معدِّل كهروضوئي جديد فائق النطاق عريض التردد 997 جيجاهرتز

نطاق عريض للغاية جديد 997 جيجاهرتزمعدِّل كهروضوئي

حقق معدِّل كهروضوئي جديد فائق النطاق رقمًا قياسيًا في عرض النطاق الترددي يبلغ 997 جيجاهرتز

نجح فريق بحثي في ​​زيورخ، سويسرا، مؤخرًا في تطوير مُعدّل كهروضوئي فائق العرض، يعمل بترددات تتراوح بين 10 ميجاهرتز و1.14 تيراهيرتز، محققًا رقمًا قياسيًا في عرض النطاق الترددي بلغ 3 ديسيبل عند 997 جيجاهرتز، وهو ضعف الرقم القياسي الحالي. يُعزى هذا الإنجاز إلى التصميم المُحسّن لمُعدلات البلازما، مما يفتح آفاقًا جديدة تمامًا للدوائر المتكاملة الفوتونية (PICs) المستقبلية ذات تردد التيراهيرتز.

في الوقت الحالي، تعتمد الاتصالات اللاسلكية بشكل رئيسي على الموجات الدقيقة والموجات المليمترية، إلا أن موارد الطيف في هذه النطاقات الترددية تميل إلى التشبع. على الرغم من أن الاتصالات الضوئية تتميز بعرض نطاق ترددي كبير، إلا أنه لا يمكن استخدامها مباشرةً للنقل اللاسلكي في الفضاء الحر. لذلك، يُعتبر اتصال THz "الجسر الذهبي" الذي يربط الشبكات اللاسلكية وشبكات الألياف الضوئية، مما يوفر حلاً مثاليًا لأنظمة الاتصالات من الجيل السادس (6G) والأنظمة ذات المعدلات الأعلى. تكمن المشكلة في أن أداء المُعدِّلات الكهروضوئية الحالية (مثلمعدِّل LiNbO₃(مثل InGaAs والمواد القائمة على السيليكون) في نطاق التردد THz غير كافية. توهين الإشارة واضح. يبلغ عرض النطاق الترددي العامل حوالي 14 جيجاهرتز فقط، ويبلغ أقصى تردد حامل 100 جيجاهرتز فقط، وهو بعيد كل البعد عن تلبية المعايير المطلوبة لاتصالات THz. في هذه المقالة، طور الباحثون مُعدّل تردد جديد قائم على البلازما، مما أدى بنجاح إلى زيادة عرض النطاق الترددي من 3 ديسيبل إلى 997 جيجاهرتز، وهو ضعف الرقم القياسي الحالي، كما هو موضح في الشكل 1. هذا الإنجاز لا يكسر قيود التقنيات التقليدية فحسب، بل يُوسّع أيضًا آفاق التطوير المستقبلي لاتصالات THz!

الشكل 1 مُعدّل كهروضوئي بلازما بعرض نطاق تيراهرتز

يكمن الإنجاز الجوهري لهذا النوع الجديد من المُعدِّلات في التقنية المتطورة المسماة "تأثير البلازما". تخيَّل أنه عندما يُسلَّط الضوء على سطح بنية نانوية معدنية، فإنه يتردد مع الإلكترونات في المادة - تتذبذب الإلكترونات جماعيًا مدفوعةً بالضوء، مُشكِّلةً نوعًا خاصًا من الموجات. هذا التذبذب تحديدًا هو ما يُمكِّنمعدِّللمعالجة الإشارات الضوئية بكفاءة عالية جدًا. تُظهر النتائج التجريبية أن المُعدِّل يُظهر خصائص تعديل جيدة ضمن نطاق الترددات من DC إلى 1.14 تيراهرتز، ويتمتع بكسب ثابت في نطاق الترددات من 500 إلى 800 جيجاهرتز.

لدراسة آلية عمل المُعدِّل بعمق، قام فريق البحث ببناء نموذج دائرة مكافئة مُفصَّل، وحلل تأثير مختلف المعلمات الهيكلية على أداء المُعدِّل من خلال المحاكاة. تتوافق النتائج التجريبية بشكل جيد مع النموذج النظري، مما يُعزز كفاءة المُعدِّل واستقراره. كما اقترح الباحثون خطة تحسين. ومن المتوقع أن يتجاوز تردد تشغيل هذا المُعدِّل 1 تيرا هرتز في المستقبل، بل ويصل إلى أكثر من 2 تيرا هرتز، بفضل التصميم المُحسَّن.

تظهر هذه الدراسة الإمكانات الكبيرة للبلازماالمعدلات الكهروضوئيةفي مجال الاتصالات بتردد تيرا هرتز والدوائر المتكاملة الفوتونية (PICs). يوفر هذا الجهاز، بخصائصه المتمثلة في النطاق فائق العرض والكفاءة العالية وقابلية التكامل، حلاً مبتكرًا لتعديل إشارة تيرا هرتز. في المستقبل، ومع مواصلة تحسين تصميم الجهاز وعمليات التصنيع، من المتوقع أن يتجاوز تردد تشغيل مُعدِّلات البلازما 2 تيرا هرتز، مما يحقق معدلات بيانات أعلى وتغطية أوسع للطيف. لا يعني عصر تيرا هرتز نقل بيانات أسرع وقدرات استشعار أكثر دقة فحسب، بل سيعزز أيضًا التكامل العميق لمجالات متعددة مثل الاتصالات اللاسلكية والحوسبة البصرية والكشف الذكي. قد يُصبح هذا التطور الهائل في مُعدِّلات البلازما الكهروضوئية خطوة رئيسية في تطوير تقنية تيرا هرتز، مما يُرسي أساسًا للترابط عالي السرعة في مجتمع المعلومات المستقبلي.