فوتونیک با مهندس ساتری

تحقیقات فوتونیک یکپارچه، سیلیکون و نانوفوتونیک

مواد و کاربردهای نوری جدید

فوتونیک غیرخطی

وسایل و مواد نوری برای انرژی خورشیدی و روشنایی حالت جامد

فوتونیک در سوئیچینگ و محاسبات

شبکه ها و دستگاه های فوتونیک

پردازش سیگنال در ارتباطات فوتونیک

فیبرهای نوری تخصصی

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

محاسبات فوتونیک

محاسبات فوتونیک

در بخش‌های فوق، کاربردهای هوش مصنوعی در زمینه اپتیک را به طور گسترده مورد بحث قرار داده‌ایم و توانایی آن را برای کمک به فوتونیک کلاسیک و کوانتومی در طیف گسترده‌ای از کاربردهای تجربی برجسته می‌کنیم. اخیراً، یک منطقه تحقیقاتی بزرگ و رو به رشد دیدگاه مخالف را بررسی کرده است، یعنی چگونگی توسعه پلتفرم‌های فوتونیکی که می‌توانند محاسبات و وظایف هوش مصنوعی را انجام دهند. این تلاش با انگیزه بوسونیک و ماهیت غیر متقابل فوتون ها انجام می شود که به فرد امکان می دهد محاسبات موازی با پهنای باند فوق العاده وسیع انجام دهد. بررسی دقیق این موضوع از حوصله این مقاله خارج است. ما خواننده را به بررسی های عالی و مفصل [189-191] که قبلاً وجود دارد ارجاع می دهیم. در هر صورت، ما معتقدیم که برجسته کردن گام‌های اصلی در این زمینه، با آخرین نتایج تحقیقات، می‌تواند برای درک تمام جنبه‌های تأثیر متقابل بین فوتونیک و هوش مصنوعی مفید باشد.[192]

اولین پیاده‌سازی شبکه‌های عصبی نوری به دهه ۸۰ برمی‌گردد. این دو جنبه، دو ستون تحقیق در محاسبات نورومورفیک هستند، [190] یک جریان تحقیقاتی که هدف آن توسعه سخت افزاری است که ویژگی های مدل های عصبی را منعکس می کند. پیشرفت های عظیم در این زمینه با توسعه گسترده فوتونیک یپارچه سیلیکونی و با نشان دادن اینکه عملیات ضرب و انباشت (MAC) که سنگ بنای DNN است، ممکن است به طور موثر از طریق پلت فرم های نوری محاسبه شود، امکان پذیر شد.[197] این یافته‌ها به میدان محاسبات نورومورفیک قدرت جدیدی داد.[198-203]

به موازات توسعه فوتونیک سیلیکون، تقاطع دیگری بین اپتیک و هوش مصنوعی در اوایل دهه 2000، پس از اولین نمایش شبکه‌های حالت اکو[204] و ماشین‌های حالت مایع، پدیدار شد.[205] این اشیاء RNN خاصی هستند که نورون های آن توسط وزن های ثابت به هم متصل می شوند. فقط لایه نهایی برای پیش بینی خروجی از طریق رگرسیون خطی ساده آموزش داده شده است. این معماری‌ها در مفهوم محاسبات مخزن (RC) متحد شدند: [206] وزن‌های ثابت RNN اکنون با یک مخزن عمومی جایگزین شده‌اند که می‌تواند توسط هر سیستمی با دینامیک غنی و پایدار پیاده‌سازی شود.[207] این الگوی محاسباتی جدید به راحتی توسط محققان فوتونیک برای پیاده سازی RC از طریق سخت افزار نوری مورد بهره برداری قرار گرفت. [215، 216]. در سال‌های گذشته، تحقیقات بر روی محاسبات فوتونیک، [217] مهندسی نورومورفیک [218-220] و RC در حال رشد هستند. به عنوان محاسبه وضعیت پایه سیستم‌های چرخش‌های متقابل[223، 224] یا انجام کار کلاسیک ML با استفاده از چارچوب‌های محاسباتی مشابه مانند ماشین‌های یادگیری شدید[225] که از انتشار نور در فضای آزاد[226] یا از طریق فیبرها بهره‌برداری می‌کنند.[227]

ایده بهره‌برداری از سیستم‌های فیزیکی برای غلبه بر محدودیت‌های محاسباتی که الگوریتم‌های ML با مجموعه داده‌های با ابعاد بالا با آن مواجه می‌شوند، باعث ایجاد شاخه تحقیقاتی جدیدی شده است که از ویژگی‌های سیستم‌های کوانتومی به منظور بهینه‌سازی الگوریتم‌های ML کلاسیک استفاده می‌کند.[228-230] محاسبات کوانتومی در واقع به توسعه الگوریتم‌های خاصی اجازه می‌دهد که به سرعت نمایی در مقایسه با بهترین نمونه‌های کلاسیک شناخته‌شده خود دست یابند، [231، 232] بنابراین یک پلت‌فرم کوانتومی می‌تواند تعدادی از منابع غیرقابل دسترس با رایانه‌های کلاسیک را به ML ارائه دهد. استفاده از پلتفرم‌های فوتونیک کوانتومی برای بررسی این آخرین جنبه امیدوارکننده به نظر می‌رسد، همانطور که در مقالات نشان داده شده است.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

فوتونیک سیلیکون: فرامواد و حسگرهای پیشرفته

دستگاه های نوری-مکانیکی کریستال فوتونیک برای مدارهای نوری مجتمع

دستگاه‌های نوری فعال و غیرخطی اکسید تلوریوم که روی پلت‌فرم‌های فوتونیک سیلیکونی ادغام شده‌اند.

ارتباطات نوری

هدف این جلسه ارائه یک مرور کلی از دستاوردها و روندهای اخیر در ارتباطات نوری است که شامل پیشرفت های تئوری و تجربی از سطح مؤلفه و دستگاه تا سطح کاربرد سیستم است. هر دو پلتفرم ارتباطی کوتاه و بلند در نظر گرفته خواهند شد. تمرکز اصلی این جلسه در مورد فن آوری ها و استراتژی های پیش بینی شده با هدف افزایش قابلیت های عملکرد پلت فرم های ارتباط پهن باند موجود است. موضوعات مورد علاقه در ارتباطات نوری عبارتند از استراتژی‌های مولتی پلکس نوری مبتکرانه، مانند مالتی‌پلکس کردن حوزه فضا همراه با تکنیک‌های چندگانه‌سازی دامنه زمان یا/و فرکانس، فرمت‌های مدولاسیون نوری پیشرفته، استراتژی‌های ارتباطی منسجم، روش‌های پردازش سیگنال دیجیتال برای پیش و جبران آسیب‌های خطی و غیرخطی و فناوری‌های فوتونیک خطی و غیرخطی برای کاربردهای ارتباطی، مانند فناوری‌های موجبر یکپارچه (مانند سیلیکون فوتونیک).

فوتونیک سیلیکون می درخشد

اینتل تراشه‌هایی می‌سازد، اما همه آن‌ها انواع نیمه‌رساناهای آشنا نیستند. این شرکت همچنین تراشه‌های فوتونیک سیلیکونی می‌سازد که بخشی از صنعت رو به رشدی است که از مواد برای کنترل نور استفاده می‌کند.

در ارائه‌ای در کنفرانس لیتوگرافی و الگوی پیشرفته SPIE، هایشنگ رونگ، دانشمند ارشد اینتل، در مورد این فناوری و چشم‌انداز آن صحبت کرد. به گفته وی مهمترین کاربرد، ارتباطات نوری است، فناوری که با تعدیل پرتوهای لیزر، ترافیک اینترنت جهان را حمل می کند. کاربردهای دیگر در سنجش زیست پزشکی و سه بعدی و همچنین محاسبات کوانتومی و ارتباطات نهفته است.

برای همه این برنامه ها، کاهش هزینه ها در عین بهبود عملکرد بسیار مهم است. با توجه به اولین مورد از این نیازها، راه حل های سنتی فوتونیک معمولاً به جای میلیاردها ترانزیستور یکپارچه شده روی یک تراشه، دارای چند جزء مجزا هستند.

رونگ در مورد این سطح پایین ادغام گفت: "این باعث می شود هزینه بسیار بالا باشد."

چندین دهه پیش، محققان اینتل و جاهای دیگر شروع به بررسی سیلیکون به عنوان راه حلی برای این مشکل کردند. سیلیکون در مورد کنترل نور دارای مزایا و معایبی است. از جنبه مثبت، شفافیت در طول موج های مادون قرمز مورد استفاده برای ارتباطات نوری دوربرد است. همچنین دارای پایه ساخت عظیمی برای ساخت دستگاه هایی با ویژگی های میکروسکوپی است و بنابراین دستگاه های فوتونیکی ساخته شده از سیلیکون می توانند بسیار فشرده باشند.

از طرف دیگر، سیلیکون چندین معایب دارد. از آنجایی که در پنجره ارتباطات مادون قرمز شفاف است، نمی تواند سیگنال نور را تشخیص دهد. علاوه بر این، در زمانی که دانشمندان شروع به کار بر روی فوتونیک سیلیکون کردند، آنها همچنین نمی توانستند با استفاده از این ماده نور تولید کنند.

رونگ خاطرنشان کرد، با این حال، سیلیکون می‌تواند یک موجبر باشد، وسیله‌ای که نور را به جایی که می‌خواهید هدایت می‌کند. این قابلیت به این معنی بود که سیلیکون به عنوان راهی برای کنترل نور وعده داده بود. به عنوان مثال، یک موجبر فوتونیک سیلیکونی نمایش اولیه یک تشدید کننده حلقه بود. نور وارد شده به ساختار دایره ای تنها در صورتی می تواند خارج شود که طول موج مناسبی داشته باشد. بنابراین، این بدان معنی است که تشدید کننده می تواند یک دروازه باشد که فقط طول موج های خاصی را از خود عبور می دهد.

این انتقال پس از غلبه بر برخی مشکلات توسط محققان، با راندمان بالا و تلفات کم اتفاق افتاد. برخی از آنها مربوط به لیتوگرافی و الگوسازی بودند، مانند ناهمواری های بسیار جزئی در دیواره های جانبی حلقه میکروسکوپی. این دیوارها باید بسیار صاف باشند تا از راندمان انتقال بالا اطمینان حاصل شود. همانطور که رانگ در یک جلسه پرسش و پاسخ پس از ارائه خود خاطرنشان کرد، "زبری دیواره کناری بسیار مهم است."

رانگ در سخنرانی خود راه حل های دیگر مشکلات را بازگو کرد. استفاده از ژرمانیوم نیمه هادی در این فرآیند، آشکارسازها را ممکن کرد. در مورد تولید نور، ایندیوم فسفید نیمه هادی مرکب این کار را انجام داد. امروزه اینتل لیزرهای فسفید ایندیوم را با کارایی بالا روی تراشه های فوتونیک سیلیکونی خود ادغام می کند.

رونگ گفت که عملکرد لیزر بسیار خوب است. در واقع، او خاطرنشان کرد که فناوری لیتوگرافی سیلیکونی امکان انجام آرایه‌های لیزری را فراهم می‌کند، گروه‌هایی از لیزرها که نور را در طول موج‌های مختلف با فواصل منظم به بیرون ارسال می‌کنند. این چیزی است که بدست آوردن آن با اجزای گسسته دشوار است.

قرار دادن منبع نور، موجبرها و آشکارسازها روی یک تراشه باعث افزایش سطح یکپارچگی، کاهش هزینه و افزایش عملکرد می شود. پس از سال‌ها توسعه، اینتل در سال 2016 ارسال دستگاه‌های ارتباطی نوری فوتونیک سیلیکونی را آغاز کرد و با عرضه دستگاه‌های جدید، نرخ انتقال داده به طور پیوسته از نرخ شروع 50 گیگابیت در ثانیه افزایش یافت.

به گفته Rong، برخی از تفاوت های کلیدی بین الکترونیک سیلیکون و فوتونیک وجود دارد.

برای یک چیز، هیچ معادل فوتونیکی برای یک بلوک ساختمانی اساسی مانند ترانزیستور وجود ندارد. تفاوت دیگر این است که ابعاد فوتونیک بسیار بزرگتر هستند اما برای برخی از ابعاد به کنترل دقیق تری از نظر درصد نیاز دارند. برای مثال، دو تشدید کننده حلقه‌ای که قطر آنها میکرون است، ممکن است تنها چند نانومتر از نظر طول متفاوت باشند. اما این تغییر جزئی به این معنی است که پنجره های طول موج انتقال تشدید کننده ها به اندازه کافی متفاوت خواهند بود که مشکل ساز شود. این نوع کنترل فراتر از آن چیزی است که لیتوگرافی و الگوسازی می توانند ارائه دهند. بنابراین، اینتل برای اینکه دستگاه‌ها را تسلیم کند، راهی برای تنظیم تشدیدگرها در یک ویفر ایجاد کرد تا عملکرد یکنواخت‌تری داشته باشند.

در مورد آینده، یک هدف کوتاه مدت این است که تراشه های فوتونیک را تا حد امکان به تراشه های الکترونیکی نزدیک کنیم زیرا این رویکرد بهترین عملکرد را ایجاد می کند. یک هدف بلندمدت این است که با کنار هم قرار دادن فوتونیک و الکترونیک در یک دستگاه یکپارچه، این ایده را تا جایی که می‌توان پیش برد.

رونگ گفت: "ما معتقدیم که همگرایی بلندمدت محاسبات و ارتباطات در سیلیکون اتفاق می افتد."

تکنولوژی نیمه هادی

تکنولوژی نیمه هادی

بیش از چند دهه، منبع نور لیزر نیمه هادی و تکنولوژی آشکارساز از زمینه های اساسی تحقیقات به برنامه های کاربردی و محصولات به سرعت در حال تحول تبدیل شده است. این کمیته فرعی پیشرفت های اخیر را در توسعه دستگاه های جدید و فن آوری های مبتنی بر نیمه هادی های جدید در محدوده گسترده ای وسیع و همچنین بینش به مسائل مترولوژی، بهبود اسکنر / منبع و ادغام ساخت و بازرسی محصولات نیمه هادی گسترده تر ارائه می دهد.

موضوعات عبارتند از:

کوانتومی، سیم، سیم، داش و لیزر و دستگاه های نقطه

دینامیک لیزر

Mid-IR و لیزرهای آبشار کوانتومی

لیزرهای پالس UltraShort

منابع نور جدید (UV، VUV، EUV، اشعه ایکس)

VCsels / Vecsels و ساختار فوق العاده

لیزر و لیزرهای دیود UV و قابل مشاهده

منابع و برنامه های کاربردی فشرده THZ

فوتونیک سیلیکون

گروه IV Photonics

پیشرفت مبتنی بر نیمه هادی مبتنی بر Semiconductor: سنسورها، Lidars، و غیره

بیوفوتونیک و برنامه های کاربردی در حال ظهور

تصویربرداری زیست پزشکی و بیوفوتونیک

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) مغز، از جمله MRI عملکردی و تصویربرداری تانسور انتشار (DTI)

بیوسنینگ نوری؛ تشخیص غیر تهاجمی؛ تصویربرداری و حسگر تصحیح شده حرکت

ابزارهای بیوفوتونیک برای کاربرد در تشخیص زودهنگام، تشخیص و درمان سرطان؛ توسعه و استقرار فناوری‌های نقطه‌ای مراقبتی کم‌هزینه و با کارایی بالا برای کاربردهای بهداشتی روستایی و جهانی

اندازه‌گیری داخل عروقی نقاط پایانی درمانی و ردیابی کاتتر/ابلیشن برای تحویل هدف براکی/شیمی‌درمانی

همودینامیک، دینامیک مایعات محاسباتی، MRI، تصویربرداری قلبی عروقی

تکنیک ها و کاربردهای تصویربرداری عصبی عملکردی؛ پردازش سیگنال و تحلیل محاسباتی

مهندسی عصبی، تحریک عمیق مغز، حافظه فعال، رشد شناختی، قشر جلوی مغز

توسعه و کاربرد روش‌های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی برای مطالعه ساختار و عملکرد ماهیچه‌های اسکلتی سالم و پاتولوژیک

شبکه های مغزی در صرع و سایر اختلالات عصبی؛ تصویربرداری عصبی عملکردی و آناتومیک؛ الکتروفیزیولوژی انسان؛ جراحی مغز و اعصاب عملکردی

تعامل لیزر-بافت؛ رابط های عصبی نوری؛ مدولاسیون فعالیت عصبی با استفاده از نور لیزر مادون قرمز. اثرات سلولی محرک های ناشی از لیزر. کاربرد نور، لیزر و فناوری نوری در پزشکی و زیست شناسی

کاربرد تکنیک های نوری برای جراحی چشم. زمینه های تحقیقاتی اولیه استفاده از توموگرافی انسجام نوری

برهم کنش نور-ماده، فوتونیک سیلیکون، حسگرهای زیستی سیلیکونی متخلخل، نانوتکنولوژی، مواد نانوکامپوزیت

لیزرهای نیمه هادی، مواد و کاربردها

لیزرهای نیمه هادی، مواد و کاربردها

لیزرها و دستگاه‌های چاه کوانتومی، سیمی، خط تیره و نقطه‌ای • دینامیک لیزر • لیزرهای MID-IR و آبشار کوانتومی • لیزرهای پالس فوق کوتاه • ساختارهای VCSEL و ابرشبکه • لیزرهای دیسک نیمه هادی • لیزرهای دیود UV و مرئی و LED • منابع و کاربردهای فشرده THz • پدیده‌های غیرخطی • فوتونیک سیلیکون • فوتونیک گروه چهارم • دستگاه‌ها و برنامه‌های کاربردی جدید مبتنی بر نیمه‌رسانا • بیوفوتونیک و کاربردهای نوظهور

فوتونیک غیرخطی: مبانی و کاربردها

فوتونیک غیرخطی: مبانی و کاربردها

نمایشگر و نورپردازی

منابع قدرت / شدت بالا

فوتونیک سیلیکون یک فناوری مبتنی بر ساخت مدارهای نوری یکپارچه با استفاده از پارادایم های معادل به عنوان صنعت غالب است. سیلیکون و مواد مبتنی بر سیلیکون دارای غیرخطی‌های نوری قوی هستند که در دستگاه‌های یکپارچه با سطح مقطع کوچک موجبرهای سیلیکونی با کنتراست بالا یا کریستال‌های فوتونیک افزایش می‌یابد. در اینجا فوتون‌ها به گونه‌ای ساخته می‌شوند که به شدت با محیطی که در آن منتشر می‌شوند، تعامل داشته باشند. این استدلال مرکزی فوتونیک سیلیکونی غیرخطی است.

اپتیک غیرخطی

این شاخه ای از اپتیک است که رفتار نور را در محیط های غیرخطی توصیف می کند، یعنی محیط هایی که در آن چگالی قطبش P به صورت غیر خطی به میدان الکتریکی E نور پاسخ می دهد.

فرآیندهای نوری غیرخطی

اپتیک غیرخطی پاسخ غیرخطی خواصی مانند فرکانس، قطبش، فاز یا مسیر نور فرودی را توضیح می دهد. این فعل و انفعالات غیرخطی به تعدادی از پدیده های نوری منجر می شود.