طالما وعدت الفوتونيات السيليكونية بجلب سرعة الضوء إلى الحوسبة والاتصالات، لكن التقنية ظلت تعاني من مشكلة عنيدة: الضوء الذي يرتد عائدًا. الآن، تقول كيوسيرا وجامعة توهوكو إنهما أثبتتا طريقة ليزر هي الأولى من نوعها عالميًا تقلل الضوء المنعكس عكسيًا بنسبة 95% على شرائح الفوتونيات السيليكونية. هذا التطور، الذي أوردته Interesting Engineering، قد يساعد في حل عنق زجاجة متنامٍ للأنظمة البصرية المتكاملة.
لماذا يهم الضوء المنعكس عكسيًا
في الدائرة المتكاملة الفوتونية، ينتقل الضوء عبر الأدلة الموجية والمقسمات والمعدلات ومكونات أخرى. عند كل واجهة يتغير فيها معامل الانكسار، يمكن لجزء من الضوء أن ينعكس عائدًا. قد تبدو هذه الانعكاسات طفيفة، لكنها قد تعود إلى مصدر الليزر وتعطل تشغيله. قد تكون النتيجة زيادة الضوضاء، وعدم استقرار قدرة الخرج، والقفز بين الأنماط، وانخفاض سلامة الإشارة.
لعقود، اعتمد المهندسون على العوازل البصرية لحجب هذا الضوء العائد. يعمل العازل مثل صمام أحادي الاتجاه للفوتونات: يسمح للضوء بالمرور في الاتجاه الأمامي بينما يمتص أو يحرف الضوء الذي يحاول العودة. بدون العزل، لا تستطيع العديد من الأنظمة القائمة على الليزر العمل بشكل موثوق.
تحدي دمج العوازل
العوازل البصرية التقليدية ضخمة ويصعب دمجها على شريحة سيليكون. غالبًا ما تعتمد على مواد مغناطيسية بصرية، مثل العقيق، وتتطلب مجالات مغناطيسية دقيقة. إن ترسيب هذه المواد على السيليكون دون تدهور الأداء البصري معقد ومكلف. ونتيجة لذلك، لا تزال العديد من أنظمة الفوتونيات السيليكونية تستخدم عوازل خارجية، مما يقوض هدف الفوتونيات المتكاملة المدمجة منخفضة التكلفة.
لهذا تجذب النتيجة الجديدة من كيوسيرا وجامعة توهوكو الانتباه. فبدلًا من الاعتماد على مواد العوازل التقليدية، استخدم الفريق طريقة قائمة على الليزر لتقليل الضوء المنعكس عكسيًا بنسبة 95%. يوصف النهج بأنه الأول من نوعه عالميًا، ويشير إلى مسار أبسط محتمل لإدارة الانعكاسات مباشرة على شرائح الفوتونيات السيليكونية.
ماذا يعني تقليل 95%
يعد تقليل الضوء المنعكس عكسيًا بنسبة 95% تحسنًا كبيرًا. في الأنظمة البصرية، حتى الكميات الصغيرة من التغذية الراجعة يمكن أن تسبب مشكلات، لذا فإن كبت غالبية الانعكاسات يمكن أن يحسن بشكل كبير استقرار الليزر وجودة الإشارة. قد تتطلب نسبة 5% المتبقية إدارة دقيقة، لكن الإنجاز يشير إلى أن التحكم في الانعكاسات على الشريحة أصبح أكثر جدوى.
وفقًا للتقرير، قد تساعد التقنية في معالجة تحدٍ متنامٍ: فمع انتقال الفوتونيات السيليكونية من العروض المختبرية إلى المنتجات التجارية، تتزايد المتطلبات على الأداء البصري. تحتاج مراكز البيانات ومسرعات الذكاء الاصطناعي والوصلات عالية السرعة إلى نطاق ترددي أكبر مع استهلاك أقل للطاقة. الانعكاسات التي كانت مقبولة في النماذج الأولية المبكرة قد تصبح عقبات خطيرة عند التوسع.
تعاون كيوسيرا وجامعة توهوكو
يجمع العمل بين خبرة كيوسيرا في المواد والتصنيع وقدرات جامعة توهوكو البحثية في الفوتونيات وعلوم الليزر. لدى اليابان تاريخ طويل من الريادة في التقنيات البصرية، وتزداد أهمية التعاون بين الصناعة والأوساط الأكاديمية لنقل الابتكارات من المختبر إلى المصنع.
ورغم أن التفاصيل التقنية الكاملة لم تُفصح على نطاق واسع في التقرير الأولي، فإن التعاون يشير إلى أن الطريقة تُطور مع وضع التكامل العملي في الاعتبار. ويوحي مشاركة كيوسيرا بالتركيز على قابلية التصنيع والموثوقية وقابلية التوسع—وهي عوامل غالبًا ما تحدد ما إذا كان اختراق مختبري يصبح تقنية تجارية.
الفوتونيات السيليكونية في نقطة تحول
تستخدم الفوتونيات السيليكونية أدلة موجية ومكونات قائمة على السيليكون للتلاعب بالضوء. ولأنها تستفيد من التصنيع أشباه الموصلات الراسخ، يمكنها إنتاج أجهزة بصرية بكميات كبيرة وتكلفة منخفضة. تُستخدم التقنية بالفعل في أجهزة الإرسال والاستقبال لمراكز البيانات، ويجري استكشافها في LiDAR والاستشعار الحيوي والحوسبة الكمومية والوصلات البصرية بين الشرائح.
كان أحد أكبر العقبات هو غياب عازل بصري عملي قابل للدمج. إذا أمكن توسيع طريقة الليزر من كيوسيرا–توهوكو وتوحيدها، فقد تزيل قيدًا رئيسيًا. وسيسمح ذلك للمصممين بحشو المزيد من الوظائف الفوتونية على شريحة واحدة دون القلق كثيرًا من عدم الاستقرار الناتج عن التغذية الراجعة.
أسئلة متبقية والخطوات التالية
تواجه أي تقنية جديدة أسئلة قبل التبني الواسع. سيحتاج الباحثون إلى إثبات أن تقليل 95% يصمد عبر أطوال موجية ودرجات حرارة وتفاوتات تصنيع مختلفة. وسيحتاجون أيضًا إلى إظهار أن طريقة الليزر متوافقة مع التصنيع بكميات كبيرة ولا تقدم خسائر مفرطة في الاتجاه الأمامي.
- هل يمكن إعادة إنتاج الطريقة باستمرار في المصانع التجارية؟
- كيف تعمل على مدى عمر الجهاز؟
- هل تضيف تكلفة أو تعقيدًا كبيرًا لمسارات العمليات الحالية؟
- هل يمكن دمجها مع مكونات فوتونية أخرى على الشريحة دون تداخل؟
هذه الأسئلة نموذجية لأي تقنية فوتونية ناشئة، لكن النتيجة المبكرة واعدة. تقليل 95% نقطة انطلاق قوية، وقد يحفز مزيدًا من البحث في التحكم بالانعكاسات القائم على الليزر.
التطبيقات المحتملة
إذا أثبت النهج جدواه، فقد يفيد مجموعة واسعة من الأنظمة. قد تصبح وصلات مراكز البيانات أكثر كفاءة وموثوقية. وقد يبسط الإدخال/الإخراج البصري للحوسبة عالية الأداء. وقد تشهد المستشعرات وأنظمة LiDAR التي تعتمد على ليزرات مستقرة أداءً محسنًا. وحتى الدوائر الفوتونية الكمومية، شديدة الحساسية للضوضاء، قد تستفيد من عزل أفضل على الشريحة.
يسلط التطور الضوء أيضًا على اتجاه أوسع: تقارب تقنية الليزر والفوتونيات السيليكونية. لم تعد الليزرات مجرد مصادر ضوء خارجية؛ بل أصبحت أدوات لمعالجة الضوء والتحكم فيه على الشريحة نفسها. وقد يؤدي هذا الاندماج إلى معماريات أجهزة جديدة كانت غير عملية سابقًا.
نظرة إلى الأمام
إعلان كيوسيرا وجامعة توهوكو تذكير بأن الفوتونيات السيليكونية لا تزال تتطور بسرعة. ورغم أن الصناعة حققت خطوات كبيرة في المعدلات والكاشفات والأدلة الموجية، ظل العزل نقطة ضعف. وقد تكون طريقة ليزر هي الأولى من نوعها عالميًا تقلل الضوء المنعكس عكسيًا بنسبة 95% قطعة مهمة في اللغز.
كما هو الحال مع أي اختراق، يعد التحقق المستقل والتطوير الإضافي أمرين أساسيين. إذا أوفت الطريقة بوعدها المبكر، فقد تساعد في فتح الجيل التالي من الأنظمة البصرية المتكاملة—أنظمة أسرع وأكثر كفاءة وأكثر متانة من تصاميم اليوم. وفي الوقت الحالي، تظل النتيجة خطوة ملحوظة نحو حل أحد أكثر تحديات الفوتونيات إصرارًا.
يعتمد هذا المقال على تقرير لـ Interesting Engineering. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on interestingengineering.com