كيف تعيد عاكسات براج الموزعة تشكيل التحكم في الضوء: العلم والتكنولوجيا والأثر المستقبلي للهياكل الانعكاسية المهندسة (2025)

مقدمة في عاكسات براج الموزعة (DBRs)
الفيزياء الأساسية: كيف تتلاعب DBRs بالضوء
المواد وتقنيات التصنيع الخاصة بـ DBRs
التطبيقات الرئيسية في علم البصريات والإلكترونيات الضوئية
DBRs في الليزرات شبه الموصلة ودودات الليزر (LEDs)
معايير الأداء: الانعكاسية، عرض النطاق الترددي، والاستقرار
اتجاهات جديدة: DBRs في الفوتونيك الكمومية والمدمجة
نمو السوق والاهتمام العام: توقعات 2024-2030
اللاعبون الرئيسيون في الصناعة والمؤسسات البحثية
رؤية مستقبلية: الابتكارات والتطبيقات المتوسعة
المصادر والمراجع

مقدمة في عاكسات براج الموزعة (DBRs)

عاكس براج الموزع (DBR) هو هيكل بصري مصنوع بدقة يتكون من طبقات متناوبة من مواد تتمتع بمعامل انكسار مختلف. عادةً ما يتم ترتيب هذه الطبقات بطريقة دورية، بحيث يتم التحكم بدقة في سمك كل طبقة ليكون ربع الطول الموجي للضوء المستهدف. تتيح هذه البنية التداخل الباني للضوء المنعكس عند أطوال موجية معينة، مما يؤدي إلى انعكاسية عالية على مدى طيفي ضيق. تعتبر DBRs مكونات أساسية في مجموعة متنوعة من الأجهزة الضوئية والإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك ليزرات سطحية ذات حجرة عمودية (VCSELs)، ومصابيح ديود موصلة (RCLEDs)، ومرشحات بصرية.

مبدأ عمل DBRs يعتمد على قانون براج، الذي يصف الظروف اللازمة للتداخل الباني للضوء الذي ينعكس من الهياكل الدورية. عندما يواجه الضوء واجهة بين مادتين ذات معامل انكسار مختلف، يتم عكس جزء من الضوء. من خلال تكديس عدة واجهات شبيهة، يمكن أن تتجمع الموجات المنعكسة من كل واجهة بطريقة بناءة عند أطوال موجية معينة، مما يعزز الانعكاسية العامة بشكل كبير. عدد أزواج الطبقات والتباين في معاملات الانكسار بين المواد يحددون الانعكاسية وعرض النطاق الترددي للـ DBR.

يتم تصنيع DBRs باستخدام تقنيات الإيداع الرقيق المتقدمة مثل ترسيب شعاعي جزيئي (MBE) وترسيب بخار كيميائي عضوي معدني (MOCVD)، والتي تسمح بالتحكم على مستوى الذرات في سمك الطبقات وتكوينها. يتم استخدام هذه الطرق على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات لإنتاج DBRs عالية الجودة من أجل التكامل في الأجهزة التي تعمل في نطاقات الطيف المرئي، والأشعة تحت الحمراء، وحتى الأشعة فوق البنفسجية. يعتمد اختيار المواد لـ DBRs على التطبيق والطول الموجي العملي المرغوب؛ تشمل أنظمة المواد الشائعة GaAs/AlAs للتطبيقات القريبة من الأشعة تحت الحمراء وSiO₂/TiO₂ للضوء المرئي.

تلعب DBRs دوراً حيوياً في الفوتونيك الحديثة من خلال تسهيل حصر الضوء بكفاءة، وتحديد الأطوال الموجية، والانعكاس منخفض الفقد. تجعل خصائصها الضوئية الدقيقة منها ضرورية في الاتصالات السلكية واللاسلكية، وتكنولوجيا الليزر، وتطبيقات الاستشعار. تنشر منظمات مثل أوبيكتا (Optica) ( المعروفة سابقًا باسم OSA) ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) بانتظام أبحاثًا ومعايير تتعلق بتصميم وتصنيع وتطبيق DBRs، مما يعكس أهميتها المستمرة في تطوير العلم والتكنولوجيا الضوئية.

الفيزياء الأساسية: كيف تتلاعب DBRs بالضوء

عاكس براج الموزع (DBR) هو هيكل دوري يتكون من طبقات متناوبة من مواد ذات معاملات انكسار مختلفة. تستند الفيزياء الأساسية وراء DBRs على مبدأ التداخل الباني والمدمّر لموجات الضوء عند الواجهات بين هذه الطبقات. عندما يواجه الضوء DBR، تقوم كل واجهة بعكس ونقل جزء من الموجة الساقطة. إذا كانت السماكة الضوئية لكل طبقة تساوي بدقة ربع الطول الموجي المستهدف (λ/4)، فإن الموجات المنعكسة من الواجهات المتعاقبة تتجمع بشكل بناء لذلك الطول الموجي، مما يؤدي إلى انعكاسية عالية ضمن نطاق طيفي محدد يعرف باسم نطاق التوقف أو الفجوة البصرية.

تأتي الانعكاسية العالية لـ DBRs من تراكب الموجات المنعكسة بشكل متماسك. بالنسبة لـ DBR المصمم لطول موجي مركزي λ₀، يتم تعيين السماكة الضوئية (n·d) لكل طبقة إلى λ₀/4، حيث n هو معامل الانكسار وd هو السماكة الفعلية. تضمن هذه البنية أن فرق الطور بين الانعكاسات من الواجهات المجاورة هو 180 درجة، مما يؤدي إلى تعزيز الموجات المنعكسة لبعضها البعض. بالمقابل، تتعرض الأطوال الموجية خارج نطاق التوقف للتداخل المدمر، مما يسمح لها بالانتقال عبر الهيكل مع الحد الأدنى من الانعكاس.

يعتمد عرض وموقع نطاق التوقف على تباين معامل الانكسار بين الطبقات المتناوبة وعدد أزواج الطبقات. يزيد تباين معامل الانكسار الأعلى وعدد أكبر من الدورات من الانعكاسية ويوسع نطاق التوقف. مما يجعل DBRs قابلة للتعديل للغاية لتطبيقات بصرية محددة، مثل المرايا في أسطوانات الليزر ذات الحجرة العمودية (VCSELs) ومرشحات الطول الموجي وأحجام الأبعاد البصرية.

تعتبر DBRs مكونًا رئيسيًا في الفوتونيك الحديثة والإلكترونيات الضوئية. يتم استغلال قدرتها على التحكم في الضوء بدقة في أجهزة تتراوح بين ليزرات أشباه الموصلات إلى خلايا شمسية وهياكل آبار الكم. ترتبط الفيزياء الأساسية بشكل وثيق بمفهوم البلورات البصرية، حيث يخلق التعديل الدوري لمعامل الانكسار نطاقات طاقة مسموح بها ومحظورة للفوتونات، مثل الهياكل الإلكترونية في أشباه الموصلات. هذه الفجوة البصرية هي مركزية لعمل DBRs، مما يمكّنها من التحكم في انتشار الضوء على نطاق النانو.

تجرى الأبحاث والتطوير حول DBRs من قبل منظمات علمية رائدة ولاعبين في الصناعة، بما في ذلك Optica (المعروفة سابقًا باسم OSA) وجمعية الفيزياء الأمريكية، التي توفر أبحاث أساسية ومعايير في البصريات والفوتونيك. تسهم هذه المنظمات في تطوير تكنولوجيا DBR من خلال المؤتمرات والمنشورات ومبادرات البحث التعاوني.

المواد وتقنيات التصنيع الخاصة بـ DBRs

تعتبر عاكسات براج الموزعة (DBRs) هياكل متعددة الطبقات دورية تتكون من مواد متناوبة ذات معاملات انكسار متباينة. تعتمد أداء DBR—انعكاسها، عرض نطاقها، ونطاق الطول الموجي العملي—بشكل حاسم على اختيار المواد ودقة تقنيات التصنيع. المواد الأكثر شيوعًا المستخدمة في DBRs هي المركبات العازلة أو شبه الموصلة، التي تم اختيارها بسبب شفافيتها الضوئية، وفرق معامل الانكسار، وملاءمتها لتكامل الأجهزة.

في نطاقات الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، تستخدم DBRs العازلة غالبًا أزواجًا مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂، منخفض المعامل) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂، عالي المعامل)، أو نيتريد السيليكون (Si₃N₄) كطبقة ذات معامل عالٍ. تفضل هذه المواد بسبب انخفاض الامتصاص الضوئي وارتفاع درجات التحمل الضرر. بالنسبة لـ DBRs المبنية على أشباه الموصلات، خصوصاً في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل ليزرات سطحية ذات حجرة عمودية (VCSELs)، تشمل أنظمة المواد الشائعة طبقات متناوبة من زرنيخ الغاليوم (GaAs) وزرنيخ الألمنيوم (AlAs)، أو الفوسفيد الإنديوم (InP) وفوسفيد القصدير الغاليوم (InGaAsP). يتم مطابقة هذه التركيبات شبكيًا لتقليل العيوب وتكون ملائمة للنمو البلوري على ركائز قياسية، وهو أمر ضروري للأجهزة الضوئية عالية الأداء (Optica).

يتطلب تصنيع DBRs سيطرة دقيقة على سمك الطبقات وجودة الواجهة، حيث يمكن أن تؤدي التغييرات إلى ضعف كبير في الانعكاسية. يتم استخدام عدة تقنيات إيداع، كل منها لها مزايا مميزة. تُستخدم طرق الإيداع بالبخار الفيزيائي (PVD)، مثل التبخر بواسطة شعاع الإلكترون والتفجير، على نطاق واسع لـ DBRs العازلة بسبب قدرتها على إيداع أفلام موحدة وعالية النقاء. تُستخدم أيضًا تقنيات الإيداع الكيميائي بالبخار (CVD) وCVD المتزايد بالبلازما (PECVD)، خصوصاً للمواد القائمة على السيليكون، مما يقدم تغطية خطوة ممتازة وتوافق.

بالنسبة لـ DBRs شبه الموصلة، فإن ترسيب شعاعي جزيئي (MBE) وترسيب بخار كيميائي معدني عضوي (MOCVD) هما التقنيتان السائدتان. يوفر MBE دقة على مستوى الذرات وهو مثالي للبحث والأجهزة عالية الأداء، بينما MOCVD مفضلة للإنتاج على نطاق واسع بسبب قدرتها الإنتاجية العالية. تتيح كلا الطريقتين نمو واجهات حادة وبدون عيوب، وهو أمر حاسم لتحقيق الانعكاسية العالية وفقدان بصري منخفض المطلوب في التطبيقات الضوئية المتقدمة (جمعية الفيزياء الأمريكية).

أدت التطورات الأخيرة في علم المواد إلى إدخال مواد جديدة مثل الأكاسيد واسعة النطاق ومواد ثنائية الأبعاد لتطبيقات DBR المتخصصة، بما في ذلك العواكس فوق البنفسجية والمتوسطة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التكامل مع منصات الفوتونيك السيليكونية يدفع تطوير عمليات تصنيع DBR المتوافقة مع CMOS، مما يوسع نطاق التطبيقات في الاتصالات وتكنولوجيا الكم (IEEE).

التطبيقات الرئيسية في علم البصريات والإلكترونيات الضوئية

تعتبر عاكسات براج الموزعة (DBRs) مكونات أساسية في الفوتونيك الحديثة والإلكترونيات الضوئية، وذلك بفضل قدرتها على توفير انعكاس محدد بشكل كبير لأطوال موجية محددة من خلال هياكل طبقات عازلة أو شبه موصلة دورية. لقد enabled خصائصها البصرية الفريدة مجموعة واسعة من التطبيقات عبر مجالات مختلفة.

واحد من الاستخدامات الرئيسية لـ DBRs هو في ليزرات سطحية ذات حجرة عمودية (VCSELs). في هذه الأجهزة، تعمل DBRs كمرايا انعكاسية عالية تشكل حجر الزاوية لأسطوانة الليزر، مما يتيح انبعاث الضوء بكفاءة عمودية على سطح الرقاقة. التحكم الدقيق في الانعكاسية وعرض نطاق التوقف الذي توفره DBRs هو أمر بالغ الأهمية لتحقيق تيارات حد أدنى عالية وقوة إخراج مرتفعة في VCSELs، التي يتم استخدامها على نطاق واسع في الاتصالات البيانات، والاستشعار، وتطبيقات التصوير ثلاثي الأبعاد. وثقت منظمات مثل III-Vs Review وOptica (المعروفة سابقًا باسم OSA) الدور المركزي لـ DBRs في دفع تقدم تكنولوجيا VCSEL.

تعتبر DBRs أيضًا عنصرًا أساسيًا في تصميم كاشفات الضوء عالية الأداء ودودات الليزر (LEDs). في كاشفات الضوء، يمكن استخدام DBRs لتحسين الكفاءة الكمية من خلال عكس الفوتونات غير الممتصة مرة أخرى إلى المنطقة النشطة، مما يزيد من احتمال امتصاص الفوتون. في LEDs، تُستخدم DBRs لتحسين كفاءة استخراج الضوء من خلال عكس الفوتونات المولدة داخليًا نحو سطح الجهاز. هذا النهج مهم بشكل خاص في micro-LEDs وغيرها من تقنيات العرض المتقدمة، كما أظهرت الأبحاث من IEEE وSPIE، وهما منظمتان رائدتان في الإلكترونيات والفوتونيك.

منطقة تطبيق رئيسية أخرى هي في المرشحات البصرية والأجهزة المحددة الطول الموجي. تُستخدم DBRs لبناء مرشحات ضيئة وعريضة النطاق، والتي تكون أساسية في أنظمة تقسيم الطول الموجي (WDM) للاتصالات بالألياف الضوئية. تتيح قدرتها على توفير انتقائية طيفية حادة وفقدان إدراج منخفض أن تجعلها مثالية لمزج وفصل الإشارات الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام DBRs في تصنيع الأجهزة الضوئية المعززة للحجرة الرنانة، مثل المودولات وكاشفات الاستشعار، حيث يتطلب التحكم الدقيق في شروط الرنين.

بعيدًا عن الاتصالات والإضاءة، يتم استخدام DBRs بشكل متزايد في مجالات ناشئة مثل الفوتونيك الكمومية والدورات الضوئية المدمجة. تتيح ملاءمتها لعمليات تصنيع أشباه الموصلات لتحقيق التكامل الأحادي مع مكونات ضوئية أخرى، مما يمهد الطريق لأنظمة فوتونية مدمجة وعالية الأداء. مع استمرار الأبحاث والتطوير، تضمن تعددية وفعالية DBRs أهميتها المستمرة في تطور الفوتونيك والإلكترونيات الضوئية.

DBRs في ليزرات شبه الموصلات ودودات الليزر (LEDs)

تعتبر عاكسات براج الموزعة (DBRs) مكونات حيوية في تصميم وتشغيل ليزرات شبه الموصلات ودودات الليزر (LEDs). يتكون DBR من عدة طبقات متناوبة من مواد ذات معاملات انكسار مختلفة، والتي يتم تصنيعها عادةً باستخدام تقنيات النمو البلوري مثل ترسيب شعاعي جزيئي (MBE) أو ترسيب بخار كيميائي معدني عضوي (MOCVD). يتم التحكم بدقة في سمك كل طبقة، عادةً إلى ربع الطول الموجي المستهدف، مما يؤدي إلى تداخل بناء لأطوال موجية محددة وبالتالي انعكاسية عالية عند تلك الأطوال.

في ليزرات نصف الموصل، مثل الليزرات ذات حجرة عمودية (VCSELs) والليزرات ذات الحافة، تعمل DBRs كمرايا عالية الكفاءة تحدد الحجرة الضوئية. تعتبر الانعكاسية العالية التي توفرها DBRs (غالبًا ما تتجاوز 99%) أمرًا أساسيًا لتحقيق التغذية الضوئية اللازمة للعمل الليزري، خاصة في VCSELs حيث تكون كل من المرايا العليا والسفلى عادة ما تكون DBRs. يؤدي استخدام DBRs إلى انخفاض التيارات الحدية، والطاقة الخارجة العالية، وانتقائية الطول الموجي، وهي أمور حيوية لتطبيقات الاتصالات الضوئية، والاستشعار، ومراكز البيانات. على سبيل المثال، في VCSELs القائمة على GaAs، يتم استخدام طبقات متناوبة من AlAs وGaAs عادةً لتشكيل هيكل DBR، واستغلال التباين الكبير في معامل الانكسار بين هذه المواد لتعظيم الانعكاسية مع عدد مناسب من أزواج الطبقات.

في LEDs، يتم استخدام DBRs لتعزيز كفاءة استخراج الضوء. من خلال عكس الفوتونات التي كانت ستفقد نتيجة لامتصاص الركيزة أو الهروب عند زوايا غير مثالية، تزيد DBRs من نسبة الضوء المتولد الذي يخرج من الجهاز في الاتجاه المرغوب. هذا مهم بشكل خاص في LEDs عالية السطوع وفي الأجهزة حيث تكون الانبعاثات الاتجاهية مطلوبة، مثل في إضاءة خلفية العرض أو إضاءة السيارات. يمكن أن تمكن دمج DBRs في LEDs أيضًا من تحقيق LEDs محصورة داخل حجم resonance (RCLEDs)، التي تظهر نقاء طيفي أفضل واتجاهاً مقارنةً بالـ LEDs التقليدية.

يتطلب تصميم وتصنيع DBRs اهتماماً دقيقاً بتوافق المواد، ومعاملات التمدد الحراري، وجودة الواجهات لضمان موثوقية وأداء الجهاز. ساهمت المؤسسات البحثية الرائدة ومصنعي أشباه الموصلات، مثل imec وOSRAM، بشكل كبير في تطوير وتحسين هياكل DBR لكل من الليزر وLEDs. تركز هذه المنظمات على تعزيز تقنيات النمو البلوري، واستكشاف أنظمة مواد جديدة، وتحسين تكامل DBRs مع مكونات ضوئية أخرى لتلبية المتطلبات المتطورة لتطبيقات الإلكترونيات الضوئية.

معايير الأداء: الانعكاسية، عرض النطاق الترددي، والاستقرار

تعتبر عاكسات براج الموزعة (DBRs) مكونات ضوئية حيوية تُستخدم على نطاق واسع في الليزرات والأجهزة الضوئية والاتصالات بفضل قدرتها على عكس أطوال موجية محددة بكفاءة عالية. يتميز أداء DBR بشكل رئيسي بثلاثة معايير رئيسية: الانعكاسية، عرض النطاق، والاستقرار.

الانعكاسية هي أكثر معايير الأداء الأساسية بالنسبة لـ DBR. إنها تعبر عن نسبة الضوء الساقط الذي يتم عكسه بواسطة الهيكل عند طول موجي مستهدف. يتم تحقيق انعكاسية عالية، غالبًا ما تتجاوز 99%، من خلال تكديس طبقات متناوبة من المواد ذات معاملات انكسار متباينة، كل منها بسمك ضوئي يعادل ربع الطول الموجي المصمم. إن عدد أزواج الطبقات والتباين في معامل الانكسار يؤثران بشكل مباشر على الانعكاسية القصوى القابلة للتحقيق. على سبيل المثال، تعتبر DBRs جزءًا لا يتجزأ من تشغيل ليزرات سطحية ذات حجرة عمودية (VCSELs)، حيث تعتبر المرايا ذات الانعكاسية العالية ضرورية لعملية الليزر الفعالة. تلعب منظمات مثل OSRAM وCoherent دورًا بارزًا في تطوير وتصنيع الأجهزة القائمة على DBR، مستفيدين من تقنيات الإيداع المادي المتطورة لتحسين الانعكاسية.

عرض النطاق يشير إلى النطاق الطيفي الذي تحافظ فيه DBR على انعكاسية عالية. يتحدد عرض النطاق بتباين معامل الانكسار بين الطبقات المتناوبة وعدد أزواج الطبقات. يؤدي ارتفاع تباين معامل الانكسار وعدد أكبر من الأزواج إلى توسيع نطاق التوقف، مما يسمح لـ DBR بعكس نطاق أوسع من الأطوال الموجية. تعتبر هذه الخاصية حيوية في تطبيقات مثل مرشحات محددة الطول الموجي والليزرات القابلة للتعديل، حيث يتطلب التحكم الدقيق في الطيف المنعكس. ساهمت المؤسسات البحثية ورواد الصناعة، بما في ذلك المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، في فهم وقياس عرض نطاق DBR، مما يضمن أداءً موثوقًا في أنظمة الفوتونيك المت demanding.

الاستقرار يشمل كلا من القوة البدنية والبصرية لـ DBR على مر الزمن وتحت ظروف بيئية متغيرة. يؤثر الاستقرار على عوامل مثل التمدد الحراري، وتداخل المواد، والضغط الميكانيكي. يتم استخدام عمليات التصنيع عالية الجودة، مثل الترسيب الشعاعي الجزيئي (MBE) وترسيب بخار كيميائي عضوي معدني (MOCVD)، لضمان الاستقرار طويل الأمد لـ DBRs، خاصة في التطبيقات الحساسة للحرارة أو عالية الطاقة. تقدم Optica (المعروفة سابقًا باسم الجمعية الأمريكية للبصريات) معايير وإرشادات لتوصيف واختبار استقرار DBR، مما يدعم تطوير الأجهزة الضوئية الموثوقة.

باختصار، يتم تعريف أداء عاكسات براج الموزعة من خلال انعكاسها، وعرض النطاق، والاستقرار، كل منها أمر حاسم لتكاملها في النظم البصرية والفوتونية الحديثة. تواصل التطورات المستمرة في علم المواد وتقنيات التصنيع تعزيز هذه المعايير، مما يتيح تطبيقات جديدة وتحسين أداء الأجهزة.

اتجاهات جديدة: DBRs في الفوتونيك الكمومية والمدمجة

تعتبر عاكسات براج الموزعة (DBRs) هياكل متعددة الطبقات تتكون من مواد متناوبة ذات معاملات انكسار مختلفة، مهيّأة لعكس أطوال موجية محددة من الضوء من خلال التداخل البناء. في السنوات الأخيرة، أصبحت DBRs محورية في تقدم الفوتونيك الكمومية والمدمجة، وهي مجالات تتطور بسرعة كالتقنيات الأساسية للحوسبة الكمومية، والاتصالات الآمنة، والدورات الضوئية من الجيل التالي.

تتمثل إحدى الاتجاهات الناشئة الرئيسية في تكامل DBRs مع الأجهزة الضوئية الكمومية، حيث تعمل كمرايا عالية الانعكاسية في الحُجرات الصغيرة والمُرعِشات. تعتبر هذه الهياكل ضرورية لتعزيز التفاعلات بين الضوء والمادة، وهو مطلب حاسم للحصول على مصادر فوتونات أحادية فعالة ومُنبعثات كمومية. على سبيل المثال، يتم استخدام DBRs في ليزرات السطح العمودية (VCSELs) وكرات الكم النانوية، مما يمكن من التحكم الدقيق في انبعاث الفوتونات وجمعها. هذه القدرة حيوية لمعالجة المعلومات الكمومية القابلة للتوسع ونظم توزيع مفاتيح الكم، كما يتضح في التعاون البحثي بين مؤسسات رائدة مثل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

في الفوتونيك المدمجة، يتم تصنيع DBRs بشكل متزايد باستخدام مواد متقدمة مثل السيليكون، وأشباه الموصلات من الفئة III-V، وحتى المواد ثنائية الأبعاد. يسمح توافقها مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات المستقرة بالتكامل الأحادي مع مكونات ضوئية أخرى، مثل الموجات المثيرة، والمودولات، والكاشفات. هذا التكامل ضروري لتطوير دوائر فوتونية مدمجة، منخفضة الفقد، وكفاءة الطاقة، والتي تتصدر خريطة طريق المنظمات مثل EUROPRACTICE وimec، واللتين تدعمان الأبحاث والنماذج الأولية في الدوائر الضوئية المدمجة.

اتجاه بارز آخر هو استخدام DBRs في أنظمة الكم الهجينة، حيث تسهل الربط القوي بين الفوتونات والكيوبتات القابلة للثبات، مثل مراكز الألوان في الماس أو العيوب في كربيد السيليكون. يعتبر هذا الربط القوي ضروريًا لتحقيق الشبكات الكمومية وهياكل الحوسبة الكمومية الموزعة. علاوة على ذلك، فإن تطوير DBRs القابلة للتعديل وإعادة التشكيل—باستخدام مواد تمتلك خصائص الكهروضوئية أو الحرارية—يتيح التحكم الديناميكي في الأجهزة الضوئية، وهي ميزة يزداد الطلب عليها في المعالجات الكمومية القابلة للبرمجة.

مع استمرار تقارب الفوتونيك الكمومية والمضغوطة، من المتوقع أن يتوسع دور DBRs، مدفوعًا بالأبحاث المستمرة في المختبرات الكبرى والنظام البيئي المتنامي للمصانع الضوئية. ستكون الاستمرار في تحسين تقنيات التصنيع والتكامل لDBR أساسية لتلبية المتطلبات الصارمة للأداء في تقنيات الكم المستقبلية.

نمو السوق والاهتمام العام: توقعات 2024-2030

من المتوقع أن يكون سوق عاكسات براج الموزعة (DBRs) في نمو كبير بين عامي 2024 و2030، مدفوعًا بتوسع التطبيقات في الإلكترونيات الضوئية، والاتصالات، والفوتونيك. إن DBRs، التي تعد هياكل دورية تتكون من طبقات متناوبة من مواد ذات معاملات انكسار متباينة، هي مكونات أساسية في أجهزة مثل ليزرات سطحية ذات حجرة عمودية (VCSELs)، ودودات الليزر (LEDs)، ومرشحات بصرية. لقد جعلت قدرتها على عكس الأطوال الموجية المحددة بكفاءة عالية منها ضرورة في كل من الإعدادات التجارية والبحثية.

في عام 2025، من المتوقع أن يتسارع الطلب على DBRs، خاصة بسبب انتشار الشبكات البصرية عالية السرعة والانتقال المستمر إلى 5G وما بعدها. يعتمد قطاع الاتصالات بشكل كبير على DBRs لمرايا ومرشحات محددة الطول الموجي، وهي ضرورية لأنظمة تقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM). قدّمت منظمات مثل الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU)، التي تحدد المعايير العالمية لتقنيات المعلومات والاتصالات، أهمية المواد الضوئية المتقدمة في دعم بنى الشبكة من الجيل التالي.

تعتبر صناعة الإلكترونيات الضوئية دافعًا رئيسيًا آخر، حيث تلعب DBRs دورًا مركزيًا في أداء VCSELs المستخدمة في مراكز البيانات، والتعرف على الوجوه، وأنظمة LiDAR السيارات. كانت Optica (المعروفة سابقًا باسم OSA)، وهي جمعية علمية رائدة في البصريات والفوتونيك، تنشر بانتظام أبحاثًا تؤكد تقدم وتزايد الاعتماد على الأجهزة القائمة على DBR في هذه المجالات. بالإضافة إلى ذلك، فإن الدفع نحو أجهزة ضوئية أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة ومصغرة في الإلكترونيات الاستهلاكية يعزز الابتكار في تصميم وتصنيع DBR.

يتزايد أيضًا اهتمام الجمهور بDBRs، حيث يتم إبراز هذه الهياكل بشكل متزايد في التقنيات الناشئة مثل الحوسبة الكمومية، والاستشعار البيولوجي، والتصوير الطبي المتقدم. تستثمر المؤسسات البحثية ورواد الصناعة في تطوير مواد DBR جديدة، بما في ذلك التركيبات شبه الموصلة والعازلة، لتعزيز الانعكاسية وعرض النطاق والثبات الحراري. وثقت معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، وهو هيئة عالمية في الإلكترونيات والهندسة، الدور المتزايد لـ DBRs في تمكين الاختراقات عبر مجالات علمية متعددة.

بشكل عام، من المتوقع أن يشهد الفترة من 2024 إلى 2030 نموًا قويًا للسوق لعاكسات براج الموزعة، مدعومة بالتقدم التكنولوجي، وزيادة الاستثمار، وتوسيع مجالات التطبيقات. بينما تستمر الصناعات في إعطاء الأولوية لمكونات بصرية عالية الأداء، من المقرر أن تظل DBRs في مقدمة الابتكار في الفوتونيك والإلكترونيات الضوئية.

اللاعبون الرئيسيون في الصناعة والمؤسسات البحثية

تعتبر عاكسات براج الموزعة (DBRs) مكونات حيوية في الفوتونيك الحديثة، والإلكترونيات الضوئية، وأجهزة أشباه الموصلات، حيث تعمل كمرايا عالية الكفاءة لمدى أطوال موجية محددة. يتطلب تطوير وتسويق DBRs مزيجًا من علوم المواد المتقدمة، والتصنيع الدقيق، والتصميم المبتكر، مع القيادة من كل من الصناعة والمؤسسات البحثية في جميع أنحاء العالم.

من بين أبرز اللاعبين في الصناعة، تبرز OSRAM كزعيم عالمي في مكونات الإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك DBRs لأجهزة LED ليزر عالية الأداء. تمكّن خبرة OSRAM في النمو البلوري والإيداع الرقيق من إنتاج DBRs بانعكاسية دقيقة وسمات طيفية، وهذه الأمور ضرورية للتطبيقات في الإضاءة والتكنولوجيا السيارات والاستشعار. لاعب رئيسي آخر، Coherent، تشتهر بحلول الفوتونيك المتقدمة، بما في ذلك أنظمة الليزر المبنية على DBR المستخدمة في الاتصالات، والأجهزة الطبية، والتطبيقات الصناعية. يسمح التصنيع المتكامل رأسيًا في Coherent بالتحكم الدقيق في سمك وموحد الطبقات في الDBRs، مما يضمن موثوقية عالية للأجهزة.

في قطاع أشباه الموصلات، تستفيد Infineon Technologies من هياكل DBR في أجهزتها الإلكترونية الضوئية والطاقة، خاصة بالنسبة للـ VCSELs ذات الكفاءة العالية. يركز البحث والتطوير في Infineon على دمج DBRs مع تقنيات أشباه الموصلات الأخرى لتعزيز أداء الأجهزة وكفاءتها في استهلاك الطاقة. بالمثل، تستفيد Nichia Corporation، الرائدة في تكنولوجيا LED، من DBRs لتحسين استخراج الضوء ونقاء الألوان في منتجات LED المتقدمة.

من الناحية البحثية، تعتبر العديد من المؤسسات في طليعة الابتكار في DBR. تجري معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أبحاثاً متقدمة حول مواد DBR الجديدة، مثل البلورات البصرية والهياكل العضوية غير العضوية الهجينة، بهدف توسيع عرض نطاق التشغيل وقدرة التعديل لـ DBRs. في أوروبا، يتعاون المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (CNRS) مع الجامعات والصناعة لتطوير DBRs من أجل ليزرات جيل جديد والفوتونيك الكمومية. يُعرف معهد RIKEN في اليابان أيضًا بعمله على DBRs النانوية، مع التركيز على التطبيقات في المعلومات الكمومية والدوائر الضوئية المدمجة.

تستمر هذه المؤسسات، من خلال استثمارات مستدامة في البحث والتطوير والتصنيع، في دفع تقدم تكنولوجيا DBR، مما يمكّن من تطوير تطبيقات جديدة في الاتصالات، والاستشعار، والتكنولوجيا الكمومية. تضمن جهودهم التعاونية مع الشركاء الأكاديميين والصناعيين أن تظل DBRs في صميم الابتكار البصري في عام 2025 وما بعده.

رؤية مستقبلية: الابتكارات والتطبيقات المتوسعة

مع إطلالة على عام 2025، يتميز مستقبل عاكسات براج الموزعة (DBRs) بالابتكار السريع والتطبيقات المتوسعة عبر الفوتونيك، والإلكترونيات الضوئية، وتقنيات الكم. إن DBRs، التي هي هياكل دورية مكونة من طبقات متناوبة ذات معاملات انكسار مختلفة، كانت ضرورية لفترة طويلة بسبب انعكاسها العالي وانتقائية الطول الموجي. مع تقدم تقنيات التصنيع، تتحسن الدقة وقابلية التوسع في إنتاج DBR، مما يمكّن من إنشاء هياكل أجهزة جديدة وتحسين الأداء.

تعتبر واحدة من أكثر مجالات الابتكار وعدًا هي تكامل DBRs مع مواد نصف موصلة جديدة، مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC). تعتبر هذه المواد حيوية لأجهزة الإلكترونيات الضوئية عالية الطاقة وعالية التردد، بما في ذلك ليزرات السطح العمودية (VCSELs) القادمة وmicro-LEDs. تمكّن تصميمات DBR المحسنة من استخراج الضوء بكفاءة أكبر وإدارة حرارية، مما يعد ضروريًا لتصغير وتكوين هذه الأجهزة. تنشط منظمات مثل OSRAM وCree, Inc. في تطوير حلول قائمة على DBR لتقنيات الإضاءة والعرض المتقدمة.

في الفوتونيك الكمومية، يتم تصميم DBRs على مستوى النانو لإنشاء حُجرات بصرية عالية الجودة ومرايا لمصادر الفوتونات الفردية وليزرات الكور الكمومية. تعتبر هذه المكونات أساسية لنظم الاتصالات والحوسبة الكمومية، حيث يتطلب الأمر التحكم الدقيق في انبعاث الفوتونات وانتشارها. تستكشف المؤسسات البحثية ورواد الصناعة، بما في ذلك IBM والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، تكوينات DBR جديدة لتحسين أداء الأجهزة الكمومية.

تتمثل إحدى التطبيقات المتوسعة الأخرى في مجالي الاستشعار البيولوجي والتشخيص الطبي. يتم دمج DBRs في منصات مختبرية متعددة لذلك تأتي بإستجابة عالية الحساسية والتحديد في اكتشاف الجزيئات الحيوية. إن قدرتها على تقديم انعكاسية ضيقة النطاق وخصائص بصرية قابلة للتعديل تجعلها مثالية للفحوص المتعددة والرصد في الوقت الحقيقي. تدعم المعاهد الوطنية للصحة (NIH) والجامعات الرائدة الأبحاث في حساسات القائمة على DBR لاكتشاف الأمراض مبكرًا والطب الشخصي.

مع النظر للأمام، من المتوقع أن يقود تلاقي المواد المتقدمة، والنانوتقنية، والفوتونيك المدمجة إلى مزيد من الاختراقات في تكنولوجيا DBR. ومع زيادة الطلب على مكونات بصرية عالية الأداء في الاتصالات، والمعلومات الكمومية، والرعاية الصحية، ستظل DBRs تلعب دورًا محوريًا في تمكين الأجهزة والنظم المستقبلية.

المصادر والمراجع

15 days FDP@TOCE:23/4/2024 FN SESSION 1: Optical Sensing using Distributed Bragg Reflector (DBR).

Watch this video on YouTube.

العاكسات المتوزعة (Bragg): فتح دقة بصرية متفوقة (2025)

ByQuinn Parker