في السنوات الأخيرة، استخدم باحثون من مختلف البلدان الفوتونيات المتكاملة لتحقيق التلاعب المتتالي بموجات الضوء تحت الحمراء وتطبيقها على شبكات الجيل الخامس عالية السرعة، وأجهزة استشعار الرقائق، والمركبات ذاتية القيادة. حاليًا، ومع التعمق المستمر في هذا الاتجاه البحثي، بدأ الباحثون في إجراء كشف متعمق لنطاقات الضوء المرئي الأقصر، وتطوير تطبيقات أوسع نطاقًا، مثل تقنية الليدار على مستوى الرقائق، ونظارات الواقع المعزز/الافتراضي/الهجين (AR/VR/MR)، وشاشات العرض المجسمة، ورقائق المعالجة الكمومية، والمسبارات البصرية الوراثية المزروعة في الدماغ، وغيرها.
يُعدّ التكامل واسع النطاق لمُعدِّلات الطور الضوئية جوهر النظام الفرعي البصري للتوجيه الضوئي على الشريحة وتشكيل واجهة الموجة في الفضاء الحر. هاتان الوظيفتان الأساسيتان أساسيتان لتحقيق تطبيقات متنوعة. ومع ذلك، بالنسبة لمُعدِّلات الطور الضوئية في نطاق الضوء المرئي، يُعدّ تلبية متطلبات النفاذية العالية والتعديل العالي في آنٍ واحد أمرًا صعبًا للغاية. ولتلبية هذا المطلب، حتى أنسب مواد نيتريد السيليكون ونيوبات الليثيوم تحتاج إلى زيادة الحجم واستهلاك الطاقة.
لحل هذه المشكلة، صمم ميشال ليبسون ونانفانغ يو من جامعة كولومبيا مُعدّل طور حراري بصري من نيتريد السيليكون، يعتمد على مرنان الحلقة الدقيقة الأدياباتي. وأثبتا أن مرنان الحلقة الدقيقة يعمل في حالة اقتران قوية. يمكن للجهاز تحقيق تعديل الطور بأقل خسارة. وبالمقارنة مع مُعدّلات طور الدليل الموجي العادية، يتميز الجهاز بانخفاض في المساحة واستهلاك الطاقة بمقدار رتبة واحدة على الأقل. نُشر المحتوى ذو الصلة في مجلة Nature Photonics.
وقال ميشال ليبسون، الخبير الرائد في مجال الفوتونيات المتكاملة المعتمدة على نيتريد السيليكون: "إن مفتاح الحل الذي نقترحه هو استخدام مرنان بصري والعمل في ما يسمى بحالة الاقتران القوية".
الرنان البصري هيكلٌ شديد التماثل، قادرٌ على تحويل تغير طفيف في معامل الانكسار إلى تغير في الطور عبر دورات متعددة من أشعة الضوء. ويمكن تقسيمه عمومًا إلى ثلاث حالات عمل مختلفة: "تحت الاقتران" و"تحت الاقتران". "الاقتران الحرج" و"الاقتران القوي". من بينها، "تحت الاقتران" لا يوفر سوى تعديل طور محدود، ويُحدث تغييرات غير ضرورية في السعة، بينما يُسبب "الاقتران الحرج" فقدانًا بصريًا كبيرًا، مما يؤثر على الأداء الفعلي للجهاز.
لتحقيق تعديل طوري كامل ثنائي الطور مع أدنى تغيير في السعة، عالج فريق البحث الحلقة الدقيقة في حالة "اقتران قوي". قوة الاقتران بين الحلقة الدقيقة و"الناقل" أعلى بعشر مرات على الأقل من فقدان الحلقة الدقيقة. بعد سلسلة من التصاميم والتحسينات، يظهر الهيكل النهائي في الشكل أدناه. هذه حلقة رنينية بعرض مدبب. يُحسّن جزء الدليل الموجي الضيق قوة الاقتران الضوئي بين "الناقل" والملف الدقيق. في جزء الدليل الموجي العريض، يتم تقليل فقدان الضوء للحلقة الدقيقة عن طريق تقليل التشتت الضوئي للجدار الجانبي.
قال هيكينج هوانج، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية: "صممنا مُعدّل طور ضوئي مرئي صغير الحجم، موفر للطاقة، ومنخفض الفقد للغاية، بنصف قطر 5 ميكرومتر فقط، واستهلاك طاقة تعديل طور باي لا يتجاوز 0.8 ميلي واط. تباين السعة المُدخل أقل من 10%. والأمر الأكثر ندرة هو أن هذا المُعدّل فعال بنفس القدر في أصعب نطاقات الضوء الأزرق والأخضر في الطيف المرئي."
أشار نانفانغ يو أيضًا إلى أنه على الرغم من أنهم ما زالوا بعيدين عن مستوى تكامل المنتجات الإلكترونية، إلا أن عملهم قد قلّص الفجوة بشكل كبير بين المفاتيح الفوتونية والمفاتيح الإلكترونية. "إذا كانت تقنية المُعدِّل السابقة تسمح فقط بدمج 100 مُعدِّل طور موجه موجي مع مراعاة مساحة شريحة معينة وميزانية طاقة محددة، فيمكننا الآن دمج 10,000 مُغيِّر طور على الشريحة نفسها لتحقيق وظائف أكثر تعقيدًا."
باختصار، يمكن تطبيق طريقة التصميم هذه على المُعدِّلات الكهروضوئية لتقليل المساحة المشغولة واستهلاك الجهد. كما يمكن استخدامها في نطاقات طيفية أخرى وتصاميم رنانات مختلفة. يتعاون فريق البحث حاليًا لعرض تقنية ليدار الطيف المرئي، المكونة من مصفوفات مُحوِّل طور تعتمد على هذه الحلقات الدقيقة. وفي المستقبل، يمكن تطبيقها أيضًا في العديد من التطبيقات، مثل تحسين اللاخطية البصرية، والليزر الجديد، والبصريات الكمومية الحديثة.
مصدر المقال: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
شركة بكين روفيا للإلكترونيات الضوئية المحدودة، الواقعة في منطقة تشونغ قوان تسون، "وادي السيليكون" بالصين، هي شركة تكنولوجية متطورة تُعنى بخدمة مؤسسات البحث العلمي المحلية والأجنبية، ومعاهد البحث، والجامعات، وكوادر البحث العلمي في المؤسسات. تعمل شركتنا بشكل رئيسي في البحث والتطوير المستقل، وتصميم، وتصنيع، وبيع المنتجات الضوئية، وتقدم حلولاً مبتكرة وخدمات احترافية وشخصية للباحثين العلميين والمهندسين الصناعيين. بعد سنوات من الابتكار المستقل، كوّنت الشركة سلسلة غنية ومتكاملة من المنتجات الكهروضوئية، تُستخدم على نطاق واسع في القطاعات البلدية، والعسكرية، والنقل، والطاقة الكهربائية، والتمويل، والتعليم، والطب، وغيرها.
نحن نتطلع للتعاون معكم!
وقت النشر: ٢٩ مارس ٢٠٢٣