الاتجاهات الناشئة في مجال الاستلام الضوئي للتقليل من صغر حجم الأجهزة المحمولة

وقد أدى الانتشار السريع للأجهزة الالكترونية المحمولة - السماعات السائلة، والملابس، وشبكة إنترنت للأجهزة الاستشعارية، وأدوات التشخيص الطبي إلى نشوء طلب لا طائل منه على أجهزة استقبال بصرية أصغر وأسرع وأكثر كفاءة، وهذه المكونات تحول الإشارات الضوئية إلى أجهزة كهربائية، مما يتيح الاتصالات العالية السرعة بالبيانات والاستشعار والتصوير، حيث أن عوامل الشكل الآلات تتقلص وتضيق متطلبات الأداء التكنولوجية.

ويجب أن يوازن المتلقين الضوئيون في التطبيقات النقالة بين حجمها واستهلاكها وحساسيتها وتكلفتها، ويجري استبدال التصميمات التقليدية المتباينة بالحلول المتكاملة للغاية التي تحفز المواد المتطورة، وتقنيات الصنع، وهندسة النظم، ونتيجة لذلك جيل جديد من أجهزة الاستقبال البصرية التي ليست أصغر فحسب بل أكثر قدرة أيضا، مما يمهد السبيل أمام الابتكارات في الواقع المعزز، والاستشعار عن طريق القياس الأحيائي، والربط عن طريق الحاسوب.

التقدم التكنولوجي في مجال التنميط

وهناك عدة اتجاهات تكنولوجية متماثلة تتيح التخفيض المطرد في حجم وطاقة أجهزة الاستقبال البصرية، وتشمل هذه الاتجاهات دوائر متكاملة للتصوير الضوئي، ومواد شبه موصلة متقدمة، ونهجا للتعبئة الدقيقة، وكل منها يسهم في بصمة أقل، مع الحفاظ على مقاييس الأداء أو تحسينها مثل النطاق الترددي، ورقم الضوضاء، والنطاق الدينامي.

الدائرة الهوائية المتكاملة

وتأتي دوائر التصوير المتكاملة بوظائف بصرية متعددة - تحويلات وقودية، ومسح، وتصفية، وكشف عن شريحة واحدة، وباستبدال مكونات مفصّلة ذات سمة واحدة، مع تكامل أحادية أو مختلط، تخفض مراكز الاتصال الدولية الحجم الإجمالي لسلسلة أجهزة الاستلام، وقد ظهرت صور النسيج النسيجية كقاعدة رئيسية لأنها تُستخدم في أجهزة الوصل التكميلية القائمة بين المعادن.

وإضافة إلى السيليكون، توفر منابر مثل فوسفيدي الغدد الصماء وأرسينيد الغاليوم (GaAs) خصائص متفوقة للكشف المباشر السريع، كما يستكشف الباحثون النُهج الهجينة التي تجمع بين المكونات السلبية للسيليكون وبين الطبقات العاملة من طراز III-V لتحقيق أفضل أداء من حيث الجودة.

مواد موصلات خام متقدمة

وتفرض قيود على السطو السوائب التقليدية في الاستيعاب البصري والسرعة، لا سيما في الأزهار الموجية التي تتجاوز الاشعة القريبة من الحمراء، والمواد المتقدمة ذات النطاقات المباشرة والتنقل السريع للناقلات، هي مواد أساسية بالنسبة للمستقبلين المدمجين ذوي الأداء العالي، وهذه المواد تمكن الملتقطين بالصور ذات القدرة العالية على الاستجابة، وتقلّص التيار، واتساع النطاق الترددي، من النواحي الحاسمة بالنسبة للأجهزة المحمولة التي تعمل على مجموعة واسعة من قوّات.

() لا يزال الفوسفيد الهنديوم (Indium phosphide (InP) هو ذخيرة أجهزة استقبال بصرية طويلة الأجل ومتروية، ولكن اعتماده في الإلكترونيات المحمولة قد تسارع بفضل تحسين تقنيات الصنع التي تنتج رقائق أصغر.

كما أن المواد التي تستخدم في استخدام أجهزة التحكم بالأشعة (FLT:1]، بما في ذلك الدهكجينات الديكهالوجينية والفلزات الانتقالية، تخضع أيضاً للتحقيق المكثف، حيث أن سميكها الذري يتيح أجهزة التصوير الضوئي ذات الحساسية العالية والوقت السريع للاستجابة، وعلى الرغم من أن أجهزة الاستلام القائمة على التليفزيون قد أظهرت القدرة على كشف أجهزة الاستلام ذات الترددات العالية في غرفة العمليات البحثية.

Micro-Optics and Nanophotonics

ولا يقتصر التصغير على التكامل الالكتروني والتصويري؛ بل يجب توسيع نطاق التفاعل البصري نفسه، إذ أن الميكروفونات - مثل العدسات الديموغرافية، والصفوف المجهرية، والمبررات الدقيقة - التركيز والضوء إلى رقائق الكشف الصغيرة - يمكن أن تؤدي عمليات التوحيد المغناطيسي المدمجة في عدد قليل من عناصر التكوين المرنة إلى الحد من التماثل بين التكلفة.

وتوفر الهياكل النانوية، بما فيها الهوائيات البلازمية، والظواهر المميتة الديموغرافية، والأزواج الذين يتعاملون مع الموجات، التلاعب بالضوء دون الموجات المتوسطة، ويمكن لمحرر الصور البلازمونية أن يركّز الضوء على أحجام أصغر من الحد الأقصى للتدفئة، مما يؤدي إلى وجود منطقة كاشفة من الميكرومترات المربعة، مع الحفاظ على كفاءة عالية في الكم.

تعبئة وقود على مستوى الوفرة و 3D Integration

ويُعزى التعبئة التقليدية إلى جزء كبير من الحجم الإجمالي للمستقبل البصري، بينما يُضاف إلى تقنيات التغليف على مستوى الوفرة، مثل عبر قنوات الاتصال، والمضخات الدقيقة، والمواءمة البصرية على مستوى الويب، وينخفض طول جهاز الاستقبال مباشرة إلى نظام إلكتروني للتغذية الكيميائية أو يُحزم في شكل من أشكال النزاهة الشريحة.

وقد أظهر قادة الصناعة مثل Lumentum و]Broadcom]] أجهزة استقبال بصرية تحمل أقل من 3 ملم، بما في ذلك أجهزة القياس الدقيقة، ويمكن لهذه المجموعات أن تتحمل الضغوط الحرارية والميكانيكية التي تلبسها الإلكترونيات الاستهلاكية، مما يجعلها مناسبة لإنتاج الهواتف المحمولة.

الاتجاهات الناشئة والتوقعات المستقبلية

وفي حين أن التكنولوجيات الحالية تؤدي بالفعل إلى تقليل مؤثر، فإن عدة اتجاهات ناشئة تعد بزيادة تعزيز الحدود، وسيحدد التكامل الصوتي - الإلكتروني، وتجهيز الإشارات بمساعدة آلية، والتكامل المتجانس، والمرونة في المؤسس الفرعية الجيل القادم من أجهزة الاستقبال البصرية للأجهزة المحمولة.

التكامل الفوتوني - الإلكتروني

والهدف النهائي للتقليل إلى أدنى حد هو إدماج الدوائر الضوئية والإلكترونية في الشريحة نفسها بصورة احتكارية، مما يزيل الحاجة إلى سائق منفصل، ومضخم، ورقائق التجهيز الرقمي، ويقلل بدرجة كبيرة من مساحة اللوحات واستهلاك الطاقة، ولا توجد أجهزة استقبال مدمجة متكاملة ذات أجهزة مضخة للتقنيات، وأجهزة للاسترداد على مدار الساعة، وأجهزة معالجة الإشارات الرقمية.

فعلى سبيل المثال، قدمت ورقة من شركة " إيك " تحمل رقماً قياسياً بصرياً قدره 0.5 ملم2، تدمج جهازاً للتصوير الضوئي للألمانية، وجهازاً للتقنيات الفوقية، وجهازاً للديكورين متعدد الأطراف من طراز PAM4 على رقاقة واحدة من طراز CMOS، حيث حققت 112 جهازاً من أجهزة Gbps مع قدرة إجمالية قدرها 45 ملواط، وهذا الارتاً أساسياً لليد في المستقبل يجب أن يتعامل مع أجهزة دخيل البيانات الضخمة التي يجب أن تُعبُها من خلال أجهزةٍ مُها أو وصلاتٍ مُزِّيةٍ مُزِّمةٍ حقيقية.

التعلم في مجال تجهيز الإشارات

ويعاد تشكيل نظام التعلم في مجال الآلات (ML) كيف يتعامل المتلقين البصري مع الضوضاء والتشويه، لا سيما في ميزانيات الطاقة المحدودة للأجهزة المحمولة، ويُعتمد التكافؤ والتصويب على مرشحات ثابتة ذات كفاءة عالية ومصممة لأسوأ الظروف، ويمكن للخرائط المتعددة الأطراف أن تكيف مع معايير استقبال مثل عتبات القرار، وشروط التكافؤ في التوقيت، وتوقيت الاسترداد.

ويمكن للشبكات العصبية المنخفضة التعقيد التي تنفذ في أجهزة معجلة مخصصة للمعدات أن تحسن الحساسية من 2 إلى 3 ميغاباي مقارنة بتجهيز الإشارات الرقمية التقليدية دون زيادة كبيرة في الطاقة، وهذا أمر ذو قيمة خاصة في وصلات سلكية بصرية متنقلة حيث يؤدي تدخل الضوء وحركة الأجهزة إلى إيجاد قنوات متطورة زمنياً.

التكامل المتجانس والطرائق المتعددة الطبقات

ولا يمكن اختلاق جميع الوظائف على الوجه الأمثل في نظام مادي واحد، إذ أن التكامل المتجانس الذي يجمع بين جهاز تصويري عالي الأداء وجهاز تصويري تابع للشبكة ذي قوة منخفضة، على سبيل المثال، يقلل كل عنصر من العناصر التي يتعين بناؤها في عملية السكان الأصليين مع الحفاظ على بصمة عامة صغيرة، كما أن وحدات الديتشيب المتعددة التي تضم مداخلات مصغرة تتيح التكامل الالكتروني الدقيق مع إتاحة الاستخدام الأمثل المستقل.

وقد حققت وكالة مشاريع البحوث المتقدمة للدفاع ومختلف الاتحادات تقدما في التكامل المتجانس من خلال التقاط الدقيق والتجهيز الدقيق، وطباعة الميكروفورات، وربط الخيوط، وهذه التقنيات تنتج وحدات استقبال ذات أبعاد تقل عن 1 ملم × 1 ملم، بما في ذلك واجهة البصر، ونظرا لانخفاض تكلفة عمليات التجميع هذه، فإنها ستصبح قابلة للتطبيقات المحمولة ذات الحجم الكبير.

أجهزة استقبال ذات طابع مرن وقابل للاستمرار

وبالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء التي تتفق مع الجسم البشري، فإن وحدات أجهزة الاستلام الصلبة غير ملائمة، إذ يمكن أن تكون أجهزة الاستلام البصرية المرنة التي تبنى على أجهزة فرعية متعددة الزمرات أو أكاسيد المعادن النحيلة ملتوية وممتدة دون فقدان القدرة الوظيفية، وتستخدم هذه الأجهزة أجهزة استشعار للصور العضوية أو أجهزة الاستشعار ذات الكم والتي يمكن طباعتها عند درجات حرارة منخفضة على الأفلام المرنة.

وقد أظهر الباحثون في Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) جهاز استقبال بصري مرن يبلغ قطره 5 ملم ومعدل بيانات قدره 10 ميغابايت يكفي لرقائق الرصد الصحي، بينما تشير خطوط الأداء الحالية وراء أجهزة استقبال ثابتة، إلى التقدم المستمر في المواد العضوية وكمية

التطبيقات الرئيسية في الأجهزة النقالة

ويمكِّن عدد قليل من أجهزة الاستقبال البصرية من طائفة من التطبيقات التي كانت غير عملية في السابق، وهنا نسلط الضوء على أربعة مجالات يكون فيها الحد من الحجم والكهرباء أكبر أثر.

السماعات الذكية والطاولات

وتشتمل الهواتف الذكية الحديثة على أجهزة استقبال بصرية متعددة للاستشعار عن بعد، وكشف الضوء المحيط، والاعتراف بالوجه (الضوء المنظم والوقت الممتد)، وحتى الاتصالات البصرية للبيانات (Li-Fi) ويجب أن يكون جهاز استقبال نظام ليفلو الصوت الذكي صغيرا بما يكفي ليتماشى مع وحدة التصوير، ومع ذلك يتسم بالحساسية الكافية لضبط الضوء المزود بالبصمات من جهاز مدمج في عدة أجهزة مذيبة.

مرصد صحي معتدل

وتعتمد القابلات للزراعة مثل الواحات الذكية، ومجسات الأوكسجين الدموية، ومراقبات الغلوكوز المستمرة على أجهزة استقبال بصرية للكشف عن الضوء المكشوف أو المبثوق من خلال الأنسجة، ولا يسمح الاستنباط المصغر لهذه المستشعرات بأن تُدمج في مسامير الأذن أو الحلقات أو رقائق الصمامات دون أي مانع.

IoT and Smart Sensors

وتحتاج أجهزة الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية للرصد البيئي، والمباني الذكية، والصناعية IoT إلى اتصالات ذاتية الطاقة، ويمكن للمتلقينات البصرية العاملة في المناطق القريبة من الحمراء أن توفر معدلات بيانات من الكبسولات إلى ميغابايت ذاتية منخفضة حيث تبلغ ميزانيتها 50 ميكروو.

LiDAR for Autonomous Systems

ويحتاج الجهاز الآلي المحمول والطائرات الآلية ونظم الليدار الآلي إلى أجهزة استقبال بصرية مدمجة يمكنها اكتشاف نبضات الليزر الضعيفة على المدى الطويل، ويمكن أن تُستخدم صفائف الرؤوس الفونية الوحيدة التي تعمل في أجهزة المسح الضوئية ذات الفولاني - كل منها 10 ميكروغرام فقط في قطر قطر - يمكن أن تُربط في بصمة صغيرة لتحقيق استخدامات إلكترونية عالية الاستبانة 3D.

التحديات والنظر في مجال التنميط

وعلى الرغم من التقدم السريع، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن يصبح جهاز استقبال بصري مقلّص تماماً متبادلاً في الأجهزة المحمولة، ويجب على المهندسين معالجة التفكك الحراري، وكفاءة الطاقة، وتكاليف التصنيع، والمبادلات الحتمية في الأداء التي ترافق التوسع.

الإدارة الحرارية

ونظراً لتقلص عدد أجهزة الاستلام البصرية، فإن الحرارة التي تولدت لكل منطقة من مناطق الوحدة يمكن أن تزداد بشكل كبير، إذ أن أجهزة الاستديوهات الضوئية العالية السرعة واتفاقات الاستثمار التقني توزع الطاقة في منطقة صغيرة، مما يؤدي إلى ظهور بؤر ساخنة محلية تؤدي إلى تدهور الأداء والموثوقية، كما أن الإدارة الحرارية - من خلال مصارف التدفق المتناهي الصغر، والقنوات الحرارية، أو التكامل مع الأجهزة المتطورة.

كفاءة الطاقة وحياة البطارية

فالأجهزة المحمولة مجهزة بالطاقة الكهربائية، وكل مليوت ينقذ في جهاز الاستقبال البصري يمتد من عمر البطاريات أو يسمح بخصائص إضافية، وكثيرا ما يقلل التصغير من القدرة واستهلاك الطاقة في جهاز التصوير الضوئي، ولكن الإلكترونيات الداعمة (الأجهزة التي تعمل حاليا، والمتساوية، ومعجلات حركة التحرير) يمكن أن تعوض هذه المكاسب، ويجب على المصممين أن يتقنوا استخدامات الصوتية الفرعية لتقليل الكميات إلى أدنى حد.

التصنيع

Integrating multiple material systems (e.g., InP photodiodes on silicon CMOS) adds manufacturing steps and reduces yield. Waferlevel bonding and micro-transferfer printing have improved, but the cost of these processes must drop by an order of magnitude to compete with fully monolithic silicon solutions. Industry consortia such as the American Institute for Manufactton

تداول الأداء

ويقلل تضييق نطاق الحاسب عموما من الحساسية ومن القدرة القصوى على المدخلات، إذ أن جهازا أصغر للتصوير الضوئي يقلل من القدرة (من حيث الاستحقاق بالنسبة لضمادات النطاق الترددي) ولكنه يقل أيضا من الاستجابة والضوضاء الأعلى للطلقات، ويجب على المصممين أن يوازنوا المجال مع النطاق الدينامي المطلوب للطلب، فعلى سبيل المثال قد يحتاج جهاز استقبال لشبكة الأشعة الليفية إلى معالجة الإشارات من عدد قليل من أجهزة الإرسال ذات الترددات المزودة (المزودة) إلى عدة أجهزة إرسال ذات مصغرة.

خاتمة

وتدنية أجهزة الاستقبال البصرية هي مسعى هندسي متعدد الأوجه يستمد من أوجه التقدم في مجال التكامل التصويري، وعلم المواد، والتغليف، وتصميم الخوارزميات، ومن دوائر الإنتاج المتكاملة ذاتية الضوئية وشبه الموصلات المتقدمة إلى التكامل التصويري - الإلكتروني، والتجهيز المحسن، فإن المشهد التكنولوجي يتطور بسرعة، وهذه الابتكارات تتيح أجهزة استقبال مرئية أكثر كفاءة وقلما.

وفي حين أن التحديات مثل الإدارة الحرارية، والتكاليف، ومبادلات الأداء لا تزال قائمة، فإن المسار واضح: إذ سيستمر جهاز استقبال بصري في الانكماش، ويصبح في نهاية المطاف جهازاً استشعارياً وغير متجانس كما يكمل أجهزة الاستشعار الدقيقة، ومع تقدم البحوث ونضج التصنيع، فإن رؤية جهاز استقبال البصري المتكامل تماماً والمتمثل في الاتفاقات والارتقاء إلى مستوى عال من الأداء بالنسبة لكل جهاز محمول.