Exceeding 500 Gbps thin film lithium niobate microring modulator and its applications
تقدم هذه الورقة البحثية مُعدِّل حلقة مجهرية من نيوبات الليثيوم ذو غشاء رقيق فائق السرعة على منصة محملة بنيت من نتريد السيليكون، يحقق معدل تعديل قياسيًا يبلغ 517 جيجابت في الثانية، ونطاقًا تردديًا كهروضوئيًا يتجاوز 110 جيجاهرتز، واستهلاك طاقة يبلغ 1.5 فيمتوجول لكل بت، مما يبرهن على إمكانات تحويلية لأنظمة الحوسبة الضوئية وأنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل التالي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://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 الطرق السريعة غير المرئية التي تحمل بيانات العالم، الضوء هو المركبة. ولجعل هذا الضوء مفيداً، يجب على المهندسين أن يكونوا قادرين على تشغيله وإطفائه، أو تغيير سطوعه، بسرعة مذهلة. هذه المفاتيح، المعروفة باسم المبدلات (modulators)، هي حراس بوابات الاتصالات الحديثة، حيث تحول الإشارات الكهربائية من أجهزة الكمبيوتر إلى نبضات ضوئية تسافر عبر الألياف البصرية. لعقود من الزمن، كانت أكثر المفاتيح موثوقية هي تلك الأجهزة الطويلة والمستقيمة التي يصعب حشرها بإحكام داخل شريحة كمبيوتر واحدة. وبينما توجد مفاتيح أصغر ذات شكل حلقي، إلا أنها كانت تاريخياً بطيئة جداً بالنسبة للمهام الأكثر تطلباً، وغالباً ما كانت تتعثر في عنق زجاجة حيث يظل الضوء عالقاً لفترة طويلة داخل الحلقة بحيث لا يمكن تغييره بالسرعة الكافية. لقد أعاق هذا القصور إمكانات الإنترنت الأسرع، والذكاء الاصطناعي الأكثر قوة، وطرق جديدة للتواصل لاسلكياً.
لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من بناء مفتاح حلقي كسر حاجز السرعة هذا، مثبتاً أن حلقة صغيرة يمكنها نقل البيانات بشكل أسرع مما كان يُعتقد سابقاً. ومن خلال الجمع بين طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم، وهي مادة معروفة بقدرتها على التحكم في الضوء، مع طبقة من نيتريد السيليكون، ابتكروا جهازاً يتميز بكونه مدمجاً وسريعاً للغاية في آن واحد. وكان مفتاح نجاحهم هو إعادة تصميم ذكية للأسلاك الكهربائية التي تتحكم في الضوء؛ فبدلاً من استخدام سلك قياسي بسيط، قاموا بلف الحلقة بقطب كهربائي ذو موجة مسافرة متماثل يعمل كطريق سريع للإشارات الكهربائية، مما يضمن وصولها في الوقت المناسب لتغيير الضوء دون تأخير. كما قاموا بتنعيم منحنيات مسار الضوء لمنع أي فقدان في الإشارة، مما سمح للجهاز بالعمل بسرعة مذهلة بلغت 517 جيجابت في الثانية. ولوضع هذه السرعة في منظور، يمكن لهذا الجهاز بمفرده أن ينقل محتويات فيلم عالي الدقة في أقل من ثانية.
لم يكتفِ الباحثون ببناء الجهاز فحسب، بل وضعوه قيد العمل في مجالين مختلفين تماماً لإثبات تعدد استخداماته. أولاً، استخدموه لإجراء حسابات للذكاء الاصطناعي، وتحديداً للتعرف على الأنماط في الصور. ومن خلال تغذية البيانات في الحلقة الضوئية، استطاع النظام التعرف فوراً على السمات في الصور، مثل الأنماط الفريدة لقزحية العين أو حواف الشكل، بدقة مثالية. وهذا يوضح أن هذه الحلقات الضوئية الصغيرة يمكن أن تعمل كدماغ لأجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة في المستقبل، حيث تعالج المعلومات بسرعة الضوء بدلاً من سرعة الكهرباء. ثانياً، اختبر الفريق الجهاز في نظام اتصالات لاسلكي؛ حيث استخدموا الحلقة لإرسال تدفقات متعددة من البيانات في وقت واحد عبر الهواء باستخدام ألوان مختلفة من الضوء. وعلى مسافة تقل قليلاً عن ثلاثة أقدام، نجح النظام في نقل البيانات بمعدل 360 جيجابت في الثانية على قناة واحدة، مع الحفاظ على إشارة واضحة حتى أثناء ارتدادها بين أهداف مختلفة.
وما يجعل هذا الإنجاز مهماً بشكل خاص هو الكفاءة التي يعمل بها الجهاز. فبالرغم من سرعته الخاطفة، فإنه يستهلك طاقة ضئيلة جداً، مستخدماً جزءاً صغيراً فقط من الطاقة التي تتطلبها التقنيات الأقدم. هذا المزيج من السرعة القصوى وانخفاض استهلاك الطاقة يشير إلى مستقبل يمكن فيه لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات التعامل مع كميات هائلة من المعلومات دون توليد حرارة مفرطة أو استنزاف شبكات الطاقة. وقد أكد الباحثون أن جهازهم يعمل بموثوقية عبر نطاق واسع من الظروف، حيث تظل البيانات واضحة وخالية من الأخطاء حتى عند هذه السرعات القياسية. ومن خلال التغلب على الحدود الفيزيائية التي كانت تحبس الضوء ذات يوم في حلقات بطيئة، يفتح هذا العمل الباب أمام جيل جديد من الأنظمة الفوتونية التي يمكنها دعم المتطلبات المتزايدة للذكاء الاصطناعي والاتصال العالمي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.