Lithography-free in situ photonic inverse design
تستعرض هذه الورقة نهجاً خالياً من الليثوغرافيا للتصميم العكسي الفوتوني عبر استخدام جهاز قابل للبرمجة وذي شكل حر من نيبات الليثيوم رقيقة الغشاء، يمكن تدريبه في الموقع لأداء وظائف بصرية متنوعة وعالية الأداء — مثل تبديل الأنماط، وتفكيك التعدد، والضرب المصفوفي المتجه — مما يؤدي إلى تقليل تكاليف التصنيع عبر تطبيقات متعددة والتغلب على قيود الأجهزة التقليدية المصممة عكسياً والثابتة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الدوائر الضوئية المتناهية الصغر، واجه المهندسون لفترة طويلة مفارقة محبطة. فلبناء جهاز يؤدي مهمة محددة باستخدام الضوء، مثل فرز الألوان المختلفة أو توجيه الإشارات، يعتمدون عادةً على طريقة تسمى "التصميم العكسي". تستخدم هذه الطريقة حواسيب قوية لحساب الشكل المثالي لشريحة ما، مما ينتج عنه غالباً هياكل معقدة للغاية وغير بديهية لدرجة أن البشر لا يمكنهم رسمها أبداً. ومع ذلك، تصطدم هذه الطريقة بحائط مسدود عندما يتعلق الأمر ببناء الشيء الحقيقي؛ إذ إن المحاكاة الحاسوبية ليست دقيقة تماماً أبداً، فالعيوب المجهرية الناتجة عن التصنيع والواقع الفعلي الفوضوي للخلق الفيزيائي تخلق فجوة بين المخطط الرقمي والجهاز الفعلي. وعندما يتم صنع الشريحة أخيراً، فإنها غالباً ما تؤدي أداءً أسوأ مما توقعه الحاسوب. ولإصلاح ذلك، يتعين على المهندسين البدء من جديد، بتصنيع شريحة جديدة، واختبارها، والمحاولة مرة أخرى. هذه الدورة بطيئة ومكلفة، وتعني أنه بمجرد صنع الشريحة، تصبح وظيفتها ثابتة للأبد؛ فإذا كنت تريد وظيفة مختلفة، فأنت بحاجة إلى شريحة جديدة تماماً.
لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة كورنيل ومؤسسة "إن تي تي" (NTT Research) طريقة لكسر هذه الدورة. فبدلاً من محاولة إتقان محاكاة رقمية قبل البناء، قاموا أولاً ببناء شريحة واحدة مرنة ثم علموها كيفية أداء مهام مختلفة مباشرة في المختبر. لقد صنعوا لوحاً رقيقاً من بلورة خاصة تسمى "نيوبات الليثيوم"، والتي تمتلك قدرة فريدة على تغيير كيفية انحناء الضوء عند تعرضها للكهرباء. ومن خلال تغطية هذا اللوح بمادة حساسة للضوء، تمكنوا من التحكم في تدفق الكهرباء عبره ببساطة عن طريق تسليط نمط من الضوء على سطحه. وقد سمح لهم ذلك بتحويل السطح بأكمله للشريحة إلى مشهد قابل للبرمجة يتكون من نحو عشرة آلاف منطقة صغيرة، كل منها قادرة على تغيير مسار الضوء المار عبرها.
استخدم الباحثون بعد ذلك عملية يسمونها "التصميم العكسي في الموقع" (in situ). فبدلاً من محاكاة الجهاز على الحاسوب والأمل في نجاحه، وضعوا الشريحة الفعلية في إعداد بصري وتركوها تتعلم. قاموا بإسقاط نمط محدد من الضوء على الشريحة لتحديد وظيفة ما، مثل فرز حزم ضوئية مختلفة أو ضرب الأرقام. قام النظام بقياس كيفية خروج الضوء فعلياً، ومقارنته بالنتيجة المرغوبة، ثم استخدم الحاسوب لحساب كيفية تعديل نمط الضوء المسقط للوصول إلى الهدف المنشود. كانت هذه الحلقة من القياس والتعديل تحدث في الوقت الفعلي، مما سمح للجهاز بإيجاد التكوين المثالي لمهمة معينة في غض-ن دقائق معدودة. ولأن الشريحة تُبرمج عن طريق الضوء بدلاً من حفر أخاديد دائمة فيها، استطاع الباحثون مسح وظيفة واحدة وكتابة وظيفة جديدة تماماً على نفس القطعة المادية في ثوانٍ.
أظهر الفريق قوة هذا النهج من خلال تحويل جهازهم الواحد إلى مجموعة متنوعة من الأدوات الضوئية. فقد برمجوه ليعمل كمفتاح يمكنه إعادة ترتيب أربع أو ثماني حزم ضوئية مختلفة، ونقلها من مدخل واحد إلى مخرج محدد بدقة عالية. كما علموه أيضاً فصل أنواع مختلفة من الأنماط الضوئية المعروفة باسم "أنماط هيرميت-غوصيان" (Hermite–Gaussian modes)، وهي مهمة تتطلب عادةً شريحة مخصصة ومصنوعة خصيصاً. وفي تجربة أخرى، هيأوا الجهاز للقيام بعملية ضرب المصفوفات والمتجهات، وهي عملية رياضية أساسية للحوسبة الضوئية، باستخدام مصفوفات عشوائية. أدى الجهاز هذه المهام بمستوى خطأ منخفض جداً، حيث حافظ على تسرب الإشارة غير المرغوب فيه، والمعروف باسم "التداخل" (crosk-talk)، عند مستويات منخفضة تصل إلى سالب سبعة وعشرين ديسيبل لعملية إعادة ترتيب الحزم الأربع.
وإلى جانب مجرد إعادة ترتيب الضوء، أظهر الباحثون قدرتهم على التحكم في سلوك الجهاز عبر ألوان (أو أطوال موجية) مختلفة من الضوء. فقد برمجوا الشريحة لتعمل بشكل متطابق سواء كان الضوء عند 1500 نانومتر أو 1600 نانومتر، مما خلق جهازاً قوياً ضد تغيرات الألوان. وعلى العكس من ذلك، برمجوه أيضاً ليعمل كمقسم يفصل الضوء عند 1310 نانومتر عن الضوء عند 1550 نانومتر، حيث يرسل كل لون إلى مخرج مختلف. وتثبت هذه القدرة المزدوجة أن نفس اللوح المادي يمكن تشكيله إما لتجاهل اختلافات الألوان أو لاستغلالها، اعتماداً كلياً على نمط الضوء المسقط عليه.
يشير هذا العمل إلى مسار جديد لمستقبل علم الضوئيات (Photonics)، حيث لا يُهدر الاستثمار في صنع الشريحة على وظيفة واحدة فقط. فبدلاً من مصنع ينتج آلاف الشرائح المختلفة قليلاً لوظائف مختلفة، يمكن تصنيع جهاز واحد، وتوصيفه، ثم إعادة تكوينه عند الطلب لأداء أي عدد من المهام. وبينما يعد النموذج الأولي الحالي جهازاً مختبرياً يتطلب ليزرات وكاميرات خارجية للتشغيل، فقد رسم الباحثون مساراً واضحاً لجعل هذه الأنظمة أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. ومن خلال تحسين المواد وطريقة إسقاط الضوء، يعتقدون أن هذه الألواح القابلة للبرمجة يمكن أن تعمل في النهاية بسرعات أكبر بآلاف المرات مما هي عليه الآن، مما يجعلها قابلة للتطبيق في تطبيقات العالم الحقيقي مثل مراكز البيانات والشبكات العصبية الضوئية. والخلاصة الجوهرية هي أن الطبيعة الجامدة والوحيدة لمرة واحدة لتصنيع الشرائح التقليدية لم تعد ضرورة؛ إذ يمكن الآن تشكيل الضوء وإعادة تشكيله على سطح واحد، مما يحول قطعة الأجهزة الثابتة إلى أداة ديناميكية متعددة الأغراض.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.