Monolithic high density integrated photonics on bulk lithium niobate

الضوء هو محرك المعلومات الحديثة، حيث ينقل البيانات عبر المحيطات وعبر الهواء بسرعة الضوء. ولتسخير هذه القوة للحواسيب والاتصالات، قضى العلماء عقودًا في تقليص المكونات البصرية الضخمة لتصبح بحجم ظفر الإصبع، مما أدى إلى إنشاء دوائر دقيقة ينتقل من خلالها الضوء بدلاً من الكهرباء. ولكي تكون هذه الدوائر مفيدة حقًا، يجب أن تكون رخيصة الصنع، وصغيرة بما يكفي لتعبئة الملايين منها على شريحة واحدة، وقادرة على تغيير سلوكها بسرعة. وبينما كان السيليكون هو العمود الفقري لهذه الصناعة، فإنه يعاني في تغيير الضوء عند الطلب دون فقدان الطاقة. أما الكريستال المسمى "نيوبات الليثيوم"، فقد ظل لفترة طويلة المادة المثالية لهذه المهمة لأنه يمكنه التحكم في الضوء بسرعة وكفاءة مذهلتين، لكنه ظل مستعصيًا على الاستخدام في الإنتاج الضخم. فالطريقة التقليدية للبناء به تتضمن تقطيع الكريستال إلى طبقات رقيقة جدًا كالورق ولصقها بمواد أخرى، وهي عملية مكلفة وهشة وصعبة التوسع.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة دلفت للتكنولوجيا طريقة لتجاوز هذه الصعوبات تمامًا. فبدلاً من التقطيع واللصق، قاموا ببناء دائرة متكاملة بالكامل مباشرة على كتلة صلبة من الكريستال. لقد قاموا بتنمية طبقة رقيقة من كربيد السيليكون غير المتبلور فوق قطعة قياسية سميكة من نيوبات الليثيوم، ونحتوا قنوات صغيرة فيها لتوجيه الضوء. هذا النهج يحافظ على بساطة التصنيع وتوافقه مع المصانع التي تصنع رقائق الكمبيوتر بالفعل، بينما يسمح في الوقت نفسه للضوء بالتفاعل مع الخصائص القوية للكريستال الموجود تحتها. والنتيجة هي منصة ليست فقط أرخص وأسهل في الصنع، بل إنها تؤدي أداءً أفضل من المحاولات السابقة، محققة مستوى من التحكم في الضوء كان يُعتقد سابقًا أنه يتطلب تجهيزات أكثر تعقيدًا بكثير.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في كيفية تعامل الباحثين مع المواد. فنبات الليثيوم هو كريستال قوي، لكنه معروف بصعوبة قطعه وتشكيله بالدقة المطلوبة للإلكترونيات الحديثة. حاولت الطرق السابقة حل ذلك عن طريق إنشاء غشاء رقيق من الكريستال ولصقه بشريحة سيليكون، وهي تقنية تتطلب درجات حرارة عالية وتداولاً دقيقًا. أما الطريقة الجديدة فتتخطى الغشاء الرقيق تمامًا؛ حيث بدأ الباحثون بشريحة قياسية سميكة من نيوبات الليثيوم ووضعوا طبقة من كربيد السيليكون غير المتبلور فوقها. هذه المادة شفافة للضوء ويمكن نمذجتها بدقة متناهية باستخدام أدوات قياسية. ومن خلال إبقاء العملية بأكملها تحت درجة حرارة 300 درجة مئوية، ضمنوا بقاء الكريستال الأساسي دون مساس أو ضرر. وهذا يعني أن الضوء يسافر عبر مسار هجين: معظم مساره في طبقة كربيد السيليكون، ولكن جزء كبير من طاقته ينخفض إلى داخل نيوبات الليثيوم، حيث يمكن التحكم فيه.

ولإثبات نجاح هذا النظام، بنى الفريق دوائر صغيرة على شكل حلقات حيث يدور الضوء باستمرار. تعمل هذه الحلقات ككواشف حساسة لمدى جودة توجيه الضوء وسهولة ضبطه. وقد قاسوا فقدان الضوء أثناء انتقاله عبر قنوات كربيد السيليكون ووجدوا أنه منخفض بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن الضوء يتحرك بسلاسة دون تشتت أو تلاشٍ. كما اختبروا مدى إمكانية تعديل الدائرة باستخدام الحرارة والكهرباء. فعندما طبقوا كمية صغيرة من الحرارة، تغير لون الضوء، وهي خاصية تُعرف باسم الضبط الحراري البصري. والأكثر إثارة للإعجاب، هو أنه عندما طبقوا جهدًا كهربائيًا، تحرك الهيكل الداخلي للكريستال بدرجة كافية لتغيير مسار الضوء. وقد قاسوا كفاءة هذا التحكم الكهربائي ووجدوا أنه يتطلب حاصل ضرب الجهد في الطول قدره 2.87 فولت-سنتيمتر لتبديل الضوء، وهو رقم قياسي عالٍ للدوائر المبنية مباشرة على كتلة نيوبات الليثيوم. وهذا يعني أن الجهاز يمكنه تبديل الضوء (تشغيل وإيقاف) بسرعة كبيرة وبطاقة ضئيلة جدًا.

لم يتوقف الباحثون عند الحلقات البسيطة؛ بل أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم التحكم في تدفق الضوء بدقة أكبر. ولتحقيق ذلك، نحتوا سلسلة من الثقوب البيضاوية الصغيرة في طبقة كربيد السيليون، مما خلق هيكلًا يُعرف بالبلورة الفوتونية. تخيل صفًا من الأعمدة التي يجب على الضوء أن ينسج طريقه من خلالها؛ فمن خلال توزيع هذه الأعمدة بمسافات مدروسة، يمكنهم إنشاء حاجز يمنع مرور ألوان معينة من الضوء بينما يسمح بمرور أخرى. استخدم الفريق هذه التقنية لبناء مرشحات ومرايا يمكنها حبس الضوء في مساحة صغيرة. لقد أنشأوا تجويفًا، أو فخًا، للضوء بين هيكلي المرآة هذين. وداخل هذا الفخ، ارتد الضوء ذهابًا وإيابًا، وقاس الباحثون المدة التي بقي فيها. ووجدوا أن الضوء كان محصورًا بمعامل جودة قدره 76,437، وهو رقم يشير إلى أن الضوء يدور مرات عديدة قبل الهروب. هذا المستوى من الحصر لا يمكن تحقيقه عادة إلا باستخدام هياكل معلقة أكثر تعقيدًا، مما يثبت أن نهجهم المسطح والصلب يعمل بنفس الكفاءة.

النتيجة الأكثر إثارة جاءت عندما جمعوا هذه البلورات الفوتونية مع الضبط الكهربائي. فمن خلال إبطاء الضوء أثناء مروره عبر الهيكل البلوري، جعلوا الضوء يقضي وقتًا أطول في التفاعل مع المجال الكهربائي. هذا يشبه كيف أن سيارة تتحرك ببطء عبر حقل طيني تتعثر أكثر من سيارة تمر بسرعة، ولكن في هذه الحالة، فإن الضوء "المتعثر" يتفاعل بقوة أكبر مع المادة. هذا التأثير المتمثل في الإبطاء عزز كفاءة التحكم الكهربائي بمعامل قدره 8.5. وعند نقاط محددة بالقرب من حافة نطاق تشغيل الكريستال، أصبح الجهاز حساسًا للغاية، حيث تطلب جهدًا أقل بكلاً لتبديل الضوء. وقد أثبت هذا أن المنصة لا يمكنها توجيه الضوء فحسب، بل يمكنها أيضًا هندسة سلوكه لتعظيم الأداء.

إن أهمية هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من نوع واحد من الكريستال. فالطريقة المستخدمة لإنشاء هذه الدوائر متوافقة تمامًا مع عمليات التصنيع القياسية المستخدمة في رقائق الكمبيوتر، مما يعني إمكانية توسيع نطاقها لإنتاج ملايين الأجهزة بتكلفة منخفضة. فهي تتجنب الحاجة إلى الخطوات المكلفة والمعقدة لتقطيع الأغشية الرقيقة أو ربط المواد المختلفة معًا. وقد أظهر الباحثون أن هذا النهج يمكن تطبيقه على أنواع أخرى من الكريستالات الوظيفية المستخدمة في البصريات، مما يفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة الفوتونية. ومن خلال إثبات إمكانية بناء دوائر عالية الأداء وقابلة للضبط مباشرة على كتل صلبة من المواد، فقد أزالوا عائقًا رئيسيًا كان يمنع التكنولوجيا البصرية المتقدمة من أن تصبح جزءًا قياسيًا من الإلكترونيات اليومية. لقد أصبح المسار الآن أوضح، مع وجود طريق نحو فوتونيات عالية الكثافة ومنخفضة التكلفة تعتمد على تصنيع بسيط ومتين بدلاً من الحيل الدقيقة والمكلفة.