تراشه فوتونیکی چیست؟ انتقال اطلاعات با نور به‌جای سیگنال الکتریکی

تراشه فوتونیکی فناوری جدیدی در حوزه نیمه‌رساناها و پردازش اطلاعات است که به‌جای استفاده مستقیم از جریان الکتریکی و حرکت الکترون‌ها، از نور و فوتون‌ها برای انتقال و پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. این فناوری با هدف افزایش سرعت جابه‌جایی داده‌ها، کاهش مصرف انرژی و برطرف کردن محدودیت‌های ارتباطات الکترونیکی توسعه پیدا کرده است و کاربرد آن در مراکز داده، تجهیزات مخابراتی و زیرساخت‌های هوش مصنوعی گسترش یافته است.

شرکت‌هایی مانند اینتل و IBM روی توسعه مدارهای فوتونیکی مبتنی بر سیلیکون کار می‌کنند. این فناوری امکان قرار دادن قطعات نوری و الکترونیکی در ساختارهای بسیار کوچک را فراهم می‌کند. در گزارش ابرار صنعتی، ساختار این تراشه‌ها، نحوه انتقال اطلاعات و کاربردهای صنعتی آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

تراشه فوتونیکی چیست و چگونه کار می‌کند؟

تراشه فوتونیکی یا مدار مجتمع فوتونیکی (Photonic Integrated Circuit) نوعی مدار نیمه‌رساناست که چندین قطعه نوری را در یک بستر کوچک و یکپارچه جای می‌دهد. این قطعات می‌توانند شامل لیزر، موج‌بر نوری، تعدیل‌کننده نوری، فیلتر و آشکارساز نوری باشند.

در تراشه‌های الکترونیکی معمولی، اطلاعات با تغییر وضعیت سیگنال‌های الکتریکی در مدارها منتقل می‌شود. اما در تراشه فوتونیکی، اطلاعات روی نور قرار می‌گیرد و از طریق مسیرهای نوری بسیار باریک درون تراشه حرکت می‌کند. این مسیرها که موج‌بر (Waveguide) نام دارند، نور را در مسیر مشخصی هدایت می‌کنند.

برای انتقال داده، ابتدا اطلاعات الکتریکی به سیگنال نوری تبدیل می‌شود. این فرایند با استفاده از یک تعدیل‌کننده انجام می‌گیرد. تعدیل‌کننده، ویژگی‌هایی مانند شدت، فاز یا فرکانس نور را متناسب با اطلاعات ورودی تغییر می‌دهد. سپس سیگنال نوری از موج‌بر عبور می‌کند و در مقصد، آشکارساز نوری آن را دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

نکته مهم این است که تراشه فوتونیکی لزوماً تمام پردازش‌های الکترونیکی را حذف نمی‌کند. در بسیاری از معماری‌های فعلی، مدارهای الکترونیکی همچنان وظیفه کنترل، پردازش دیجیتال و مدیریت داده را برعهده دارند و بخش فوتونیکی انتقال پرسرعت اطلاعات را انجام می‌دهد.

اجزای اصلی یک تراشه فوتونیکی

عملکرد این تراشه به همکاری چند قطعه نوری وابسته است. هر قطعه وظیفه مشخصی در تولید، هدایت، تغییر یا دریافت سیگنال نوری دارد.

• منبع نور و لیزر: نور موردنیاز برای انتقال اطلاعات را تولید می‌کند. در برخی معماری‌ها، لیزر روی تراشه قرار می‌گیرد و در برخی دیگر، منبع نور به‌صورت خارجی تأمین می‌شود.
• موج‌بر نوری: مسیر حرکت نور در داخل تراشه است و سیگنال را به بخش موردنظر هدایت می‌کند.
• تعدیل‌کننده نوری: اطلاعات الکتریکی را روی سیگنال نور قرار می‌دهد و امکان انتقال داده را فراهم می‌کند.
• آشکارساز نوری: نور دریافتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند تا تجهیزات الکترونیکی بتوانند اطلاعات را دریافت و پردازش کنند.
• فیلتر و تقسیم‌کننده نوری: طول موج‌های مختلف را از یکدیگر جدا می‌کنند یا نور را میان چند مسیر تقسیم می‌کنند.

تفاوت تراشه فوتونیکی با تراشه الکترونیکی

تفاوت اصلی این دو فناوری به حامل اطلاعات مربوط می‌شود. در مدارهای الکترونیکی، الکترون‌ها و سیگنال‌های الکتریکی نقش اصلی را دارند؛ اما در مدارهای فوتونیکی، فوتون‌ها حامل اطلاعات هستند.

سیگنال‌های نوری برای انتقال داده در فاصله‌های بیشتر، در مقایسه با اتصالات مسی، با افت وابسته به فرکانس کمتری مواجه می‌شوند. همچنین استفاده از طول موج‌های مختلف نور در یک مسیر، امکان انتقال هم‌زمان چند کانال اطلاعاتی را فراهم می‌کند. این روش با عنوان تقسیم طول موج (Wavelength Division Multiplexing) شناخته می‌شود.

در مقابل، تراشه‌های الکترونیکی برای عملیات منطقی، سوئیچینگ و پردازش دیجیتال همچنان مزایای مهمی دارند. به همین دلیل، معماری‌های ترکیبی که از مدارهای الکترونیکی و فوتونیکی در کنار یکدیگر استفاده می‌کنند، در توسعه این فناوری اهمیت زیادی دارند.

چرا صنعت فناوری به تراشه‌های فوتونیکی نیاز دارد؟

افزایش حجم اطلاعات در مراکز داده و رشد پردازش‌های هوش مصنوعی، فشار زیادی بر ارتباطات میان پردازنده‌ها، حافظه‌ها و تجهیزات شبکه وارد کرده است. انتقال حجم بالای داده از طریق اتصالات الکتریکی، به محدودیت‌هایی در پهنای باند، مصرف انرژی و فاصله ارتباطی برخورد می‌کند.

تراشه‌های فوتونیکی با انتقال داده به کمک نور، امکان ایجاد ارتباطات پرظرفیت‌تر را فراهم می‌کنند. این موضوع برای سرورهایی که باید حجم زیادی از اطلاعات را میان پردازنده‌های گرافیکی و سایر تجهیزات جابه‌جا کنند، اهمیت دارد.

شرکت اینتل در فناوری Silicon Photonics از ترکیب مدارهای سیلیکونی و قطعات نوری برای ایجاد ارتباطات پرسرعت استفاده می‌کند. این شرکت همچنین فناوری Optical Compute Interconnect را برای انتقال چندترابیتی اطلاعات در زیرساخت‌های پردازشی معرفی کرده است.

تراشه فوتونیکی قرار نیست صرفاً نسخه نوری پردازنده‌های امروزی باشد؛ بخش مهم کاربرد آن، انتقال حجم زیادی از اطلاعات میان پردازنده‌ها و تجهیزات محاسباتی با استفاده از ارتباطات نوری است.

کاربردهای تراشه فوتونیکی در صنعت

فناوری فوتونیک یکپارچه در چندین حوزه صنعتی و مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کوچک‌سازی تجهیزات نوری و قرار دادن قطعات مختلف روی یک بستر نیمه‌رسانا، امکان ساخت سامانه‌هایی با ابعاد کمتر و قابلیت‌های ارتباطی بیشتر را فراهم کرده است.

• مراکز داده: انتقال اطلاعات میان سرورها، پردازنده‌ها و تجهیزات شبکه با استفاده از ارتباطات نوری پرسرعت.
• هوش مصنوعی: ایجاد ارتباطات با پهنای باند بالا میان شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی و تجهیزات پردازشی.
• مخابرات: استفاده در فرستنده‌ها و گیرنده‌های نوری شبکه‌های فیبر نوری و ارتباطات پرظرفیت.
• خودروهای هوشمند: استفاده در سامانه‌های لیدار (LiDAR) برای ارسال و دریافت پرتوهای لیزری و اندازه‌گیری فاصله.
• تجهیزات پزشکی: توسعه حسگرهای نوری برای اندازه‌گیری و شناسایی مواد زیستی و کاربردهای تشخیصی.
• رایانش کوانتومی: استفاده از مدارهای نوری در تولید، هدایت و کنترل فوتون‌ها برای سامانه‌های کوانتومی.