نطاق ترددي فائق الاتساع جديد 997 جيجاهرتزمُعدِّل كهروضوئي
حقق مُعدِّل كهروضوئي جديد فائق العرض النطاق الترددي رقماً قياسياً في عرض النطاق الترددي بلغ 997 جيجاهرتز
نجح فريق بحثي في زيورخ، سويسرا، مؤخراً في تطوير مُعدِّل كهروضوئي فائق العرض النطاق يعمل بترددات تتراوح بين 10 ميجاهرتز و1.14 تيراهيرتز، مسجلاً رقماً قياسياً جديداً في عرض النطاق الترددي بمقدار 3 ديسيبل عند 997 جيجاهرتز، أي ضعف الرقم القياسي الحالي. يُعزى هذا الإنجاز إلى التصميم الأمثل لمُعدِّلات البلازما، مما يفتح آفاقاً جديدة تماماً أمام الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs) المستقبلية العاملة بترددات تيراهيرتز.
تعتمد الاتصالات اللاسلكية حاليًا بشكل أساسي على الموجات الميكروية والموجات المليمترية، إلا أن موارد الطيف الترددي لهذه النطاقات أصبحت شبه مشبعة. ورغم أن الاتصالات الضوئية تتمتع بنطاق ترددي واسع، إلا أنه لا يمكن استخدامها مباشرةً للإرسال اللاسلكي في الفضاء الحر. لذا، تُعتبر اتصالات تيراهيرتز بمثابة "الجسر الذهبي" الذي يربط بين الشبكات اللاسلكية وشبكات الألياف الضوئية، مما يوفر حلاً مثاليًا لأنظمة الاتصالات من الجيل السادس وما فوقها. تكمن المشكلة في أداء المُعدِّلات الكهروضوئية الحالية (مثل...مُعدِّل LiNbO₃لا تزال المواد المستخدمة في نطاق ترددات تيراهيرتز، مثل InGaAs والمواد القائمة على السيليكون، غير كافية. ويُلاحظ توهين واضح في الإشارة. يبلغ عرض النطاق الترددي التشغيلي حوالي 14 جيجاهرتز فقط، بينما يبلغ الحد الأقصى لتردد الموجة الحاملة 100 جيجاهرتز فقط، وهو ما لا يفي بالمعايير المطلوبة لاتصالات تيراهيرتز. في هذه المقالة، طوّر الباحثون مُعدِّلًا جديدًا قائمًا على البلازما، نجحوا في زيادة عرض النطاق الترددي بمقدار 3 ديسيبل إلى 997 جيجاهرتز، أي ضعف الرقم القياسي الحالي، كما هو موضح في الشكل 1. لا يقتصر هذا الإنجاز على كسر قيود التقنيات التقليدية فحسب، بل يمهد الطريق أيضًا لتطوير اتصالات تيراهيرتز في المستقبل!
الشكل 1: مُعدِّل كهروضوئي بلازمي ذو نطاق ترددي تيراهيرتز
يكمن الإنجاز الأساسي لهذا النوع الجديد من المُعدِّلات في التقنية المتطورة المعروفة باسم "تأثير البلازما". تخيَّل أنه عندما يسقط الضوء على سطح بنية نانوية معدنية، فإنه يتردد مع الإلكترونات الموجودة في المادة - تتذبذب الإلكترونات بشكل جماعي مدفوعة بالضوء، مُشكِّلةً نوعًا خاصًا من الموجات. هذا التذبذب تحديدًا هو ما يُمكِّنمُعدِّللمعالجة الإشارات الضوئية بكفاءة عالية للغاية. تُظهر النتائج التجريبية أن المُعدِّل يتمتع بخصائص تعديل جيدة ضمن نطاق التيار المستمر إلى 1.14 تيراهيرتز، وله كسب مستقر في نطاق التردد من 500 جيجاهرتز إلى 800 جيجاهرتز.
لدراسة آلية عمل المُعدِّل دراسةً معمقة، قام فريق البحث ببناء نموذج دائرة مكافئة مفصل، وحلل تأثير مختلف المعايير الهيكلية على أداء المُعدِّل من خلال المحاكاة. تتوافق النتائج التجريبية توافقًا جيدًا مع النموذج النظري، مما يؤكد كفاءة المُعدِّل واستقراره. إضافةً إلى ذلك، اقترح الباحثون خطةً للتحسين. من المتوقع أن يتجاوز تردد تشغيل هذا المُعدِّل، من خلال التصميم الأمثل، 1 تيراهيرتز في المستقبل، بل وقد يصل إلى أكثر من 2 تيراهيرتز!
تُظهر هذه الدراسة الإمكانات الكبيرة للبلازماالمعدِّلات الكهروضوئيةفي مجال اتصالات الترددات تيراهيرتز والدوائر الضوئية المتكاملة، يُقدّم هذا الجهاز، بخصائصه من حيث النطاق الترددي العريض للغاية والكفاءة العالية وقابلية التكامل، حلاً جديداً كلياً لتعديل إشارات الترددات تيراهيرتز. في المستقبل، ومع المزيد من تحسين تصميم الجهاز وعمليات التصنيع، من المتوقع أن يتجاوز تردد تشغيل مُعدِّلات البلازما 2 تيراهيرتز، مما يُحقق معدلات بيانات أعلى وتغطية طيفية أوسع. إن ظهور عصر الترددات تيراهيرتز لا يعني فقط نقل البيانات بشكل أسرع وقدرات استشعار أكثر دقة، بل سيُعزز أيضاً التكامل العميق بين مجالات متعددة مثل الاتصالات اللاسلكية والحوسبة الضوئية والكشف الذكي. قد يُشكّل اختراق مُعدِّلات البلازما الكهروضوئية خطوةً أساسيةً تقود تطوير تقنية الترددات تيراهيرتز، مُوفرةً أساساً للترابط عالي السرعة لمجتمع المعلومات المستقبلي.
تاريخ النشر: 9 يونيو 2025