Microcomb-driven parallel coherent detection and communication enabled by a power-free optical phased array

تخيل عالماً لا تعود فيه الآلات التي ترى والآلات التي تتحدث مجرد أجهزة منفصلة وضخمة، بل تصبح أنظمة موحدة وصغيرة قادرة على القيام بكليهما في آن واحد. لعقود من الزمن، اعتمدت التكنولوجيا التي تسمح للسيارات ذاتية القيادة بـ "رؤية" محيطها والتكنولوجيا التي تنقل كميات هائلة من البيانات لاسلكياً على نفس الأداة الأساسية: الضوء. ومع ذلك، واجهت الأنظمة التقليدية التي تستخدم الض light bottleneck (عنق زجاجة) رئيسي؛ فلتوجيه شعاع ما لمسح بيئة معينة أو لإرسال بيانات إلى عدة أشخاص في وقت واحد، كان على المهندسين عادةً استخدام أجزاء ميكانيكية تتحرك فعلياً لتوجيه الشعاع، أو كان عليهم حشد عشرات الليزرات المنفصلة، مما جعل هذه الأنظمة باهظة الثمن وثقيلة وصعبة التوسع. لقد كان الحلم طويلاً يتمثل في إنشاء نظام يمكنه إسقاط العديد من أشعة الضوء في اتجاهات مختلفة في الوقت نفسه تماماً، وكل ذلك من شريحة واحدة صغيرة وبدون أي أجزاء متحركة.

لقد قطع فريق من الباحثين في جامعة تشجيانغ والمتعاونين معهم خطوة مهمة نحو جعل هذا الحلم حقيقة. فقد قاموا ببناء واختبار نوع جديد من الأجهزة يجمع بين مصدر ضوء خاص ومصفوفة هوائيات فريدة لإنشاء نظام يمكنه اكتشاف الأشياء والتواصل مع مستخدمين متعددين في آن واحد. يكمن جوهر ابتكارهم في "المشط الدقيق" (microcomb)، وهو مصدر ضوء ينتج طبيعياً العديد من ألوان الضوء المتميزة في وقت واحد، حيث يعمل كليزر واحد تم تقسيمه إلى قوس قزح من الأشعة المتوازية. وبدلاً من استخدام عناصر تحكم إلكترونية معقدة أو محركات لتوجيه هذه الأشعة، صمم الباحثون شريحة قائمة على السيليكون تستخدم الخصائص الطبيعية للضوء وشكل الشريحة نفسها لإرسال كل لون من ألوان الضوء في اتجاه مختلف. هذا النهج يلغي الحاجة إلى عناصر تحكم إلكترونية تستهلك الكثير من الطاقة، مما يسمح للنظام بالعمل باستهلاك صفري للطاقة في توجيه الأشعة.

أظهر الباحثون هذه التكنولوجيا من خلال إنشاء شريحة صغيرة جداً لدرجة أنها يمكن أن تستقر على طرف الإصبع، حيث تبلغ أبعادها 1.8 في 4.0 مليمتر فقط. وعلى هذا السطح الصغير، رتبوا سلسلة من المسارات الموجية الدقيقة وهياكل الهوائيات الشبكية التي تعمل كآلية توجيه سلبية. عندما يدخل الضوء متعدد الألوان من المشط الدقيق إلى الشريحة، يتم فصل الألوان المختلفة وتوجيهها طبيعياً إلى الهواء بزوايا محددة، مما يخلق شبكة من نقاط الضوء المتميزة. ولأن الشريحة تستخدم تصميماً مرآتياً، فإنها تضاعف عدد هذه النقاط فعلياً دون زيادة حجم الجهاز. وفي تجاربهم، أظهر الفريق أن هذا الإعداد يمكنه توليد مجال رؤية يغطي مساحة 22.3 درجة في 9.1 درجة، مع وجود نقاط كافية كافية لتغطية مئات المواقع المختلفة في الفضاء. كانت الأشعة حادة ومركزة، مع القليل جداً من تسرب الضوء إلى المناطق غير المرغوب فيها، مما أثبت قدرة النظام على التمييز بين الأهداف المختلفة بوضوح.

ولاختبار القيمة العملية لهذا النظام، استخدمه الباحثون للقيام بمهمتين حرجتين في وقت واحد: قياس المسافة وإرسال البيانات. بالنسبة لقياس المسافة، استخدموا تقنية يتم فيها إزاحة الضوء قليلاً في التردد بمرور الوقت. ومن خلال عكس هذا الضوء عن هدف على شكل حرف "U" ولوحة مسطحة، تمكن النظام من حساب المسافة إلى كل جسم بدقة عالية. وأظهرت النتائج أن النظام استطاع التمييز بوضوح بين الهدف الذي على شكل حرف U، والذي يبعد حوالي نصف متر، وبين اللوحة الخلفية التي كانت أبعد في الخلف. وفي الوقت نفسه، استخدموا نفس مصفوفة أشعة الضوء لإرسال بيانات عالية السرعة إلى مستقبِلات متعددة. وفي عرض تجريبي لإثبات المفهوم، قاموا بنقل معلومات رقمية إلى أحد عشر مستخدماً في آن واحد، حيث تلقى كل مستخدم تدفقاً منفصلاً من البيانات. كانت جودة الإشارة قوية بما يكفي لقراءتها بوضوح، مما أثبت أن النظام يمكنه التعامل مع الاتصالات عالية السرعة دون أن تتداخل الأشعة مع بعضها البعض.

ولعل العرض الأكثر إقناعاً كان دمج هاتين الوظيفتين في عملية واحدة موحدة. فقد أظهر الباحثون أن مجموعة أشعة الضوء نفسها يمكن أن تعمل كمستشعر وكرابط اتصال في آن واحد. في هذا السيناريو، تم إرسال أشعة الضوء لاكتشاف مسافة عدة مستخدمين وفي الوقت نفسه تقديم البيانات إليهم. نجح النظام في قياس المسافة إلى أربعة مستخدمين مختلفين وتقديم البيانات لهم في آن واحد، حيث عملت أجهزة الاستقبال كأهداف للمستشعر وكمستقبلات للرسالة في آن واحد. تشير هذه القدرة المزدوجة إلى مستقبل يمكن فيه لجهاز واحد مدمج أن يوفر "العيون" لروبوت للتنقل و"الصوت" ليتحدث مع الآلات الأخرى، وكل ذلك دون الحاجة إلى مكونات ثقيلة ومستنزفة للطاقة.

يعتمد نجاح هذه التجربة على تصميم مختلف جوهرياً عن المحاولات السابقة. فغالباً ما كانت الأنظمة السابقة تتطلب عناصر تحكم إلكترونية معقدة لضبط طور الضوء لكل هوائي على حدة، وهي عملية تستهلك طاقة كبيرة وتتطلب توصيلات معقدة. يتجاوز هذا التصميم الجديد هذه المتطلبات تماماً؛ فمن خلال هندسة طول المسارات التي يسلكها الضوء داخل الشريحة وتباعد الهوائيات بعناقة، ضمن الباحثون أن الضب يعيد تشكيل النمط الصحيح بشكل طبيعي عند خروجه. إن نهج "الطاقة الصفرية" في توجيه هذه الأشعة يعني أن النظام ليس فقط أبسط وأرخص في البناء، بل هو أيضاً أكثر موثوقية، حيث لا توجد أجزاء متحركة لتتآكل أو دوائر إلكترونية لتتعطل. وقد تم تصنيع الجهاز بأكمله باستخدام عمليات تصنيع قياسية، مما يشير إلى إمكانية إنتاجه على نطاق واسع.

بينما يستخدم النموذج الأولي الحالي مصدراً ضوئياً مختبرياً لتوليد المشط الدقيق، يشير الباحثون إلى أن المسار المستقبلي يتضمن دمج مصدر الضوء مباشرة على نفس الشريحة. وهذا من شأنه أن يخلق وحدة متكاملة تماماً، مما يلغي الحاجة إلى التوصيلات الخارجية ويقلل من حجم ومتطلبات الطاقة بشكل أكبر. كما حدد الفريق أن إضافة مضخمات لتعزيز قوة الضوء على الشريحة يمكن أن يمد نطاق عمل النظام، مما يجعله مناسباً للتطبيقات بعيدة المدى. تشير هذه التحسينات المحتملة نحو مستقبل يمكن فيه دمج هذه التكنولوجيا في كل شيء، بدءاً من السيارات ذاتية القيادة وصولاً إلى البنية التحتية للمدن الذكية.

لا يدعي العمل المقدم هنا أنه قد حل جميع التحديات في هذا المجال، ولكنه يقدم طريقة واضحة ومثبتة لتحقيق الكشف والاتصال المتوازي دون العيوب التقليدية المتمثلة في التكلفة والتعقيد. ومن خلال إثبات أن شريحة واحدة سلبية يمكنها إدارة مئات أشعة الضوء في وقت واحد، فتح الباحثون باباً جديداً لتطوير الأنظمة التي تعتمد كلياً على الحالة الصلبة (all-solid-state). وتؤكد النتائج أنه من الممكن إنشاء استشعار عالي معدل الإطارات واتصالات عالية السعة باستخدام منصة موحدة وفائقة الصغر. ومع نضوج هذه التكنولوجيا، فإنها تعد بتغيير كيفية إدراك الأنظمة الذكية للعالم وتفاعلها معه، محولةً المهمة المعقدة للرؤية والتحدث إلى عملية سلسة وفعالة.