Highly Reconfigurable Microwave Photonic All-Pass Filters based on Optical Microcombs

في عالم الاتصالات اللاسلكية غير المرئي، تنتقل الإشارات كأمواج من الطاقة، حاملةً كل شيء بدءاً من المكالمات الهاتفية وصولاً إلى صور الرادار. ولجعل هذه الإشارات مفيدة، يجب على المهندسين تشكيلها، غالباً عن طريق ضبط توقيتها أو طورها (phase)—وهو مصطلح تقني يشير إلى الموقع الدقيق للموجة في دورتها. تخيل الموجة كأنها موجة محيط متلاطمة؛ تغيير طورها يعني تحريك قمة تلك الموجة قليلاً إلى الأمام أو الخلف دون تغيير ارتفاع الموجة. هذه القدرة على التلاعب بالتوقيت دون تغيير قوة الإشارة أمر بالغ الأهمية للتقنيات الحديثة مثل أنظمة الرادار وهوائيات المصفوفات الطورية، التي توجه حزم الطاقة إلكترونياً بدلاً من تحريك أجزاء مادية. لعقود من الزمن، كان إنشاء أجهزة يمكنها تنفيذ هذا الضبط الدقيق للتوقيت بدقة ومرونة عالية يمثل تحدياً. فالطرق الإلكترونية التقليدية تعاني من مشاكل في السرعة وعرض النطاق الترددي، بينما تعاني الطرق البصرية القديمة غالباً من فقدان الإشارة أو عدم القدرة على إعادة التشكيل بسهولة بمجرد بنائها.

لقد استعرض باحث في جامعة سوبرن للتكنولوجيا الآن طريقة جديدة لحل هذه المشكلة باستخدام أداة متخصصة تسمى "المشط الضوئي الدقيق" (optical microcomb). يولد هذا الجهاز شعاعاً واحداً من الضوء ينقسم إلى عشرات الألوان المتميزة والمتباعدة بانتظام، تماماً مثل أسنان المشط. ومن خلال استخدام هذه الألوان المتعددة كقنوات منفصلة، بنى الباحث مرشحاً (filter) يمكنه تشكيل إشارات الميكروويف بتحكم مذهل. وقد أظهر أن هذا النظام يمكنه إنشاء ما يعرف بـ "المرشحات تمرير الكل" (all-pass filters)، والتي تغير توقيت الإشارة دون إضعافها. نجح الباحث في بناء واختبار نسخ من هذا المرشح يمكن إعادة برمجتها فورياً، ببساطة عن طريق تغيير إعدادات البرامج بدلاً من استبدال الأجزاء المادية. يسمح هذا النهج بإجراء تعديلات حادة ودقيقة على توقيت الإشارة، محققاً تأخيرات تصل إلى 1,740 بيكوثانية—واحد من تريليون من الثانية—مع الحفاظ على قوة الإشارة ثابتة تقريباً.

يكمن جوهر هذا العمل في نظام يعامل الضوء وموجات الراديو معاً، وهو مجال يُعرف باسم "الإلكترونيات الضوئية للميكروويف" (microwave photonics). فبدلاً من الاعتماد على شعاع ضوئي واحد للقيام بالعمل، استخدم الباحث "المشط الدقيق" لإنشاء مرشح عرضي (transversal filter). في هذا الإعداد، تعمل ألوان الضوء المختلفة من المشط كقنوات أو "نقاط" (taps) فردية. تحمل كل قناة نسخة من إشارة الميكروويف الواردة، ولكن بوزن محدد وتأخير طفيف مقارنة بجيرانها. وعندما تُجمع هذه النسخ المتأخرة معاً ويتم رصدها، فإنها تندمج لتشكل إشارة جديدة ذات ملف توقيت محدد. تكمن عبقرية التصميم في أنه من خلال تعديل الوزن المخصص لكل قناة لونية عبر البرمجيات، يمكن للباحث تغيير سلوك المرشح بالكامل. يمكنهم التبديل بين أنواع مختلفة من المرشحات، أو ضبط التردد المركزي حيث يكون إزاحة التوقيت في أقوى حالاتها، أو تغيير مدى حدة تغيرات التوقيت، وكل ذلك دون لمس الأجهزة.

لإثبات هذا المفهوم، أنشأ الباحث إعداداً تجريبياً بدأ بشعاع ليزر مستمر. تم تضخيم هذا الشعاع وإرساله إلى "رنان حلقي دقيق" (micro-ring resonator)، وهو حلقة مجهرية من الزجاج تحبس الضوء، ومن خلال التفاعلات غير الخطية، تولد "المشط الدقيق". احتوى الضوء الناتج على 90 خطاً متميزاً ضمن نطاق الاتصالات القياسي، مما وفر قنوات كافية لبناء مرشح معقد. ولأن الضوء الأولي من المشط لم يكن متساوياً تماماً في السطوع، استخدم الباحث "مُشكلاً طيفياً" (spectral shaper) لتسطيح مستويات القدرة عبر جميع الألوان. ضمن ذلك مساهمة كل قناة بشكل متساوٍ في الإشارة النهائية. ثم تم تضخيم الضوء المسطح وإرساله إلى "مُعدِّل" (modulator)، حيث تم نقش إشارة الميكروويভ المراد ترشيحها على الضوء.

بعد ذلك، انتقلت الإشارة عبر ملف طويل من الألياف الضوئية، مما أدى إلى إدخال تأخير دقيق بين قنوات الألوان المختلفة. هذا التأخير هو مفتاح عمل المرشح؛ فهو يضمن وصول نسخ الإشارة إلى الكاشف في أوقات مختلفة قليلاً، مما يسمح لها بالتداخل مع بعضها البعض بطريقة محكومة. أخيراً، قام كاشف ضوئي متوازن بدمج الإشارات من القنوات المختلفة، محولاً الضوء مرة أخرى إلى إشارة ميكروويف كهربائية. اختبر الباحث هذا النظام ببرمجته ليعمل كمرشح من الدرجة الأولى ومرشح من الدرجة الثانية، واللذين يمثلان مستويات مختلفة من التعقيد في كيفية تشكيل الإشارة.

في تجاربه، وجد الباحث أن النظام يعمل بدقة عالية. بالنسبة لمرشح الدرجة الأولى، حقق أقصى تباين في سعة الإشارة بنحو 1.95 ديسيبل، مما يعني أن قوة الإشارة ظلت مستقرة جداً، بينما وصل إلى أقصى تأخير في المجموعة إلى حوالي 580 بيكوثانية. أما بالنسبة لمرشح الدرجة الثانية الأكثر تعقيداً، فقد كان تباين السعة منخفضاً بشكل مماثل عند حوالي 2.01 ديسيبل، لكن النظام حقق تأخيراً أكبر بكثير بلغ حوالي 1,740 بيكوثانية. أكدت هذه النتائج أن المرشح يمكنه التلاعب بطور الإشارة بفعالية دون تشويه قوتها. علاوة على ذلك، أظهر الباحث أنه يمكنه ضبط خصائص المرشح بشكل مستقل أو معاً. كان بإمكانهم تغيير التردد المركزي للمرشح أو تعديل حدة انتقال الطور ببساء تغيير أوزان معاملات النقاط (tap coefficients). سمحت هذه المرونة بالحفاظ على أداء ثابت حتى أثناء نقل المرشح إلى ترددات مختلفة، وهو أمر يصعب تحقيقه باستخدام المرشحات التقليدية القائمة على الأجهزة.

يسلط هذا البحث الضوء على ميزة كبيرة مقارنة بالطرق السابقة. كانت الأساليب القديمة تعتمد غالباً على مرشحات بصرية سلبية، مثل الرنانات الحلقية الدقيقة، والتي تكون محدودة بهيكلها الفيزيائي. تغيير سلوك تلك المرشحات يتطلب عادةً تعديلات فيزيائية أو ضبطاً حرارياً، وهي عمليات قد تكون بطيئة وغير دقيقة. في المقابل، يوفر النظام المدفوع بالمشط الدقيق درجة عالية من قابلية إعادة التشكيل. أظهر الباحث أنه بمجرد تغيير تعليمات البرامج، يمكنهم تغيير رتبة المرشح، وضبط التردد المركزي، وتعديل خصائص التأخير. تشير هذه القدرة إلى مسار نحو أنظمة معالجة إشارات أكثر تنوعاً وديناميكية. وأشار الباحث إلى أنه بينما استخدم إعداده الحالي مكونات منفصلة مثل لفائف الألياف والليزر المنفصل، يمكن دمج النظام بأكمله في شريحة واحدة. من شأن هذا التكامل أن يقلل من الحجم والوزن واستهلاك الطاقة، مما يجعل التكنولوجيا أكثر عملية للتطبيقات الواقعية مثل الرادار المتقدم والاتصالات عالية السرعة.

كما تناول الباحث قيود نهجه. لاحظ أن سعة الإشارة لم تكن مسطحة تماماً، حيث أظهرت تموجات صغيرة أكبر قليلاً من تلك التي لوحظت في بعض الدراسات السابقة. وعزا ذلك إلى الطبيعة المتأصلة لطريقته، التي تستخدم عدداً محدوداً من القنوات لتقريب استجابة مثالية، وكذلك إلى الضوضاء والعيوب في المكونات التجريبية. ومع ذلك، وجد أن زيادة عدد القنوات أو "النقاط" يقلل بشكل كبير من هذه التموجات، مما يقرب الأداء من الحالة المثالية. كما لاحظ أن نظامه يتجنب بطبيعته بعض مشكلات الاستقرار الموجودة في المرشحات البصرية الأخرى، لأنه لا يعتمد على محاذاة عدة تجاويف رنينية. وقد أظهر "المشط الدقيق" (soliton-crystal microcomb) الذي استخدمه استقراراً في التشغيل لفترات طويلة، مما يشير إلى أن النظام يمكن أن يكون موثوقاً للاستخدام طويل الأمد.

يمثل هذا العمل خطوة للأمام في القدرة على التحكم في إشارات الميكروويف باستخدام الضوء. فمن خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة للمشط الضوئي الدقيق، نجح الباحث في إنشاء مرشح يتميز بالأداء العالي والمرونة العالية. إن القدرة على برمجة استجابة المرشح دون تغيير الأجهزة تفتح آفاقاً جديدة لمعالجة الإشارات الديناميكية. ومع نضوج هذه التكنولوجيا وانتقالها نحو حلول الشريحة المتكاملة، يمكن أن تصبح أداة قياسية لإدارة متطلبات التوقيت المعقدة لأنظمة الاستشعار والاتصالات المستقبلية. إن عرض كل من مرشحات الدرجة الأولى والثانية، جنباً إلى جنب مع النجاح في ضبط معاييرها، يوفر أساساً صلباً لمزيد من التطوير في هذا المجال.