5. โดยทั่วไปแล้ว ออปติกแบบรวมวงจรจะถูกรวมเข้ากับวัสดุรองรับขนาดเซนติเมตร ซึ่งมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา

2. การเปรียบเทียบกับวงจรรวม

ข้อดีของการรวมระบบทางแสงสามารถแบ่งออกได้เป็นสองด้าน ด้านแรกคือการแทนที่ระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบรวม (วงจรรวม) ด้วยระบบทางแสงแบบรวม (วงจรแสงแบบรวม) และอีกด้านหนึ่งเกี่ยวข้องกับใยแก้วนำแสงและท่อนำคลื่นแสงแบบระนาบไดอิเล็กทริกที่นำทางคลื่นแสงแทนการใช้สายไฟหรือสายเคเบิลโคแอกเซียลในการส่งสัญญาณ

ในเส้นทางแสงแบบบูรณาการ องค์ประกอบทางแสงจะถูกสร้างขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์และเชื่อมต่อกันด้วยท่อนำแสงที่สร้างขึ้นภายในหรือบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ เส้นทางแสงแบบบูรณาการ ซึ่งรวมองค์ประกอบทางแสงไว้บนแผ่นเวเฟอร์เดียวกันในรูปแบบของฟิล์มบาง เป็นวิธีสำคัญในการแก้ปัญหาการย่อขนาดของระบบแสงแบบเดิมและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม อุปกรณ์แบบบูรณาการมีข้อดีคือ ขนาดเล็ก ประสิทธิภาพที่เสถียรและเชื่อถือได้ ประสิทธิภาพสูง การใช้พลังงานต่ำ และใช้งานง่าย

โดยทั่วไป ข้อดีของการแทนที่วงจรรวมด้วยวงจรรวมแสง ได้แก่ แบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้น การมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น การสลับแบบมัลติเพล็กซ์ การสูญเสียการเชื่อมต่อต่ำ ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา การใช้พลังงานต่ำ ประหยัดต้นทุนการผลิต และมีความน่าเชื่อถือสูง เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ต่างๆ ระหว่างแสงและสสาร จึงสามารถสร้างฟังก์ชันอุปกรณ์ใหม่ๆ ได้โดยใช้ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ต่างๆ เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ปรากฏการณ์อิเล็กโทรออปติก ปรากฏการณ์อะคูสโตออปติก ปรากฏการณ์แมกเนโตออปติก ปรากฏการณ์เทอร์โมออปติก เป็นต้น ในการประกอบเส้นทางแสงแบบรวม

2. การวิจัยและการประยุกต์ใช้ทัศนศาสตร์แบบบูรณาการ

ระบบเลนส์แบบบูรณาการมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา เช่น อุตสาหกรรม การทหาร และเศรษฐกิจ แต่โดยหลักแล้วจะใช้ในด้านต่อไปนี้:

1. การสื่อสารและเครือข่ายใยแก้วนำแสง

อุปกรณ์รวมทางแสงเป็นฮาร์ดแวร์สำคัญในการสร้างเครือข่ายการสื่อสารทางแสงความเร็วสูงและมีความจุสูง ซึ่งรวมถึงแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบรวมที่มีการตอบสนองความเร็วสูง ตัวแยกสัญญาณแบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่นด้วยอาร์เรย์ตะแกรงนำคลื่น ตัวตรวจจับแสงแบบรวมที่มีการตอบสนองแบบแถบความถี่แคบ ตัวแปลงความยาวคลื่นแบบกำหนดเส้นทาง เมทริกซ์สวิตช์แสงที่มีการตอบสนองเร็ว ตัวแยกแสงแบบนำคลื่นที่มีการสูญเสียต่ำ และอื่นๆ

2. คอมพิวเตอร์โฟโตนิกส์

คอมพิวเตอร์โฟตอน หรือที่เรียกกันว่าคอมพิวเตอร์โฟตอน คือคอมพิวเตอร์ที่ใช้แสงเป็นสื่อกลางในการส่งข้อมูล โฟตอนเป็นอนุภาคโบซอนซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้า และลำแสงสามารถเคลื่อนที่ขนานหรือตัดกันได้โดยไม่กระทบกัน ทำให้มีคุณสมบัติในการประมวลผลแบบขนานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง คอมพิวเตอร์โฟตอนยังมีข้อดีอื่นๆ เช่น ความจุในการจัดเก็บข้อมูลสูง ความสามารถในการต้านทานการรบกวนสูง ความต้องการสภาพแวดล้อมต่ำ และความทนทานต่อความผิดพลาดสูง ส่วนประกอบพื้นฐานที่สุดของคอมพิวเตอร์โฟตอนคือสวิตช์แสงแบบรวมวงจรและส่วนประกอบตรรกะแสงแบบรวมวงจร

3. การใช้งานอื่นๆ เช่น ตัวประมวลผลข้อมูลเชิงแสง เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสง เซ็นเซอร์แบบตะแกรงใยแก้วนำแสง ไจโรสโคปใยแก้วนำแสง เป็นต้น