موضوع مقاله: سیلیکون فوتونیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سیلیکون فوتونیک | مقدمه: تنها چند سال است که بلورهای فوتونیکی دی الکتریک برای کنترل چگونگی انتشار امواج الکترومغناطیسی مورد توجه قرار گرفته‌است. | ## بخش 1: سیلیکون فوتونیک | انتشار این امواج الکترومغناطیسی در بلورهای فوتونیکی مثل رفتار الکترون‌ها در جامدات بلوری با پتانسیل دوره ای می‌باشد. وجود گپ در ساختار نواری بلورهای فوتون این امکان را به وجود می‌آورد که بتوان انتشار امواج الکترومغناطیسی را به دو صورت طیفی و جهتی کنترل کرد که این بسیار چیز مطلوبی می‌باشد. از طرفی این امکان وجود دارد که تابش القایی و گرمایی را توسط بلورهای فوتونیکی کنترل کرد. مودهایی از امواج الکترومغناطیسی که فرکانس آن‌ها در ناحیه گپ نواری قرار می‌گیرد، توانایی انتشار در درون بلور فوتونیکی یا تابش از آن را نخواهند داشت. این ویژگی منجر به حذف طیف تابشی در ناحیه گپ نواری و افزایش شدت آن موج در سایر نواحی طیف و در جهت‌های فضایی بخصوصی خواهد شد. در تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی که در سیستم‌های ترموفوتوولتایی رخ می‌دهد، کنترل طیفی و جهتی در بلورهای فوتونیکی برای افزایش بازده سیستم استفاده می‌شود. نحوهٔ کار به اینگونه است که تابش گرمایی ساطع شده از جسم تابشگر به یک دیود نوری می‌رسد و این مبدل، درصدی از فوتون‌های فرودی را جذب می‌کند و آن‌ها را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. در صورت تطابق فرکانسی طیف تابش گرمایی تابشگر با همان طیف از جشم جذب‌کننده می‌توان انتظار بازدهی بسیار بالایی را برای سیستم مورد نظر داشت. طیف تابش گرمایی یک جسم به‌طور معمول، تمام طول موجها را با شدت‌های مختلف شامل می‌شود اما در بلورهای فوتونیکی به خاطر وجود گپ نواری، کسری از طیف تابش گرمایی حذف و شدت آن طیف‌ها در طیف‌های دیگر افزایش می‌یابد که برای جذب توسط دیود نوری مناسب می‌باشد. | ## بخش 2: سیلیکون فوتونیک | ساختار نواری و اندازهٔ گپ نواری تابعی از نوع ماده و پارامترهای هندسی بلور فوتونیکی می‌باشند. در اکثر مبدل‌های ترموفوتوولتایی فرکانس کاری در ناحیه یمادون قرمز میانی و نزدیک می‌باشد. بیشترین طیف تابش گرمایی در این نواحی مربوط به اجسامی با دمای بیشتر از ۱۲۲۲درجه سانتیگراد می‌باشد. فلزاتی مانند تنگستن، تانتالوم، آلیاژ تنگستن، تانتالوم، اکسید وانادیوم با ساختارهای منظم اپتیکی مختلف ازقبیل بلورهای فوتونیکی یک، دو و حتی سه بعدی و از طرف دیگر توری‌های سطحی برای این کار مورد نظر می‌باشند. طیف تابشی بلور فوتونیکی سیلیکون برای کاربردهای تبدیل انرژی و کاربردهای مرتبط با لیزر بیشترین استفاده را دارد. سیلیکون دارای ساختار کریستالی الماس است که در آن دو شبکه مکعبی FCC، با فاصله ۱/۴ قطر بدنه مکعب از هم جدا شده‌اند. در حالی که گالیم آرسنیک دارای ساختار سولفید روی است که مشابه ساختار الماسی از دو شبکه FCC با فاصله ۱/۴ قطر بدنه مکعب از یکدیگر تشکیل شده‌است با این تفاوت که جنس اتم‌های هر یک از شبکه‌های FCC یا گالیم است یا آرسنیک. سیلیکون باند انرژی غیرمستقیم دارد، به این معنی که حداقل باند هدایت و حداکثر باند ظرفیت مقابل یکدیگر قرار نگرفته‌اند. اگر الکترونی از باند هدایت به باند ظرفیت انتقال یابد، این انتقال و تغییر انرژی همراه با تغییر مومنتوم در آن خواهد بود که به صورت فونون در شبکه کریستالی ظاهر می‌شود. | ## بخش 3: سیلیکون فوتونیک | مهندسی مواد برای غلبه بر محدودیت‌های مربوط به باند انرژی غیرمستقیم سیلیکون تمرکز کرده‌است. در این روش با ایجاد تنش بر روی موج بر سیلیکونی، تقارن کریستالی در سیلیکون را برهم می‌ریزند تا ضرایب الکترو اپتیک صفر نماند. ارتباط نوری با استفاده از یک ماژول الکترو اپتیک می‌توان داده‌ها را از حالت الکترونیکی به دامنهٔ اپتیکالی انتقال داد و این مهم از طریق سیلیکون فوتونیک‌ها به واسطهٔ تغییر چگالی حاملان بار آزاد میسر می‌شود. در حقیقت پیشرفت بسیار سریع رایانه‌ها از طریق افزایش سرعت انتقال داده‌های میسر می‌شود که استفاده از ارتباطات اپتیکال به واسطهٔ سیلیکون فوتونیک‌ها در برقراری ارتباط میکرو چیپ‌ها، چند سالی است که به شدت مورد توجه قرار گرفته‌است. سال ۲۰۱۳ نیز اینتل از تکنولوژی ای سخن گفت که این امکان را می‌دهد از سیمی به قطر ۵ میلی‌متر تا سرعت ۱۰۰ گیگابیت بر ثانیه اطلاعات منتقل شود و این در حالیست که بهترین کابل‌های شبکهٔ کنونی تنها ۴۰ گیگابیت بر ثانیه اطلاعات عبور می‌دهند. ایده‌آل‌ترین حالت آن است که هر دو قسمت الکترونیکی و اپتیکال روی یک مدار یکسان باشند و نه جدا از هم. اولین بار یک استارت آپ در سال ۲۰۱۳ به نام "Compass-EOS" در ایالت لس آنجلس برای اولین بار در جهان موفق به معرفی روترهای سیلیکون به فوتونیک شد. رنج وسیع ارتباطات و کاهش مصرف انرژی میکروفوتونیک‌های سیلیکونی می‌توانند پهنای باند اینترنت را بسیار افزایش دهند و برای این کار به دیوایس‌هایی در ابعاد میکرو نیاز هست که بسیار انرژی کمی مصرف می‌کنند. | ## جمع‌بندی | می‌توان این انتظار را داشت که در آینده کاهش مصرف انرژی چشم‌گیری در دیتا سنترها به واسطهٔ این تکنولوژی رخ دهد.