في السنوات الأخيرة، استخدم باحثون من مختلف البلدان تقنية الفوتونيات المتكاملة لتحقيق معالجة موجات الأشعة تحت الحمراء وتطبيقها على شبكات الجيل الخامس فائقة السرعة، وأجهزة الاستشعار المدمجة، والمركبات ذاتية القيادة. ومع التعمق المستمر في هذا المجال البحثي، بدأ الباحثون في إجراء كشف دقيق لنطاقات الضوء المرئي الأقصر، وتطوير تطبيقات أوسع نطاقًا، مثل تقنية الليدار المدمجة، ونظارات الواقع المعزز/الافتراضي/الهجين، وشاشات العرض المجسمة، ورقائق المعالجة الكمومية، ومجسات علم البصريات الوراثية المزروعة في الدماغ، وغيرها.
يُعدّ التكامل واسع النطاق لمعدّلات الطور الضوئية جوهر النظام الفرعي الضوئي لتوجيه الإشارات الضوئية على الرقاقة وتشكيل جبهة الموجة في الفضاء الحر. هاتان الوظيفتان الأساسيتان ضروريتان لتحقيق تطبيقات متنوعة. مع ذلك، يُمثّل تلبية متطلبات النفاذية العالية والتعديل العالي في آنٍ واحد تحديًا كبيرًا لمعدّلات الطور الضوئية في نطاق الضوء المرئي. ولتحقيق هذا المطلب، حتى أنسب مواد نتريد السيليكون ونيوبات الليثيوم تتطلب زيادة في الحجم واستهلاك الطاقة.
لحل هذه المشكلة، صمّم ميخال ليبسون ونانفانغ يو من جامعة كولومبيا مُعدِّل طور حراري بصري من نيتريد السيليكون، يعتمد على رنان حلقي دقيق ثابت الحرارة. وقد أثبتا أن الرنان الحلقي الدقيق يعمل في حالة اقتران قوي. ويُمكن للجهاز تحقيق تعديل الطور بأقل قدر من الفقد. وبالمقارنة مع مُعدِّلات الطور التقليدية للموجات الدليلية، يتميز هذا الجهاز بصغر حجمه وانخفاض استهلاكه للطاقة بمقدار عشرة أضعاف على الأقل. وقد نُشرت هذه المعلومات في مجلة Nature Photonics.
قال ميشال ليبسون، وهو خبير رائد في مجال الفوتونيات المتكاملة القائمة على نتريد السيليكون: "يكمن مفتاح الحل المقترح في استخدام رنان بصري والعمل في ما يسمى بحالة الاقتران القوي".
الرنان البصري عبارة عن بنية متناظرة للغاية، قادرة على تحويل تغير طفيف في معامل الانكسار إلى تغير في الطور عبر دورات متعددة من حزم الضوء. ويمكن تقسيمه عمومًا إلى ثلاث حالات تشغيل مختلفة: "الاقتران الضعيف" و"الاقتران الحرج" و"الاقتران القوي". في حالة "الاقتران الضعيف"، يكون تعديل الطور محدودًا، مما يؤدي إلى تغيرات غير ضرورية في السعة. أما في حالة "الاقتران الحرج"، فيحدث فقد بصري كبير، مما يؤثر سلبًا على الأداء الفعلي للجهاز.
لتحقيق تعديل طور كامل بمقدار 2π وتغيير طفيف في السعة، قام فريق البحث بمعالجة الحلقة الميكروية في حالة "اقتران قوي". قوة الاقتران بين الحلقة الميكروية و"الناقل" أعلى بعشر مرات على الأقل من فقد الحلقة الميكروية. بعد سلسلة من التصاميم والتحسينات، يظهر الشكل أدناه التركيب النهائي. هذه حلقة رنانة ذات عرض متناقص. يعمل جزء الموجه الضيق على تحسين قوة الاقتران البصري بين "الناقل" والملف الميكروي. أما جزء الموجه العريض، فيقلل من فقد الضوء في الحلقة الميكروية عن طريق تقليل التشتت البصري للجدار الجانبي.
قال هيكينغ هوانغ، المؤلف الأول للورقة البحثية: "لقد صممنا مُعدِّل طور ضوئي مرئي مصغرًا وموفرًا للطاقة ومنخفض الفقد للغاية، بنصف قطر يبلغ 5 ميكرومتر فقط، واستهلاك طاقة تعديل طور π يبلغ 0.8 ميلي واط فقط. ولا يتجاوز تغير السعة المُدخل 10%. والأندر من ذلك أن هذا المُعدِّل فعال بنفس القدر في أصعب نطاقات اللونين الأزرق والأخضر في الطيف المرئي."
وأشار 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 الضوئية والمفاتيح الإلكترونية. وأضاف: "إذا كانت تقنية التعديل السابقة تسمح فقط بدمج 100 مُعدِّل طور للموجات الدليلية ضمن مساحة شريحة معينة وميزانية طاقة محددة، فبإمكاننا الآن دمج 10000 مُغيِّر طور على نفس الشريحة لتحقيق وظائف أكثر تعقيدًا".
باختصار، يمكن تطبيق أسلوب التصميم هذا على مُعدِّلات الكهروضوئية لتقليل المساحة المشغولة واستهلاك الطاقة. كما يمكن استخدامه في نطاقات طيفية أخرى وتصاميم رنانات مختلفة. ويتعاون فريق البحث حاليًا على تطوير نظام ليدار يعمل في نطاق الطيف المرئي، ويتكون من مصفوفات مُغيِّرات الطور القائمة على هذه الحلقات الدقيقة. وفي المستقبل، يُمكن تطبيقه في العديد من المجالات، مثل تعزيز اللاخطية البصرية، وتطوير الليزر، وتقنيات البصريات الكمومية الحديثة.
مصدر المقال: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
شركة بكين روفيا للإلكترونيات الضوئية المحدودة، الكائنة في "وادي السيليكون" الصيني - منطقة تشونغ قوان تسون ببكين، هي شركة تقنية متقدمة تُكرّس جهودها لخدمة المؤسسات البحثية والمعاهد والجامعات والباحثين العلميين في الشركات والمؤسسات المحلية والأجنبية. تُعنى شركتنا بشكل أساسي بالبحث والتطوير والتصميم والتصنيع والمبيعات المستقلة للمنتجات الكهروضوئية، وتُقدّم حلولًا مبتكرة وخدمات احترافية مُخصصة للباحثين العلميين والمهندسين الصناعيين. بعد سنوات من الابتكار المستقل، طوّرت الشركة سلسلة غنية ومتكاملة من المنتجات الكهروضوئية، والتي تُستخدم على نطاق واسع في قطاعات البلديات والجيش والنقل والطاقة الكهربائية والمالية والتعليم والطب وغيرها.
نتطلع إلى التعاون معكم!
تاريخ النشر: 29 مارس 2023