אבינועם צדוק

זוכה פרס קריל 2013

ד"ר אבינועם צדוק (Dr. Avinoam Zadok) 
יליד 1973, ישראל
אוניברסיטת בר אילן

תחומי מחקר:

סיבים אופטיים והתקנים פוטוניים.

המחקר בקבוצה שלי עוסק בשני תחומים עיקריים: סיבים אופטיים, ורכיבים פוטוניים. סיבים אופטיים הינם צינורות זכוכית דקים ביותר: כל עוביים כעשירית המ"מ, פחות מעובייה של שערה. עיקר ייחודם הוא ביכולתם לשאת גלי אור למרחקים עצומים: סביב העולם ובחזרה, ללא צורך בהתערבות כלשהי. אין ברשותנו כל תווך אחר אשר יכול אפילו להתקרב לכך.

לסיבים האופטיים שמור מקום של כבוד כאחד הגורמים שאפשרו את מהפכת האינטרנט בדורנו, אשר הפכה על פניהם את האופן בו אנו מתקשרים עם חברינו וסביבתנו, את הדרך בה אנו עושים עסקים, צורכים חדשות ולומדים, את תרבות הפנאי שלנו, ואולי אף את הפיזיולוגיה שלנו ושל ילדינו. לצד פריצות הדרך בתחומי המחשוב, התוכנה והחומרה האלקטרונית, מהפכת האינטרנט מחייבת תשתית פיזית מתאימה, ("אינסטלציה"), אשר ביכולתה לשאת נפח מידע של מיליארדי שיחות ומיליוני ערוצי וידיאו, מקצה העולם ועד קצהו ובזמינות מיידית. הסיבים האופטיים מספקים תשתית שכזו, ומאז שנות השמונים הם משמשים כטווח הבלעדי לתקשורת קווית ארוכת טווח.

עד כמה טובים הסיבים האופטיים כתשתית תקשורת? מקובל למדוד עד כמה מוצלחת מערכת תקשורת כלשהי במושגי טווח השידור שלה (בק"מ), ובמונחי נפח המידע שביכולה לשאת לטווח זה (ביטים של מידע בינארי לשנייה). אם נכפיל את הערכים הללו זה בזה: טווח X נפח מידע, נקבל את מדד האיכות של מערכת התקשורת. אם נשווה את הסיבים האופטיים לתשתיות התקשורת שקדמו להם, כדוגמת ערוצי מיקרוגל או כבלי חשמל קואקסיאליים, באמצעות מדד האיכות האמור, נקבל שיפור ביצועים של שמונה סדרי גודל (100,000,000…)

לצד יישומם העיקרי כתשתית תקשורת אופטית, סיבים אופטיים הינם גם חיישנים יוצאים מן הכלל. מעבר האור בסיב עשוי להיות מושפע ממגוון רחב של נסיבות ותנאי סביבה כדוגמת טמפרטורה, כוח מכאני, שינויים מבניים, שדות חשמליים ומגנטיים, נוכחות חומרים כימיים או אלמנטים ביולוגיים ועוד. משום מימדיהם הקטנים, קל יחסית לשלב סיבים אופטיים במבנים שונים. עקב כך, ימיהם של החיישנים מבוססי הסיבים האופטיים הם כימי הסיבים עצמם. אחד היישומים המרכזיים לחיישנים מסוג זה הוא בזיהוי כשל מוקדם בתשתיות קריטיות כדוגמת סכרים, מאגרי מים וחומרים מסוכנים, צינורות גז ונפט, כבישים, מסילות ברזל ועוד. ניטור תשתית שכזו מתבסס על שילוב סיב אופטי לאורכה, וקריאת מדדים קריטיים כדוגמת טמפרטורה או מעוות מכאני בכל נקודה ונקודה. זיהוי כשל פוטנציאלי בשלב מוקדם מחייב הפרדה מרחבית (רזולוציה) גבוהה.

בציור הבא מופיעה דוגמה למדידת מקטע סיב אופטי שאורכו 40 מטר, אשר מזהה חריגת טמפרטורה על פני תחום שכל אורכו סנטימטר אחד. מערכת המדידה, שפותחה בקבוצת המחקר, משפרת את הרזולוציה המרחבית של הקריאה בסדר גודל ביחס לזו של הדגמות מקבילות קודמות. עקרון הפעולה של המערכת משלב בין טכניקות של התפשטות אור בעוצמה גבוהה לאורך הסיב ("אופטיקה לא ליניארית"), לבין שיטות מתקדמות של עיבוד מידע אשר הושאלו מתחומי הקידוד והמכ"מ.

בתחום הרכיבים הפוטוניים, האתגר העיקרי בו עוסקת הקבוצה הוא יישומן של מערכות תקשורת אופטית על פני שבבי סיליקון, לצד רכיבים אלקטרוניים. נפחי המידע המועברים כיום בתוככי חוות שרתים, ואפילו בתוך מחשב בודד הכולל מספר רב של מעבדים, הינם אסטרונומיים בכל קנה מידה: אלפי ועשרות אלפי גיגה-ביטים בכל שנייה. אי לכך, תשתיות המחשוב ניצבות בפני אתגרים דומים לאלו אשר עמדו בפני תעשיית התקשורת לפני עשרים ושלושים שנה: הצורך לתמוך בתעבורת מידע בנפח הולך וגדל. גם הפעם, כוון הפתרון המוביל הינו אימוץ הדרגתי של תקשורת אופטית ברמת החדר, לוח-האם ואפילו השבב הבודד. המשימה העומדת בפני קהיליית התקשורת האופטית הינה יישום כל חלקיה של מערכת התקשורת: מקורות האור בדמות דיודות לייזר, משדרים, תווך המוליך את האור, מגברים, גלאים ומקלטים, על בסיס סיליקון: השליט הבלתי מעורער של תעשיית המיקרו-אלקטרוניקה.

לצד מספר יתרונות משמעותיים, מבנהו הגבישי הספציפי של הסיליקון מציב מגבלות חמורות בפני מימושם של חלק מהרכיבים הקריטיים: בראש ובראשונה מקורות דיודות לייזר, ולצדן אפננים (מודולטורים), רכיבים אשר משנים את עוצמתו של מקור האור ובכך מייצגים מידע. כוון הפתרון שאומץ על-ידי מספר תעשיות וקבוצות מחקר בעולם, ובכלל זה הקבוצה שלי, הינו שילוב חומרים: חיבור שכבות שמקורן בחומר אחר, אשר משמש באופן סטנדרטי ליצירה, אפנון, הגברה וגילוי של אור, על-גבי תשתית מוליכי גלים בסיליקון. יצירת רכיבים היברידיים שכאלו מציבה אתגרים רב-תחומיים, אשר נוגעים בהתפשטות אלקטרו-מגנטית, אופטיקה ומדע החומרים גם יחד. בתמונה המצורפת מופיע רכיב היברידי המשלב בין גביש הנקרא ליתיום-ניאובט (LiNbO3), מעל מוליכי גלים בפרוסת סיליקון. הגביש הספציפי משמש במרבית המודולטורים בתעשיית התקשורת האופטית. בימין התמונה מופיע סיב אופטי אשר משמש להכנסת האור לרכיב המשולב.

זוכי פרס קריל

// order posts by year $posts_by_year;