ננו פוטוניקה – בין מדע למסחור
כיווני מחקר חדשים שהתפתחו בשנים האחרונות בתחום הננו-פוטוניקה, מאפשרים יישום מגוון אפליקציות מסחריות בתחומי האופטיקה, הביו-רפואה והמחשוב. החל בזיהוי וטיפול במחלת הסרטן, דרך הגדלת היעילות של מעבדים מבוססי סיליקון, ועד מציאת שימושים חדשים לסיבים אופטיים. גם בתחום זה, יש בישראל אקדמיה מובילה
הגנה לישראל
| 19/05/2011
מיקרו לייזרים (www.cfn.kit.edu)
אופטיקה מרחבית - אלמנטים אופטיים דיפרקטיביים
אחת האפליקציות העושות שימוש נרחב ביכולות הייצור הננו-טכנולוגיות שהתפתחו לאחרונה, היא תחום האופטיקה הדיפרקטיבית. הרעיון הוא לנסות לעצב את חזית הגל האופטית על ידי העברתה דרך שקופית מרחבית בעלת מבנים של עבירות משתנה, בגדלים מסדר גודל של אורך הגל האופטי (כחצי מיקרון).
מעבר האור דרך מבנים אלו, כתוצאה מאפקט העקיפה (דיפרקציה) של האור, משנה את חזית הגל ויכול לגרום לו להתקדם בפילוג מרחבי רצוי הידוע מראש. פעולה זו ניקראת עיצוב אלומה והיא שימושית בתחומי מחקר ותעשייה המתעסקים בהקרנה ואף פיצול של אינפורמציה המאופננת על גל נושא אופטי, למספר מקומות במרחב לצרכי עיבוד.
פרופסור זאב זלבסקי מזמין את כל המתעניינים להירשם לכנס אואזיס של תעשיית האלקטרו אופטיקה שיתקיים בתאריכים 20 - 19 לפברואר במלון דויד אינטר קונטיננטל על חוף הים בתל אביב. פרטים נוספים אפשר למצוא באתר הכנס www.oasis4.org.il
אחת הנגזרות של תחום זה הינה השימוש במבנים תת מיקרוניים מיוחדים המיוצרים על פני שטח של עדשות מגע, או עדשות קטקרט לצרכי פיתרון של בעיות פרסביופיה (חוסר היכולת של העין לשנות את אורך המוקד של עדשת העין). שימוש זה מספק פתרון לבעיות ראיה שונות, ברכיבים המתאפינים בדקות וגמישות המתאימים מאוד לשימוש אופטלמי.
רכיבים ננו פוטוניים - פוטוניקת סיליקון ופלזמוניקה
תחום המיקרו אלקטרוניקה עומד בפני קושי בהגדלת קצת העיבוד ומספר המעבדים ליחידת שטח בשבב הסיליקון. ככל שכמות הרכיבים גדלה, נוצרים ביניהם רעשים, ויש בעיית פיזור חום מתגברת. המשך הגדלת קצב העיבוד גם היא בעייתית, כוון שאז התנגדות קוי ההולכה בשבב גדלה והמעגל החשמלי איננו מהווה יותר מעגל מקובץ. עובדה המשפיעה על מיקום כל רכיב במעגל, ועל איך מתכננים את המוליכים החשמליים בין הרכיבים בשבב שכעת הופכים להיות קויי תימסורת של ממש.
פוטוניקה יכולה לפתור את הבעיות שהוזכרו להלן, ומושקע כעת מאמץ רב בפיתוח שבבי סיליקון אינטגרליים הכוללים בו זמנית גם רכיבי מיקרו אלקטרוניקה וגם רכיבים פוטוניים שהם אבני בניין של כל מיקרו מעבד. דהינו, מאפננים ושערים לוגיים. כמו כן, מושקע מאמץ מחקרי רב בפיתוח מקורות לייזר על שבבי הסיליקון כדי לאפשר הפעלה של אבני הבניין מהם עשויים מעגלי עיבוד מתוחכמים יותר.
התחום של פיתוח רכיבים פוטוניים בשבבי סיליקון לצד רכיבי המיקרו אלקטרוניקה ניקרא פוטוניקת סיליקון. הבעיה המרכזית בתחום זה, היא שאורך הגל עימו עובדים בתוך סיליקון הינו כ 430 ננו-מטר מה שגורם לכך שהרכיבים הפוטוניים יחסית גדולים למקבילה המיקרו אלקטרונית שלהם.
תחום חדש שמתפתח ניקרא פלזמוניקה, ובו מצליחים לייצר גלי פני שטח במגע בין מתכת לחומר דיאלקטרי (מבודד) המעוררים על ידי אור והם בעלי ממדים אופייניים ואורך גל אופיני הקטן בהרבה מהמימדים שהוזכרו קודם. ערור גלים פלזמוניים אלו נעשה בעזרת מעבר אור דרך ננו אנטנות מיוחדות המיוצרות על אותו שבב הסליקון עצמו.
ננו פטוניקה בביו רפואה
תחום הביו רפואה הינו תחום מאוד חשוב בעל השפעה רבה על תחומי חיים רבים. בזכות ההתפתחויות הטכנולוגיות והמדעיות האחרונות, פותחו שיטות המאפשרות ניתור של פרמטרים ביו רפואיים ללא מגע תוך שימוש במסכות קידוד מרחביות ננו-פוטוניות. כמו כן, פותחו גם סיבים מיוחדים בעלי ליבות תת מקרוניות רבות המשמשים כאנדוסקופים היכולים להיכנס לתוך הגוף של הפציינט בפולשניות מועטה ולבצע דימות מתוך הגוף, וגם פעולות רפואיות טיפוליות בסיסיות.
על ידי שילוב של ננו-חלקיקים, מאפשרות היכולות האחרונות גילוי וטיפול ברקמות סרטניות בשלבים מוקדמים של המחלה, תוך מציאת גבולות ברורים לגידול או גילוי של מוצטיות גנטיות בדנ"א בצורה מהירה וזולה.
מימוש שבב-מעבדה, רכיב שבבי המכיל בתוכו יכולת לדיאגנוסטיקה רפואית למחלות שונות, הינו פופולרי מאוד בהרבה מוסדות מחקריים. לאחרונה, יש מאמץ לפיתוח שבב כזה לצורך גילוי מוקדם של מחלת המלריה. שבבים אלו עובדים באופן בו הפציינט שם טיפת דם על השבב, וכאשר הטיפה מעובדת על ידי הננו-חיישנים הנמצאים עליו, התוצאה של הדיאגנוסטיקה נימסרת לפציינט בזמן אמת.
התקנים פנים סיביים
לרובינו, הסיבים האופטיים ידועים כתווך להובלת מידע רחב סרט למרחקים גדולים. אולם, לאחרונה התפתחו סיבים מסוג אחר שמטרתם הינה לא הובלת המידע, אלא עיבוד המידע האופטי או חישה (כדוגמה של חום ומעוותים חיצוניים) או כדרך ליצירת מקורות אור מיוחדים ורחבי סרט בתוך הסיב.
התפתחות זו נעוצה ביכולת החדשה לייצור סיבים מיוחדים בעלי מבנה חתך שונה, הכולל מספר ליבות ומספר חורים או מבנים בעלי מקדם שבירה שונה ובעלי מחזוריות רדיאלית ו/או זויתית. שטח החתך של סיבים אלו דומה לכוורת של דבורים והם ניקראים Photonic Crystal Fibers. לאחרונה תחום זה התפתח מאוד ואיפשר מימוש בתוך הסיב של לייזרים, סנסורים, מקורות תאורה צבעוניים ומודולטורים של מידע.
הכותב הוא פרופסור מן המניין בפקולטה להנדסה ומרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת בר-אילן
אופטיקה מרחבית - אלמנטים אופטיים דיפרקטיביים
אחת האפליקציות העושות שימוש נרחב ביכולות הייצור הננו-טכנולוגיות שהתפתחו לאחרונה, היא תחום האופטיקה הדיפרקטיבית. הרעיון הוא לנסות לעצב את חזית הגל האופטית על ידי העברתה דרך שקופית מרחבית בעלת מבנים של עבירות משתנה, בגדלים מסדר גודל של אורך הגל האופטי (כחצי מיקרון).
מעבר האור דרך מבנים אלו, כתוצאה מאפקט העקיפה (דיפרקציה) של האור, משנה את חזית הגל ויכול לגרום לו להתקדם בפילוג מרחבי רצוי הידוע מראש. פעולה זו ניקראת עיצוב אלומה והיא שימושית בתחומי מחקר ותעשייה המתעסקים בהקרנה ואף פיצול של אינפורמציה המאופננת על גל נושא אופטי, למספר מקומות במרחב לצרכי עיבוד.
פרופסור זאב זלבסקי מזמין את כל המתעניינים להירשם לכנס אואזיס של תעשיית האלקטרו אופטיקה שיתקיים בתאריכים 20 - 19 לפברואר במלון דויד אינטר קונטיננטל על חוף הים בתל אביב. פרטים נוספים אפשר למצוא באתר הכנס www.oasis4.org.il
אחת הנגזרות של תחום זה הינה השימוש במבנים תת מיקרוניים מיוחדים המיוצרים על פני שטח של עדשות מגע, או עדשות קטקרט לצרכי פיתרון של בעיות פרסביופיה (חוסר היכולת של העין לשנות את אורך המוקד של עדשת העין). שימוש זה מספק פתרון לבעיות ראיה שונות, ברכיבים המתאפינים בדקות וגמישות המתאימים מאוד לשימוש אופטלמי.
רכיבים ננו פוטוניים - פוטוניקת סיליקון ופלזמוניקה
תחום המיקרו אלקטרוניקה עומד בפני קושי בהגדלת קצת העיבוד ומספר המעבדים ליחידת שטח בשבב הסיליקון. ככל שכמות הרכיבים גדלה, נוצרים ביניהם רעשים, ויש בעיית פיזור חום מתגברת. המשך הגדלת קצב העיבוד גם היא בעייתית, כוון שאז התנגדות קוי ההולכה בשבב גדלה והמעגל החשמלי איננו מהווה יותר מעגל מקובץ. עובדה המשפיעה על מיקום כל רכיב במעגל, ועל איך מתכננים את המוליכים החשמליים בין הרכיבים בשבב שכעת הופכים להיות קויי תימסורת של ממש.
פוטוניקה יכולה לפתור את הבעיות שהוזכרו להלן, ומושקע כעת מאמץ רב בפיתוח שבבי סיליקון אינטגרליים הכוללים בו זמנית גם רכיבי מיקרו אלקטרוניקה וגם רכיבים פוטוניים שהם אבני בניין של כל מיקרו מעבד. דהינו, מאפננים ושערים לוגיים. כמו כן, מושקע מאמץ מחקרי רב בפיתוח מקורות לייזר על שבבי הסיליקון כדי לאפשר הפעלה של אבני הבניין מהם עשויים מעגלי עיבוד מתוחכמים יותר.
התחום של פיתוח רכיבים פוטוניים בשבבי סיליקון לצד רכיבי המיקרו אלקטרוניקה ניקרא פוטוניקת סיליקון. הבעיה המרכזית בתחום זה, היא שאורך הגל עימו עובדים בתוך סיליקון הינו כ 430 ננו-מטר מה שגורם לכך שהרכיבים הפוטוניים יחסית גדולים למקבילה המיקרו אלקטרונית שלהם.
תחום חדש שמתפתח ניקרא פלזמוניקה, ובו מצליחים לייצר גלי פני שטח במגע בין מתכת לחומר דיאלקטרי (מבודד) המעוררים על ידי אור והם בעלי ממדים אופייניים ואורך גל אופיני הקטן בהרבה מהמימדים שהוזכרו קודם. ערור גלים פלזמוניים אלו נעשה בעזרת מעבר אור דרך ננו אנטנות מיוחדות המיוצרות על אותו שבב הסליקון עצמו.
ננו פטוניקה בביו רפואה
תחום הביו רפואה הינו תחום מאוד חשוב בעל השפעה רבה על תחומי חיים רבים. בזכות ההתפתחויות הטכנולוגיות והמדעיות האחרונות, פותחו שיטות המאפשרות ניתור של פרמטרים ביו רפואיים ללא מגע תוך שימוש במסכות קידוד מרחביות ננו-פוטוניות. כמו כן, פותחו גם סיבים מיוחדים בעלי ליבות תת מקרוניות רבות המשמשים כאנדוסקופים היכולים להיכנס לתוך הגוף של הפציינט בפולשניות מועטה ולבצע דימות מתוך הגוף, וגם פעולות רפואיות טיפוליות בסיסיות.
על ידי שילוב של ננו-חלקיקים, מאפשרות היכולות האחרונות גילוי וטיפול ברקמות סרטניות בשלבים מוקדמים של המחלה, תוך מציאת גבולות ברורים לגידול או גילוי של מוצטיות גנטיות בדנ"א בצורה מהירה וזולה.
מימוש שבב-מעבדה, רכיב שבבי המכיל בתוכו יכולת לדיאגנוסטיקה רפואית למחלות שונות, הינו פופולרי מאוד בהרבה מוסדות מחקריים. לאחרונה, יש מאמץ לפיתוח שבב כזה לצורך גילוי מוקדם של מחלת המלריה. שבבים אלו עובדים באופן בו הפציינט שם טיפת דם על השבב, וכאשר הטיפה מעובדת על ידי הננו-חיישנים הנמצאים עליו, התוצאה של הדיאגנוסטיקה נימסרת לפציינט בזמן אמת.
התקנים פנים סיביים
לרובינו, הסיבים האופטיים ידועים כתווך להובלת מידע רחב סרט למרחקים גדולים. אולם, לאחרונה התפתחו סיבים מסוג אחר שמטרתם הינה לא הובלת המידע, אלא עיבוד המידע האופטי או חישה (כדוגמה של חום ומעוותים חיצוניים) או כדרך ליצירת מקורות אור מיוחדים ורחבי סרט בתוך הסיב.
התפתחות זו נעוצה ביכולת החדשה לייצור סיבים מיוחדים בעלי מבנה חתך שונה, הכולל מספר ליבות ומספר חורים או מבנים בעלי מקדם שבירה שונה ובעלי מחזוריות רדיאלית ו/או זויתית. שטח החתך של סיבים אלו דומה לכוורת של דבורים והם ניקראים Photonic Crystal Fibers. לאחרונה תחום זה התפתח מאוד ואיפשר מימוש בתוך הסיב של לייזרים, סנסורים, מקורות תאורה צבעוניים ומודולטורים של מידע.
הכותב הוא פרופסור מן המניין בפקולטה להנדסה ומרכז הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת בר-אילן
