أعلن باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) مؤخرًا عن إنجاز تكنولوجي كبير. لقد نجحوا في تطوير تقنية جديدة يمكنها تحقيق خسارة منخفضة للغاية في نقل الإشارة الضوئية على رقائق السيليكون، ويقترب أدائها من مستوى الألياف الضوئية التقليدية في نطاق الضوء المرئي.
يمثل هذا الإنجاز خطوة رئيسية في مجال الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs)، مما يمهد الطريق لتطوير جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات التماسك الممتاز وفقدان الطاقة المنخفض للغاية. ويتناول البحث بالتفصيل طريقة استخدام مواد الألياف الضوئية لبناء مسارات بصرية مباشرة على الشريحة، وقد تم نشر الورقة ذات الصلة في مجلة Nature.
لفترة طويلة، أصبحت الألياف الضوئية حجر الزاوية في شبكات الاتصالات العالمية بفضل مادتها الزجاجية عالية النقاء للغاية وسطحها الأملس ذريًا، القادرة على نقل كميات هائلة من البيانات بخسارة منخفضة للغاية. يلتزم فريق بقيادة كيري فاهالا، أستاذ الفيزياء التطبيقية وعلوم وتكنولوجيا المعلومات في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، "بزرع" عملية تصنيع هذه الألياف الضوئية على رقائق السيليكون المستخدمة في إنتاج شرائح الكمبيوتر. استخدم فريق البحث نفس مادة زجاج سيليكات الجرمانو مثل الألياف الضوئية واستخدم تقنية الطباعة الحجرية الضوئية لبناء قناة نقل الضوء تسمى "الدليل الموجي" على الشريحة. من أجل حل مشكلة خشونة السطح على المستوى المجهري، قدم الباحثون عملية مبتكرة: وضع الرقاقة في فرن عالي الحرارة لمعالجة "إعادة التدفق"، بحيث يتم إذابة سطح الدليل الموجي وتنعيمه إلى المستوى الذري. تمنع هذه المعالجة إلى حد كبير فقدان تشتت الضوء وتحل الاختناق الرئيسي الذي قيد منذ فترة طويلة تطوير الدوائر المتكاملة الضوئية في نطاق الضوء المرئي.
وتظهر نتائج الاختبار أن أداء هذه الشريحة الجديدة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة يعادل تقنية نيتريد السيليكون الرائدة الحالية، بينما في نطاق الضوء المرئي، حقق أدائها قفزة نوعية، مع انخفاض الخسارة إلى واحد على عشرين من سجل نيتريد السيليكون. تتمتع خاصية الخسارة المنخفضة للغاية هذه بتأثير عميق على أداء الجهاز، على سبيل المثال، تتمتع أجهزة الليزر المصممة باستخدام هذه التقنية بأوقات تماسك بصري أطول بأكثر من 100 مرة من الإصدارات الحالية. وأشار هاو جينغ تشين، المؤلف الأول للورقة البحثية وباحث ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، إلى أن توسيع تغطية الطول الموجي لهذه المنصة سيدعم العديد من العمليات الذرية المهمة، مما يجعل من الممكن تنفيذ أجهزة استشعار ذرية على نطاق الرقاقة، وساعات بصرية، وأنظمة مصيدة أيونية.
على الرغم من أن حجم هذه الرقائق يبلغ حوالي 2 سم فقط، إلا أن تصميم المسار البصري الداخلي الخاص بها يعتمد هيكلًا حلزونيًا، مما يزيد بشكل كبير من مسافة انتشار الضوء في مساحة صغيرة. وأوضح طالب الدراسات العليا كيلان كولبورن أنه بالنسبة للمكونات البصرية الرئيسية مثل الرنانات الحلقية، كلما طالت المسافة التي يدور فيها الضوء، انخفضت الخسائر وكان أداء الجهاز أفضل. كل انخفاض بمقدار 10 أضعاف في الخسارة يؤدي إلى تحسين التماسك بمقدار 100 مرة. هذه التكنولوجيا ليست فقط متعددة الاستخدامات مثل "سكين الجيش السويسري" ويمكن استخدامها على نطاق واسع في مجالات تتراوح بين التوقيت عالي الدقة وقياس الدوران (الجيروسكوب) إلى الحوسبة الكمومية والاستشعار، كما أنها ذات أهمية كبيرة في تقليل استهلاك الطاقة الإجمالي للبنية التحتية لخادم مركز البيانات. وعلى الرغم من أن فريق البحث ذكر أن النتائج الحالية لم تصل بعد إلى الهدف النهائي، إلا أن التقدم الكبير في السنوات الخمس الماضية قد رسم مخططًا واضحًا لتطبيقات التكنولوجيا الضوئية المستقبلية.