اكتشف العلماء آلية اقتران جديدة تتضمن أوضاع التسرب لتطوير الضوئيات

في العدد الأخير من مجلة Light Science & Application، أثبت سانجسيك كيم، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST)، وطلابه في جامعة تكساس للتكنولوجيا أن الموجات المتسربة متباينة الخواص يمكن أن تحقق صفر تداخل بين أدلة موجية متطابقة متقاربة المسافات باستخدام المواد الوصفية ذات الطول الموجي الفرعي (SWG). يزيد هذا الاكتشاف غير البديهي بشكل كبير من طول اقتران الأوضاع المغناطيسية المستعرضة (TM)، والتي كانت تمثل تحديًا بسبب انخفاض حبسها.

يعتمد هذا البحث على عملهم السابق حول استخدام مواد SWG لتقليل التداخل البصري، بما في ذلك التحكم في عمق الجلد لموجات التبخر والاقتران الخاص في أوضاع الموجات الموجهة متباينة الخواص. في الآونة الأخيرة، حققت SWG تقدمًا كبيرًا في مجال الضوئيات، مما أتاح مجموعة متنوعة من مكونات الموافقة المسبقة عن علم عالية الأداء. ومع ذلك، لا تزال كثافة التكامل في وضع TM تواجه تحديات، كما أن تداخل الإشارات الخاصة به يبلغ حوالي 100 مرة ضعف الوضع الكهربائي الجانبي (TE)، مما يعيق تكامل الرقاقة عالية الكثافة.

"لقد قامت مجموعتنا البحثية باستكشاف مجموعات SWG للتكامل الضوئي الكثيف وحققت تحسينات كبيرة. ومع ذلك، كانت الطرق السابقة مقتصرة على استقطاب TE. في الرقائق الضوئية، هناك استقطاب متعامد آخر TM، والذي يمكن أن يضاعف سعة الرقاقة وأحيانًا أكثر شيوعًا من TE، كما هو الحال في استشعار مجال التدرج." وأوضح كيم: "يعد تكامل TM أكثر صعوبة من TE لأن نسبة العرض إلى الارتفاع للدليل الموجي أقل عمومًا وأقل تقييدًا."

في البداية، اعتقد الفريق أنه سيكون من المستحيل تقليل التداخل باستخدام مجموعات SWG لأنهم توقعوا أن تعمل الأوضاع المتسربة على تعزيز الاقتران بين أدلة الموجات. ومع ذلك، فقد ركزوا على احتمال حدوث اضطرابات متباينة الخواص مع أوضاع التسرب وافترضوا إمكانية تحقيق الإلغاء المتبادل.

من خلال إجراء تحليل الوضع المزدوج للخصائص النموذجية لأوضاع SWG المتسربة، اكتشفوا اضطرابات فريدة متباينة الخواص مع أوضاع تسرب مماثلة، مما يتيح عدم وجود تداخل بين أدلة موجة SWG المتطابقة والمتقاربة. باستخدام محاكاة حدود Floquet، قاموا بتصميم دليل موجي SWG ممكن على منصة السيليكون على العازل القياسية (SOI) في الصناعة. بالمقارنة مع أدلة الموجات الشريطية، فإن تأثير قمع الحديث المتبادل كبير ويتم زيادة طول الاقتران بأكثر من أمرين من حيث الحجم.

كما يقلل هذا الاختراق بشكل كبير من مستويات الضوضاء داخل بلدان جزر المحيط الهادئ، مع ما يترتب على ذلك من آثار محتملة على الاتصالات الكمومية والحوسبة، والقياس البصري، والاستشعار الكيميائي الحيوي. وشدد الباحثون كذلك على الآثار الواسعة لعملهم، مشيرين إلى أن آلية الاقتران الجديدة هذه يمكن توسيعها لتشمل منصات ضوئية متكاملة أخرى ونطاقات الطول الموجي، بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء المرئية والمتوسطة والتيراهرتز خارج نطاقات الاتصالات.

تعمل آلية الاقتران المذهلة هذه على توسيع إمكانات التكامل الضوئي الكثيف، وكسر الحكمة التقليدية، وتطوير هذا المجال. مع استمرار الأبحاث، من المرجح أن تتجه صناعة الضوئيات نحو تقنيات الدوائر المتكاملة الأكثر كثافة وأقل ضوضاء وأكثر كفاءة.