محققان NIST بسته بندی تراشه فوتونیک را توسعه می دهند که می تواند در برابر محیط های شدید مقاومت کند

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) روش جدیدی را برای بسته‌بندی مدارهای مجتمع فوتونیک – تراشه‌های کوچکی که اطلاعات را با استفاده از نور به جای الکتریسیته منتقل می‌کنند – ایجاد کرده‌اند تا بتوانند در محیط‌های شدید، از محیط‌های صنعتی بسیار داغ گرفته تا اتاق‌های خلاء فوق‌سرد و اعماق فضای بیرونی، زنده بمانند و کار کنند.

نیکلای کلیموف، فیزیکدان NIST، که این پروژه را رهبری می کرد، گفت: «مطالعه ما گامی بزرگ در جهت رساندن سرعت و کارایی فوتونیک به محیط هایی است که تراشه های نیمه هادی معمولی با جریان الکتریکی و تراشه های فوتونیک بسته بندی شده با روش های سنتی قادر به کار نیستند.»

نتایج به تازگی منتشر شده است تحقیقات فوتونیک.

در دنیای تولید تراشه، “بسته بندی” به محفظه محافظ و سیستم اتصالی اطلاق می شود که یک تراشه را احاطه کرده و آن را به دنیای خارج از جمله فیبرهای نوری، کنتاکت های الکتریکی و سایر اجزا مرتبط می کند. بسته بندی خوب اجازه می دهد تا تراشه ها در دستگاه های فشرده و قابل اعتماد بدون آسیب یا ناهماهنگی استفاده شوند.

تراشه‌های یکپارچه فوتونیک مزیت خاصی دارند زیرا داده‌ها را با سرعت بالا انتقال می‌دهند در حالی که انرژی بسیار کمتری نسبت به تراشه‌های معمولی مصرف می‌کنند – اما تنها در صورتی که بسته‌بندی بتواند اتصالات نوری ظریف را کاملاً در یک راستا نگه دارد.

تراشه های یکپارچه فوتونیک در حال حاضر نقش اصلی را در ارتباطات راه دور، تشخیص پزشکی و سنجش پیشرفته ایفا می کنند. اما استفاده از آنها در محیط های پر تقاضا محدود باقی مانده است. بسته‌بندی سنتی نمی‌تواند اتصالات قابل اعتماد بین تراشه‌های فوتونیک و فیبرهای نوری را در شرایط شدید حفظ کند – مانند تابش شدید، خلاء فوق‌العاده، گرمای تاول‌زا یا دماهای سرد.

بسیاری از فناوری‌های کوانتومی، از جمله چندین پلت‌فرم محاسباتی کوانتومی پیشرو، به محیط‌های خلاء فوق‌العاده بالا، دمای چند درجه بالاتر از صفر مطلق یا هر دو نیاز دارند. مأموریت‌های فضایی، هسته‌های راکتور هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات، ابزارها را در معرض تشعشعات شدید قرار می‌دهند. کاربردهای صنعتی و انرژی نیاز به حسگرهایی دارند که بتوانند گرما، فشار و محیط های خورنده را تحمل کنند.

برای اینکه تراشه‌های فوتونیک یکپارچه بتوانند در این محیط‌های شدید کار کنند، محققان بر یک چالش سرسختانه غلبه کردند: اتصال قابل اعتماد یک فیبر نوری به یک تراشه فوتونیک. چسب‌های استاندارد امروزی – چسب‌های پلیمری ارگانیک – وقتی در معرض سرمای شدید، تشعشعات شدید، خلاء یا گرما قرار می‌گیرند، تمایل به ترک خوردن، خروج گاز یا تخریب دارند. هنگامی که این پیوند از بین می رود، تراشه دیگر نمی تواند کار کند.

برای حل این مشکل، دانشمندان NIST تکنیکی را که در ابتدا توسط ناسا برای مونتاژ سیستم‌های نوری بزرگ و فوق‌پایدار برای هر دو سیستم‌های نجومی فضایی و زمینی استفاده می‌شد، اقتباس کردند. این روش که پیوند کاتالیزوری هیدروکسید (HCB) نامیده می شود، یک پیوند شیمیایی معدنی شیشه مانند بین فیبر نوری و تراشه فوتونی ایجاد می کند. این فرآیند به جای تکیه بر چسب، از مقدار کمی محلول هیدروکسید سدیم برای ذوب سطوح در سطح مولکولی استفاده می کند و یک اتصال سفت و سخت و پایدار را تشکیل می دهد.

تیم NIST برای اولین بار نشان داد که تکنیک HCB می‌تواند به هم‌ترازی فیبر نوری دقیق و جفت نور کارآمدی که مدارهای فوتونیکی به آن نیاز دارند دست یابد، در حالی که همچنان بسته‌ای قوی برای مقاومت در برابر محیط‌های سخت تشکیل می‌دهد. برای آزمایش این انعطاف پذیری، محققان تراشه فوتونیک بسته بندی شده را در معرض یک سری شرایط شدید قرار دادند. حتی پس از اینکه گروه، مجموعه را تا دمای برودتی سرد کردند، مواد را از طریق نوسانات سریع دما فرو بردند، آن را با تابش یونیزان شدید بمباران کردند و آن را تحت خلاء زیاد قرار دادند، اتصال فیبر متصل به HCB دست نخورده باقی ماند. این به تیم اجازه داد تا بررسی کند که خود تراشه به عملکرد عادی خود ادامه می دهد.

اگرچه به دلیل محدودیت‌های فیبرهای نوری تجاری موجود، آزمایش دمای بالا را نمی‌توان مستقیماً روی تراشه فوتونیک بسته‌بندی شده انجام داد، مطالعات اضافی انجام‌شده توسط تیم نشان داد که بسته‌بندی فوتونیکی مبتنی بر HCB در دماهای بسیار بالاتر از آنچه چسب‌های معمولی می‌توانند تحمل کنند، از نظر مکانیکی پایدار می‌مانند. با هم، این نتایج به یک روش بسته بندی با انعطاف پذیری استثنایی در یک محدوده محیطی بسیار گسترده اشاره می کند.

کلیموف گفت: «این رویکرد پیوندی را ایجاد می کند که به اندازه خود فیبر نوری انعطاف پذیر است. “این به مدارهای مجتمع فوتونیک اجازه می دهد تا به مکان هایی بروند که قبلاً نمی توانستند بروند.”

اگرچه فرآیند پیوند فعلی به چندین روز برای تکمیل نیاز دارد، اما محققان تاکید می‌کنند که این یک مسئله مهندسی است تا یک مانع اساسی. با توسعه متمرکز، مهندسان می توانند زمان را به طور چشمگیری کوتاه کنند و این تکنیک را برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب کنند.

یادداشت ویرایشگر: این داستان در ابتدا با یک تصویر تولید شده توسط هوش مصنوعی منتشر شد. ما آن را حذف کرده ایم، مطابق با رویه فعلی خود در اجتناب از استفاده از تصاویر بصری تولید شده توسط هوش مصنوعی در اخبار خود.

---

مقاله: سارا اچ. رابینسون، CH.SS پاوان کومار، آشوتوش اس. رائو، دانیل اس. بارکر، فرد بی. بیتمن، کوین ا. بسته بندی تراشه فوتونیک برای محیط های شدید. تحقیقات فوتونیک. منتشر شده آنلاین در 27 مارس 2026. DOI: 10.1364/PRJ.565679