High-power ultrabroadband electro-optic frequency combs in thin-film lithium niobate

يعد الضوء والكهرباء المحركين التوأمين للعالم الحديث، ومع ذلك فهما يتحدثان لغتين مختلفتين. فالضوء، الذي يسابق الزمن عبر كابلات الألياف الضوئية، يحمل تدفقات البيانات الهائلة للإنترنت، بينما تتحكم الكهرباء، التي تتحرك ببطء أكبر عبر الأسلاك النحاسية، في توقيت ومنطق أجهزة الكمبيوتر والمستشعرات لدينا. ويعد سد الفجوة بين هذين المجالين بكفاءة تحديًا أساسيًا في الفيزياء. فقد سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة لتحويل إشارات الميكروويف — وهي النبضات الكهربائية السريعة التي تشغل تقنياتنا — مباشرة إلى ضوء، وبالعكس، دون فقدان المعلومات أو هدر الطاقة. وهذا التحويل هو المفتاح لاتصالات أسرع، ومستشعرات فائقة الدقة، ومجال الشبكات الكمومية الناشئ، حيث تُرسل الحالات الكمومية الحساسة عبر مسافات طويلة. والأداة المثالية لهذه المهمة ستكون جهازًا يمكنه أخذ شعاع ضوئي ثابت وتقطيعه إلى نمط نبضي دقيق ومتكرر، مما يخلق "مشطًا تردديًا". فكر في هذا المشط كمسطرة للضوء، تحتوي على آلاف الخطوط المتباعدة بانتظام والتي يمكنها قياس الوقت والتردد بدقة مذهلة.

لسنوات، حاول الباحثون بناء هذه الأمشاط على رقائق كمبيوتر صغيرة، لكنهم واجهوا مقايضة مستعصية. فمن أجل صنع إشارة قوية، يحتاج الضوء والكهرباء من نوع الميكروويف إلى السفر معًا لمسافة طويلة داخل الرقاقة. ومع ذلك، أثناء رحلتهما، تتلاشى إشارة الميكروويف طبيعيًا، ويتم امتصاص الضوء أو تشتته بواسطة المادة. فإذا كانت الرقاقة قصيرة جدًا، تكون الإشارة ضعيفة؛ وإذا كانت طويلة جدًا، تموت الإشارة قبل أن تتمكن من القيام بأي عمل مفيد. وقد أبقت هذه المحدودية أمشاط الضوء عالية الأداء بعيدة عن الكثير من التطبيقات العملية، مما أجبر المهندسين على الاختيار بين إشارة قصيرة ضعيفة أو إشارة طويلة غير فعالة.

وقد نجح فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، الآن في كسر هذا الحاجز من خلال إنشاء نوع جديد من الرقائق يسمح للضوء والكهرباء بالتفاعل عبر مسافات غير مسبوقة. وباستخدام مادة تسمى "نيوبات الليثيوم ذات الغشاء الرقيق"، المعروفة بقدرتها على التحكم في الضوء بسرعة، بنوا جهازًا يوجه إشارة الميكروويف وشعاع الضوء معًا لمسافة طولية فعالة تبلغ 36 سنتيمترًا. ولدمج هذا المسار الطويل في رقاقة صغيرة، لم يقوموا ببساطة بمد الجهاز، بل قاموا بطي مسار الضوء ذهابًا وإيابًا عبر نفس المجال الكهربائي عدة مرات. هذا التدوير الذكي للمسار يسم يسمح للضوء بتراكم قدر هائل من التغيير دون الحاجة إلى رقاقة بطول أمتار. والنتي نتيجة ذلك هي جهاز يمكنه تحويل لون واحد من ليزر إلى طيف واسع يحتوي على أكثر من 550 خطًا ضوئيًا متميزًا، وجميعها متباعدة بانتظام تام.

تكمن أهمية هذا الإنجاز في كفاءة العملية. ففي المحاولات السابقة، كان إنشاء مثل هذا الطيف الواسع والقوي يتطلب طاقة كبيرة لدرجة أن معظم الضوء كان يُفقد على شكل حرارة أو امتصاص. وفي هذا التصميم الجديد، حقق الباحثون كفاءة تحويل حيث تم تحويل 77 بالمائة من طاقة الليزر المدخلة بنجاح إلى مشط الضوء الجديد. والأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أنه عندما قاموا بتحسين الجهاز لإنشاء طيف مسطح ومنتظم، ظلوا قادرين على تحويل 32 بالمائة من الطاقة، مولدين إجمالي خرج قدره 187 ميلي واط. وهذه قفزة هائلة للأمام، حيث تنتج أكثر من عشرة أضعاف طاقة أفضل الأنظمة السابقة. ويعمل الجهاز بجهد منخفض جدًا بحيث يتطلب أقل من واحد ونصف فولت ليعمل بسرعات عالية، مما يجعله متوافقًا مع الدوائر الإلكترونية القياسية.

وقد أثبت الباحثون أن هذه التكنولوجيا تعمل عبر نطاق واسع من الألوان، ممتدة عبر نطاقات S وC وL المستخدمة في الاتصالات. ومن خلال الجمع بين ثلاثة مدخلات ليزر مختلفة، وسعوا التغطية الإجمالية لتشمل مساحة شاسعة من الطيف الضوئي. إن استقرار ودقة الجهاز يعنيان أن التباعد بين خطوط الضوء يتحدد تمامًا بواسطة إشارة الميكروويف التي تحركه، مما يسمح بالتحكم الدقيق الذي يصعب تحقيقه بالأساليب الأخرى. هذا المستوى من التحكم والقوة يفتح الباب أمام إمكانيات جديدة في الاستشعار والاتصالات. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام مثل هذا المشط القوي للكشف عن كميات ضئيلة من الغازات في الغلاف الجوي أو لمزامنة الساعات بدقة متناهية.

وقد تطلب الطريق إلى هذه النتيجة إعادة تصميم دقيقة للهيكل الداخلي للرقاقة. بدأ الفريق بتوصيف أقسام أقصر من الجهاز لضمان قدرة إشارات الميكروويف على السفر لمسافات طويلة دون فقدان قوتها. ووجدوا أنه باستخدام أقطاب معدنية أكثر سمكًا وتخطيط محدد، يمكنهم الحفاظ على فقدان الميكروويف عند مستويات منخفضة للغاية. وبمجرد تأكدهم من أن الإشارات يمكنها السفر لمسافات بعيدة دون تلاشي، طبقوا تقنية الطي. وقد تضمن ذلك توجيه موجة الضوء عبر المجال الكهربائي، ثم ثنيها حولها لتمر عبر نفس المجال مرة أخرى، ولكن بطريقة يستمر فيها الدفع الكهربائي في التراكم بدلًا من أن يلغي بعضه بعضًا. سمح هذا التراكم البناء لهم ببناء عمق تعديل هائل، مما أدى فعليًا إلى تحويل موجة الضوء إلى مئات الترددات الجديدة.

ويشير نجاح هذا العمل إلى أن القيود المتعلقة بالحجم والكفاءة في علم الضوئيات المتكاملة يمكن التغلب عليها من خلال هندسة أفضل للتفاعل بين الضوء والكهرباء. ويشير الباحثون إلى أن نهجهم قابل للتوسع، مما يعني أنه يمكن استخدام نفس المبادئ لبناء مسارات تفاعل أطول إذا لزم الأمر. وقد يؤدي هذا في النهاية إلى أجهزة تجسر الفجوة بين مجالي الميكروويف والبصريات عبر مسافات تقترب من نصف متر، كل ذلك مع البقاء ضمن حجم مدمج يكفي للوضع في رقاقة واحدة. إن القدرة على توليد أمشاط ضوئية واسعة النطاق وعالية الطاقة بهذه الكفاءة تمثل خطوة مهمة نحو جعل التقنيات البصرية المتقدمة أكثر سهولة وعملية للاستخدام اليومي في الاتصالات والاستشعار والحوسبة.