Laser Structured Optical Interposer for Ultra-dense Vertical Coupling of Multi-core Fibers to Silicon Photonic Chip

في العالم الحديث، تنتقل المعلومات بسرعة الضوء، لكن الأجهزة المادية التي تحملها تواجه عنق زجاجة مستعصياً. داخل أجهزة الكمبيوتر ومراكز البيانات التي تشغل حياتنا الرقمية، تعالج رقائق السيليكون الصغيرة البيانات بسرعات مذهلة. ولإيصال المعلومات إلى هذه الرقائق وإخراجها منها، يستخدم المهندسون الألياف الضوئية، وهي خيوط رفيعة من الزجاج توجه الضوء. ومع ذلك، هناك عدم تطابق جوهري في الحجم؛ فالمسارات داخل شريحة السيليكون مجهرية، بينما الألياف التي تتصل بها سميكة نسبياً، مثل خرطوم حديقة بجانب شعرة إنسان. وقد ظل سد هذه الفجوة تحدياً لفترة طويلة. لسنوات، حاول المهندسون محاذاة هذه الألياف السميكة على طول حافة الشريحة، لكن هذه الطريقة تحد من عدد الاتصالات التي يمكن حشرها في مساحة صغيرة. ومع نمو الطلب على الشبكات الأسرع، أصبحت الحاجة إلى توصيل مئات التدفقات من البيانات بشريحة واحدة دون فقدان قوة الإشارة أمراً بالغ الأهمية.

ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى نهج مختلف: توصيل الألياف بالسطح المسطح للشريحة بدلاً من حافتها. يتطلب هذا ثني الضوء القادم من الألياف بحيث يسير مباشرة إلى أسفل الشريحة. ويكمن التحدي في القيام بذلك لعشرات الألياف في وقت واحد، وفي مساحة مدمجة، دون أن يتشتت الضوء أو يتلاشى. طور فريق من العلماء في جامعة تورنتو طريقة جديدة لبناء جسر بين هذين العالمين باستخدام كتلة من الزجاج وليزر قوي. لقد صنعوا جهازاً يأخذ حزمة من الألياف الخاصة، التي تحتوي كل منها على عدة نوى حاملة للضوء، ويوجهها عبر متاهة ثلاثية الأبعاد من القنوات الزجاجية. توجه هذه القنوات الضوء إلى مرايا صغيرة تعكسه إلى الأسفل، مما يوصله بشبكة من المستشعرات على شريحة سيليكون.

بدأ الباحثون بتصميم ثلاثة تخطيطات مختلفة لهذا الجسر الزجاجي، حيث حاول كل منها حشر الاتصالات بشكل أكثر إحكاماً من الذي سبقه. الجهاز الذي بنوه هو عبارة عن لوح صغير من السيليكا المنصهرة، وهي نوع من الزجاج عالي النقاء، بسمك حوالي مليمتر واحد. داخل هذا الزجاج، استخدموا ليزر "فيمتو ثانية" لنحت مسارات غير مرئية. هذه المسارات ليست أنابيب مجوفة، بل هي مناطق تم فيها تعديل البنية الزجاجية قليلاً لتوجيه الضوء، تماماً كما يوجه الطريق السيارة. كما أن الليزر أنشأ أيضاً مرايا صغيرة وناعمة داخل الزجاج. هذه المرايا ليست مصنوعة من المعدن، بل هي ببساطة أسطح مصقولة داخل الزجاج تعمل كعاكس مثالي، حيث تعكس الضوء بزاوية حادة. ومن خلال ترتيب هذه المرايا والمسارات في ثلاثة أبعاد، استطاع الفريق أخذ الضوء القادم من الجانب وتحويله ليسير رأسياً، مباشرة إلى أسفل نحو الشريحة.

اختبر الفريق ثلاثة تصميمات متميزة لمعرفة أيها سيعمل بشكل أفضل. نشر التصميم الأول الاتصالات على مساحة أكبر، مما جعل توجيه الضوء أسهل ولكنه نتج عنه جهاز أضخم. حاول التصميمان الثاني والثالث ضغط هذا الترتيب، عبر طي المسارات في ملف تعريف أنحف. استخدم أحد هذه التصميمات المدمجة خدعة ذكية حيث تتقاطع مسارات الضوء فوق بعضها البعض بزوايا حادة، بشكل يشبه الجسر العلوي للطرق السريعة، لتوفير المساحة. وجد الباحثون أنه بينما لم يتسبب تقاطع المسارات في تسرب الضوء إلى القنوات المجاورة، فإن التصميم الأكثر إحكاماً قدم أفضل توازن بين الحجم والأداء. وقد اختاروا هذه النسخة الأكثر دمجاً لبناء جهازهم النهائي، والذي يمكنه التعامل مع أربعين قناة منفصلة من الضوء في آن واحد.

لتوصيل الجهاز بالعالم الخارجي، أضاف الباحثون مقابس ذاتية المحاذاة إلى الكتلة الزجاجية. هذه المقابس هي ثقوب صغيرة مشكلة بدقة تثبت الألياف في مكانها. وعند إدخال الليف، يقوم شكل المقبس بتوجيه النوى الحاملة للضوء داخل الليف بشكل طبيعي لتصطف تماماً مع المسارات الزجاجية، مما يلغي الحاجة إلى تعديلات يدوية معقدة. ثم قام الفريق بلصق هذه الكتلة الزجاجية بشريحة سيليكون تحتوي على شبكة من "الموصلات الشبكية" الدقيقة على سطحها. هذه الشبكات تشبه الأسوار المجهرية التي تلتقط الضوء القادم من الأعلى وتوجهه إلى الدوائر الداخلية للشريحة. وتم تأمين التجميع بأكمله باستخدام إيبوكسي شفاف، مما خلق وحدة واحدة متينة.

عندما اختبر الباحثون الجهاز النهائي، قاموا بقياس مقدار الضوء المفقود أثناء انتقاله من الليف، عبر الجسر الزجاجي، وصولاً إلى شريحة السيليكون. ووجدوا أن النظام يعمل بشكل جيد للغاية؛ ففي المتوسط، لم يفقد الضوء سوى جزء ضئيل من قوته، وكانت أفضل الاتصالات تفقد أقل من ذلك. نجح الجهاز في توجيه أربعين قناة من الضوء من مصفوفة ثنائية الأبعاد من الألياف إلى سطح الشريحة. ويمثل هذا تحسناً كبيراً مقارنة بالطرق القديمة، التي لم تكن تستطيع التعامل إلا مع قنوات قليلة على طول حافة الشريحة. يسمح النهج الجديد بكثافة أعلى بكثير من الاتصالات، مما يحشر المزيد من تدفقات البيانات في مساحة أصغر دون أن تتلاشى الإشارة.

كما بحثت الدراسة في كيفية أداء الجهاز بمرور الوقت وتحت ظروف مختلفة. بعد معالجة الإيبوكسي وترك الجهاز ليستقر، فحص الباحثون الاتصالات مرة أخرى بعد أسبوعين. ووجدوا أن الأداء ظل مستقراً، مع عدم وجود تدهور تقريباً في الإشارة. وهذا يشير إلى أن الربط بين الزجاج والسيليكون قوي وموثوق، وقادر على تحمل ضغوط الاستخدام في العالم الحقيقي. لاحظ الفريق أن المصدر الرئيسي لفقدان الإشارة كان من شريحة السيليكون نفسها، وتحديداً الطريقة التي تلتقط بها الشريحة الضوء، وليس من الجسر الزجاجي الذي بنوه. وهذا يشير إلى أنه إذا تم تحسين تصميم الشريحة، فإن الأداء العام يمكن أن يكون أفضل.

من خلال إثبات أن جسراً مدمجاً قائماً على الزجاج يمكنه بنجاح توصيل مصفوفة كثيفة من الألياف بشريحة سيليكون، يفتح هذا العمل الباب أمام شبكات بصرية أكثر قوة وكفاءة. إن القدرة على توجيه الضوء رأسياً عبر هيكل زجاجي ثلاثي الأبعاد تعني أن المهندسين يمكنهم الآن تكديس المزيد من الاتصالات في مساحة أصغر، مما يعالج الحدود الفيزيائية التي أبطأت نمو مراكز البيانات والحوسبة عالية السرعة. يثبت الجهاز أنه من خلال هندسة الليزر الدقيقة، من الممكن نسج الضوء عبر الزجاج بنفس موثوقية السلك، مما يخلق أساساً للجيل القادم من الوصلات البصرية البينية.