פיתוח חדש של צוות חוקרים מבית הספר להנדסת מחשבים וחשמל באוניברסיטת תל אביב מאפשר לקפל יריעות זכוכית, שעוביין קטן ממאית קוטרה של שערה, למבנים פוטוניים תלת־ממדיים מיקרוסקופיים ישירות על שבב – תהליך שהם מכנים "אוריגמי פוטוני". השיטה מאפשרת, לראשונה, בניית מיקרו מכשירים אופטיים תלת מימדים בשקיפות גבוהה.

המחקר נערך בהובלת הסטודנטית לתואר שני, מניה מלהוטרה ובהשתתפות מהנדס המעבדה, רונן בן דניאל, וסטודנט המחקר פאן צ'אנג, מהפקולטה להנדסה. המחקר פורסם ב-Optica  , כתב העת המוביל של החברה האמריקאית לאופטיקה.

פרופ' טל כרמון: "מדפסות תלת המימד הטובות ביותר שקיימות היום מייצרות מבנים בעלי פני שטח מחוספסים שאינם שקופים ואחידים אופטית ולכן אינם מתאימים לאופטיקה בעלת ביצועים גבוהים. הדבר נובע מטבעו של תהליך הקשיית הזכוכית במדפסת שאינו אחיד במרחב. כדי לתת קנה מידה, המדפסות האופטיות הטובות ביותר מאפשרות לאור להתקדם סנטימטר, בעוד ההתקנים שאנחנו יכולים לקפל לצורות תלת מימדיות מאפשרים לאור להתקדם קילומטר, שמהווה שיפור של 10,000 בביצועי מיקרו אופטיקה תלת מימדית.

בהשראת אופן פתיחת קשקשי האצטרובל כדי לשחרר זרעים, טכניקת הלייזר שפיתחנו גורמת לכיפוף מדויק ביריעות זכוכית דקות במיוחד, ויכולה לשמש ליצירת התקנים מיקרו־פוטוניים תלת־ממדיים, שקופים במיוחד וחלקים להפליא, למגוון רחב של יישומים."

במסגרת המחקר, צוות החוקרים דיווח כי שיטת הקיפול החדשה בלייזר מאפשרת יצירת מבנים באורך 3 מ"מ ובעובי של 0.5 מיקרון בלבד – כ־1/200 מרוחב שערת אדם – ובכך נקבע שיא חדש ביחס אורך לעובי במבנים תלת־ממדיים. הם יצרו גם צורות לולייניות ומראות קעורות שקוטרן קטן מעובי שערה.

"בדומה לאופן שבו מדפסות תלת־ממד גדולות יכולות לייצר מגוון פריטים לבית, אוריגמי פוטוני יכול לאפשר מגוון רחב של התקנים אופטיים זעירים," הוסיף כרמון. "למשל, ניתן לייצר באמצעותו עדשות מיקרו־זום שיחליפו את חמש המצלמות הנפרדות שבמרבית הסמארטפונים, או לייצר רכיבי מיקרו־פוטוניקה המשתמשים באור במקום בחשמל – וכך לקדם את המעבר לחלופות אופטיות מהירות ויעילות יותר לאלקטרוניקה המסורתית במחשבים."

שיטת האוריגמי הפוטוני התגלתה במקרה, כאשר כרמון ביקש ממניה לזהות היכן פוגע לייזר בלתי נראה בזכוכית על ידי הגברת ההספק עד שהנקודה תקרון, ממש כמו ברזל מלובן. הזכוכית התקפלה – וכך התגלה פתרון פשוט ובלתי צפוי לקיפול זכוכית. מניה הפכה מאז לחלוצה בתחום האוריגמי הפוטוני.

הזכוכית מתקפלת משום שכאשר צד אחד שלה מחומם בלייזר, היא מתנזלת ומתח הפנים של המשטח גדל ומתגבר על כוח המשיכה. כתוצאה מכך, הזכוכית נמשכת לקיפול בדיוק במקום שבו פוגע הלייזר.

כדי ליישם את התגלית, רונן בן־דניאל יצר שכבה דקה של זכוכית סיליקה על שבב סיליקון ועיצב אותה בצורה הדו־ממדית הנדרשת. לפני קיפול הזכוכית, החוקרים הסירו את הסיליקון שמתחת ליריעה תוך השארת אזור תמיכה קטן להחזקתה במקומה. באמצעות פולסי לייזר הם הראו כי ניתן לקפל יריעות זכוכית דקות שעל שבב סיליקון בפחות מאלפית שנייה, במהירות של 2 מטר לשנייה ובתאוצה   של 200g, תאוצה גדולה פי 20 מזו שמרגיש מטוס קרב.

"זה היה מרגש לראות את הזכוכית מתקפלת מתחת למיקרוסקופ," אמר כרמון. "אני בקהילה שמייצרת מכשירים אופטיים על שבב דו מימדי מזה שנים רבות וחשבתי שראיתי הכל, אולם רמת השליטה שלנו בהפיכת הפוטוניקה לתלת־ממדית הפתיעה אותנו – במיוחד לאור העובדה שהדבר הושג במערך פשוט שכלל קרן לייזר אחת בלבד, ממוקדת בקפל הרצוי כשכל העבודה נעשית, כמובן, תחת מיקרוסקופ."

באמצעות שיטת האוריגמי הפוטוני החדשה הצליחו החוקרים לכופף יריעות זכוכית בעובי של עד 10 מיקרון לצורות מגוונות – החל מ"זווית ברך" של 90 מעלות ועד ללוליינים – עם שליטה עדינה ברמת דיוק של ‎0.1‎ מיקרורדיאן.

"פרופ' כרמון מסכם: "אופטיקה מיקרו־פוטונית תלת־ממדית בעלת ביצועים גבוהים לא הודגמה בעבר. השיטה החדשה מביאה את הפוטוניקה מבוססת הסיליקה – שימוש בזכוכית להכוונה ולשליטה באור – לממד השלישי, ופותחת אפשרויות חדשות לחלוטין למכשירים אופטיים משולבים עתירי ביצועים."

הפוסט חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו "אוריגמי פוטוני" הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אחד האיומים העיקריים בעולמות אבטחת המידע בשנים האחרונות הוא הפיתוח של מחשבים קוונטיים. דור המחשבים החדש שהולך וצובר תאוצה עשוי בעתיד לאפשר פריצה של כמעט כל מקורות ההצפנה הקיימים בעולמנו. במחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב פותחה שיטה חדשה ליצירת מקורות אור קוונטיים אשר משמשים כאבן דרך מרכזית בפתרון בעיות האבטחה. מקור האור הקוונטי יכול לפלוט שני חלקיקי אור (פוטונים) השזורים בצורתם המרחבית, לדוגמא פוטון אחד הנראה בקירוב כעיגול במרחב והפוטון השני בעל צורה המכילה (בקירוב) שני עיגולים ולשמש כמקור האור במערכות חדשות של הצפנה קוונטיים. 

המחקר נערך בהובלתו של הדוקטורנט אופיר ישרים תחת הנחייתו של פרופ' עדי אריה, ראש הקתדרה על שם מרקו ולוסי שאול, מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. כמו כן השתתפו במחקר ד״ר שאולי פרל ויהושע פולי קומר מבית הספר להנדסת חשמל וכן ד״ר אירית יובילר מהמחלקה להנדסת חשמל במכללת סמי שמעון. המאמר, שכותרתו ״יצירת קיודיטים שזורים מרחבית באמצעות הולוגרפיה לא לינארית קוונטית״, פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי "Science Advances". 

מפתח הצפנה משותף

פרופ' אריה מסביר: "על מנת להעביר מידע חשאי בין שני משתמשים נדרש 'מפתח הצפנה', כלומר סדרה של ביטים שיש רק לשני המשתמשים, המאפשרת להצפין את המידע. בעולם הפיזיקה הקוונטית הוצעה שיטה ליצירת מפתח הצפנה משותף – באמצעות שימוש בשני פוטונים שזורים. כל אחד משני המשתתפים יכול למדוד רק אחד מהפוטונים, אבל בגלל שהם שזורים, קיים קשר בין המדידות הנפרדות האלה, אשר מאפשר את יצירת מפתח ההצפנה המשותף. היתרון הגדול של שיטת הצפנה זו לעומת השיטות הקיימות היא בכך שברגע שיש ניסיון פריצה למידע זה, מתוקף תכונותיו הפיזיקליות (חלקיקים בודדים שנהרסים לאחד שמדדו אותם) השידור ישתבש – ונוכל לדעת על ניסיון הפריצה". 

אופיר ישרים מוסיף: "כדי לבצע את כל המתואר לעיל, עלינו לייצר מערכת שבה זוג פוטונים שזורים קוונטית בעלי אותה צורה מרחבית. רוב הניסויים שנעשו עד היום השתמשו בעיקר בתכונת הקיטוב של האור, אך תכונה זו היא בעלת שני ממדים בלבד ומגבילה את כמות המידע שאפשר לצרוך ולהעביר. לכן, המגמה כיום היא לעבור לתכונה אחרת של האור- צורה מרחבית, בעלת מספר רב יותר של ממדים ולכן יש לה יתרונות מבחינת קצב העברת מידע ובנוסף יש לה גם יתרון מבחינת בטיחות המידע."

"עד היום, חוקרים ביצעו את העבודה בשני שלבים – יצירת הפוטונים השזורים ולאחר מכן העברה לצורה מרחבית,  על ידי סדרה של רכיבים אופטיים. בעבודתנו הצלחנו לייעל את התהליך ע"י שימוש בגביש שהמקדם הלא ליניארי שלו תוכנן כך שיתפקד כמעין הולוגרמה קוונטית: אלומת לייזר רגילה מאירה את ההולוגרמה הלא לינארית, אשר יוצרת שזירות בין חזיתות הגל (הצורות המרחביות) של שני הפוטונים הנוצרים. זו הכללה לתחום הקוונטי של שיטת ההולוגרפיה הסטנדרטית, אשר מאפשרת לאחסן משרעת ומופע של אלומת אור ולשחזר אותה על ידי הארת ההולוגרמה על ידי לייזר. בדרך זו, יצירת השזירות נעשית על ידי מספר מינימלי של רכיבים – תכונה חשובה בשביל מעבר מהמעבדה ליישומים מעשיים. כדוגמא, ניתן יהיה להתקין מקור קוונטי זה על לוויינים או רחפנים, שבהם נדרש להשתמש במקור אור בעל נפח מינימלי". 

פרופ' אריה מסכם: "אנחנו עומדים בפתחו של עולם טכנולוגי חדש, ועימו מגיעות שלל הזדמנויות חדשות לצד שלל בעיות שטרם נתקלנו בהן. אני מאמין שמחקרנו  הינו חלק  מדור חדש של יישומים בתחומי המדע והטכנולוגיה הקוונטיים. בנוסף ליישומים בתחום התקשורת המוצפנת, מקורות האור שפותחו במחקר עשויים להיות שימושים בחיישנים קוונטים בעלי רגישות גבוהה."

הפוסט שיטה חדשה ליצירת מקורות אור קוונטיים תסייע בהצפנה ובפתרון בעיות האבטחה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מפא"ת (המנהל למחקר ופיתוח אמל"ח ותשתית טכנולוגית) במשרד הביטחון וחברת רפאל חושפים היום (חמישי) כי השלימו סדרת ניסויים במערכת יירוט קרקעית בלייזר כנגד איומי תלול מסלול במגוון תרחישים ומטרות. מדובר בפריצת דרך מן המעלה הראשונה של שילוב טכנולוגית לייזר במערך ההגנה של מדינת ישראל. המדגים שפותח בשיתוף פעולה בין מפא"ת לחברת רפאל, הדגים יירוטים של פצמ"רים, רקטות, טילי נ"ט וכלי טיס בלתי מאוישים, במגוון תרחישים מורכבים.

ישראל היא בין המדינות הראשונות בעולם, שהצליחו להבשיל את טכנולוגיית הלייזר רב-עוצמה לכדי פיתוח מערכת בסטנדרטים מבצעיים ולהדגים יירוט בתרחיש מבצעי. הלייזר הינו כלי אפקטיבי, מדויק, קל להפעלה וזול בצורה משמעותית מכל אמצעי הגנה קיים אחר. סדרת הניסויים הזו היא השלב הראשון בתכנית ניסויים רב שנתית של מפא"ת והתעשיות הביטחוניות לפיתוח מערכת לייזר יבשתי ואווירי להתמודדות עם איומים לטווחים שונים בהספקים גבוהים. הלייזר ישולב כיכולת משלימה למערכת 'כיפת ברזל' וירחיב את האפקטיביות של מערכת ההגנה הרב-שכבתית ואת יעילותה הכלכלית. את תכנית הפיתוח מובילה חטיבת המו"פ במפא"ת) במשרד הביטחון. חברת רפאל הינה המפתחת הראשית של המערכת, בשיתוף עם חברת 'אלביט מערכות'.

ראש מפא"ת, תא"ל (מיל') ד"ר דניאל גולד: "מפא״ת, כגוף טכנולוגי לאומי, מובילה תכניות מחקר ופיתוח משמעותיות במגוון רחב של תחומים המהווים ״מכפיל כוח״ טכנולוגי לעוצמתו של צה״ל ומדינת ישראל. תכנית הלייזר מובלת על ידינו מזה שנים רבות, ופריצת הדרך הטכנולוגית הוכחה בדיוק בעת בה מתעצמת הדרישה המבצעית למערכת לייזר שתהווה חלק בלתי נפרד ממערך ההגנה הרב שכבתי של מדינת ישראל. סדרת הניסויים הנוכחית היא הגשמת חזון טכנולוגי ומהווה הישג משמעותי, וזאת בזכות תעוזה, יצירתיות, חדשנות והבנה מקצועית הטמונים בתהליכי המחקר והפיתוח. תכנית הלייזר הובלה בשנים האחרונות על ידי יחידת המחקר והפיתוח במפא״ת בשותפות מלאה עם זרועות צה״ל ואנשי התעשייה הביטחונית, וזאת בפיקודו הישיר של ראש מו״פ תת אלוף יניב רותם. הם האנשים שהפכו את החזון לביטחון. מפא״ת תמשיך להוביל מחקרים, ידע, תהליכים ופיתוחים טכנולוגיים שיהוו בסיס למערכות פורצות דרך עבור ביטחון מדינת ישראל ועליונותה הטכנולוגית".

הפיתוח הבא לייזר אווירי

ראש מו"פ במפא"ת במשרד הביטחון, תא"ל יניב רותם: "השלמת סדרת ניסויים דרמטית בלייזר רב עוצמה המהווה עדות לתחילת הגשמת החזון הטכנולוגי בתחום לוחמת האנרגיה, במסגרתו הוכחה על ידינו יכולת טכנולוגית פורצת דרך ליירוט באמצעות לייזר רב עוצמה. לראשונה, הצלחנו ליירט מגוון איומים מסוג פצמ״רים, רקטות ומל״טים בטווחים ובזמנים מאתגרים. השימוש בלייזר הינו "שובר שיווין", והטכנולוגיה פשוטה לתפעול ומוכיחה כדאיות כלכלית. אנו יוצאים לפרויקט השלמת פיתוח והצטיידות ראשונית עבור מדינת ישראל. בהתאם לתוכנית יוצבו בעשור הקרוב משדרי לייזר בגבולות המדינה, ובמקביל נמשיך לפתח יכולות מתקדמות לרבות הלייזר האווירי".

מנכ"ל רפאל, אלוף (מיל') יואב הר אבן: ״רפאל גאה על סיום סדרת הניסויים הראשונה של מערכת לייזר רב-עוצמה המתקדמת בעולם. סדרת הניסויים המוצלחת הוכיחה את הייחודיות של המערכת, אשר יירטה במהלך הניסויים מגוון רחב של איומים במגוון תרחישי ייחוס."
"שיתוף הפעולה בין רפאל למפא״ת ומשרד הביטחון הביא לפריצת דרך טכנולוגית ולהשלמת אבן דרך משמעותית, כזו שתאפשר לנו להגיע בזמנים קצרים ליכולת מבצעית ראשונית. אני משוכנע שההישג הטכנולוגי הזה יהווה מרכיב משמעותי וחשוב בפיתוח יכולות עתידיות המבוססות על אנרגיה מוכוונת בכלל, ולייזר רב-עוצמה בפרט. ההישג הטכנולוגי שמהווה פריצת דרך הוא פרי עמלם של עובדי רפאל שעושים לילות כימים על מנת לפעול למען בטחון מדינת ישאל תוך שימור ופיתוח יכולות טכנולוגיות עילית לשימור היתרון האיכותי של מדינת ישראל״.

הפוסט רפאל אלביט ומפא"ת השלימו סדרת ניסויים ראשונים מסוגם במערכת יירוט באמצעות לייזר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

למרות יתרונותיהן הרבים של מתכות בהעברת מידע ממעגל חשמלי אחד לשני ע"ג סיליקון המצוי בתוככי מחשבים והתקנים אלקטרוניים אחרים, מהנדסי חשמל מאוניברסיטת דיוק טוענים כי אותות אופטיים עשויים להעביר נפח מידע גדול יותר. בעקבות כך, המהנדסים תכננו והדגימו את פעולתם של לייזרים בגודל מיקרוסקופי המשולבים בתוככי שכבות דקיקות של מוליכי אור ע"ג סיליקון שיוכלו בעתיד להחליף את המתכת נחושת במגוון מוצרים אלקטרוניים.
לא רק שהמבנים ע"ג הסיליקון מכילים לייזרים פולטי-אור זערוריים, אלא שהם גם מחברים את הלייזרים הללו לתעלות המוליכות במדויק את האור הנפלט למטרתו, לרוב שבב או רכיב אלקטרוני אחר סמוך. גישה חדשנית זו תוכל לסייע לאותם מהנדסים אשר מעוניינים לפתח מחשבים והתקנים חשמליים מהירים וזעירים יותר תוך שימוש באור כנשא המידע של הדור הבא.
המהנדסים מאמינים כי הם הצליחו לפתור חלק מהחידות שהיו פתוחות בפני המדענים שניסו להפיק ולשלוט באור בקנה-מידה זערורי זה.
"הפקת אור והולכתו דרך סיליקון באופן מבוקר הינם הצעדים הראשונים בדרך לפיתוח מערכות אופטיות בגודל של עולם השבבים," אמרה Sabarni Palit, חוקרת במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת דיוק. ממצאי המחקר, שקיבל סיוע מהמשרד למחקר צבאי, פורסמו בכתב-העת המדעי Optics Letters.
"האתגר היה הייצור של אור בקנה-מידה קטן זה על סיליקון, והערובה שהוא מועבר ביעילות וללא אובדני אנרגיה לרכיב הבא," אמרה החוקרת. "מצאנו דרך לייצר מבנה של מעטה דקיק המשולב ע"ג הסיליקון שלא רק מכיל את מקור האור וניתן לקירור, אלא המסוגל גם להוליך במדויק את הגל לרכיב הבא בתור," מסבירה החוקרת. "שילוב זה הינו גישה הכרחית לכל מערכת מבוססת אור בקנה-מידה מיקרוסקופי."
צוות המחקר הצליח לפתח שיטה להכנת מצע דקיק של לייזר, ולחבר אותו למשטח של סיליקון. הלייזרים מחוברים למבנים נוספים באמצעות הנחת שכבה מיקרוסקופית של פולימר המכסה את קצהו האחד של הלייזר וממשיכה לתוך תעלה המובילה לרכיבים הסמוכים. לכל שכבה של הלייזר ולכל תעלה מוליכת אור ניתנים מאפיינים, או תפקודים ייחודיים, באמצעות תהליכי ננו- ומיקרו-ייצור מיוחדים ובאמצעות הסרה בררנית של חלקים מהמצע ע"י כימיקלים מתאימים.
"במהלך הפקת הלייזר נוצר חום, העלול לפגוע ביעילות הפעולה ואפילו לפירוקו של הלייזר בחלוף הזמן," מסבירה החוקרת. "גילינו כי הכנסת פס דקיק של מתכות בין שכבת הלייזר לבין שכבת הסיליקון מובילה לפיזור של החום הנוצר ומאפשרת זמן-חיים ארוך יותר של הלייזרים."
היכולת לנצל אור בקנה-מידה מיקרוסקופי הינה עניין מרגש," אומרת החוקרת. "אולם יש צורך בכך שהאנרגיה המסופקת למערכות אלו תהיה מועטה, כך שהן תוכלנה להיות ניידות, וכן זולות להפקה. מערכות אלו תוכלנה לשמש במכשירי אלקטרוניקה, באבחון רפואי ובחישת הסביבה."
הידיעה מאוניברסיטת דיוק

הפוסט סיליקון כרכיב אלקטרוני משופר הופיע לראשונה ב-Chiportal.