باحثون يحققون اختراقا جديداً في مجال الإلكترونيات الضوئية

حقق باحثون من جامعة واشنطن ، في مشروع تعاوني مع باحثين من المعهد الفدرالي للتكنولوجيا في زيوريخ ، جامعة بوردو وجامعة فرجينيا كومنولث ، اختراقاً جديدا في مجال الاتصالات البصرية يمكن أن يحدث ثورة في تكنولوجيا المعلومات.

و ايتكر الباحثون جهازًا صغيرًا ، بحجم أصغر من الشعر بشري ، يستطيع ترجمة الوحدات كهربائية (0 و 1 من اللغة الرقمية) إلى ضوء أو مايعرف بالبتات الفوتونية ، بسرعة أكبر بعشر مرات من التقنيات الحالية.

وقال “لاري دالتون” ، أستاذ الكيمياء في جامعة واشنطن، و رئيس الأبحاث في مجال الضوئيات: “كما هو الحال مع التطورات السابقة في تكنولوجيا المعلومات ، يمكن أن يؤثر هذا بشكل كبير على الطريقة التي نعيش بها”.

و تقترب هذه الأجهزة الكهروضوئية الجديدة من حجم عناصر الدوائر الإلكترونية الحالية وهي مهمة لدمج الفوتونات والإلكترونيات على رقاقة واحدة. وتتضمن التكنولوجيا الجديدة أيضًا استخدام لجسيمات تسمى “polariton plasmon” ، لها خصائص وسيطة بين الإلكترونات والفوتونات. و يشار إلى تكنولوجيا الجسيمات الهجينة هذه باسم “البلازمونات“.

و يقول “كريستيان هافنر” ، وهو طالب دراسات عليا في المعهد الفدرالي للتكنولوجيا في زيوريخ ومؤلف رئيسي في المشروع البحثي: “لقد تم بناء الجهاز كمشغل بلازمون … هذا أمر غير عادي حيث يعتمد التنفيذ التقليدي على الضوئيات بدلاً من البلازمون. و في الواقع ، يتجنب الباحثون هذه الجسيمات، حيث أنها معروفة في جميع الصناعة كتقنية تأتي بخسارة عالية في مجال البصريات. ومع ذلك – وهذا إلى حد أبعد النتيجة الأكثر روعة – فقد تم العثور على خدعة لاستخدام البلازمون دون التعرض لمثل هذه الخسائر العالية”.

ومع زيادة سعة التعامل مع المعلومات الخاصة بتكنولوجيا الحوسبة والاتصالات والاستشعار والتحكم ، يجب أن يتم التعامل مع البيانات بنطاق ترددي كبير على مسافات شاسعة دون إشارات (معلومات) ضعيفة أو استهلاك الكثير من الطاقة وتوليد الكثير من الحرارة. وهنا تكمن التقنية الجديدة التي نقلتها مجلة Nature.

وتسمى هذه الأداة المغير الكهروضوئي ، حيث يقوم الجهاز بتحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية قادرة على الانتقال إما عبر كابلات الألياف البصرية أو عبر الفضاء لاسلكيًا عبر الأقمار الصناعية والأبراج الخلوية. يجب تحقيق ذلك من خلال كفاءة طاقة ممتازة باستخدام أجهزة صغيرة للغاية قادرة على معالجة كميات هائلة من البيانات.

وقال “دالتون” : “يجب أن يكون الجهاز حساسًا جدًا وقادرًا على الاستجابة للحقول الكهربائية الصغيرة جدًا. إذا كانت الحقول اللازمة للتحكم في الجهاز صغيرة ، فإن استهلاك الطاقة سيكون منخفضا أيضًا. وهذا أمر مهم لأن كفاءة الطاقة تعتبر أمرًا بالغ الأهمية لجميع التطبيقات”.

و أضاف : “نحن نريد تجنب توليد الحرارة وتدهور المعلومات في تطبيقات الحوسبة أو الاتصالات السلكية واللاسلكية.”

ويأتي هذا التقدم الأخير بعد أكثر من عقد عندما حقق “دالتون” وفريق من الباحثين بجامعة واشنطن وجامعة جنوب كاليفورنيا لأول مرة البوليمرات الكهروضوئية المتقدمة، والتي تم دمجها في الأجهزة التي يبلغ طولها سنتيمترًا والتي يمكن تشغيلها بأقل من فولت ومع عرض النطاق الترددي يتجاوز 100 جيغاهيرتز. لسوء الحظ ، كانت هذه الأجهزة أكبر بكثير من عناصر توليد البيانات الإلكترونية ولم تكن مناسبة لدمج عناصر الإلكترونيات والفوتونات في رقاقة واحدة.

ومع ذلك ، ومع الانتقال إلى البلازمونات، فقد تم الآن حل هذه المشكلة . وبدأ الأمر كله عندما شرع فريق دولي من العلماء والمهندسين في تحسين الجهاز من خلال دمج مواد كهروضوئية عضوية أفضل مع جسيمات البلازمون.و التي تنشأ عندما يؤثر الضوء على سطح معدني ، مثل الذهب. وتقوم الفوتونات بعد ذلك بنقل جزء من طاقتها إلى الإلكترونات على السطح المعدني بحيث تتأرجح الإلكترونات. وتسمى هذه تذبذبات فوتون-إلكترون الجديدة بـ “plasmon polaritons”. و التي تسمح بتخفيض كبير في حجم الدوائر البصرية وتشغيل النطاق الترددي عدة مرات من الضوئيات.

و بالمقارنة مع الاكتشاف الذي يرجع لعام 2000 ، زاد عرض النطاق الترددي للأجهزة بعامل 10 تقريبًا مع تقليل متطلبات الطاقة بمقدار 1000 مرة تقريبًا وهذا يترجم إلى انخفاض في الحرارة المنبعثة.

ومع ذلك ، يشار إلى نقطة ضعف جسيمات البلازمون على أنها فقدان بصري. في حين أن تدهور الإشارات مع مسافة انتقال ليست سيئة كما هو الحال مع الإلكترونيات ، فإن تدهور الإشارة مع البلازمونات هو أسوأ بكثير من استخدام الضوئيات.

و من جانبها قالت “ليندا إس. سابوكاك” ، مديرة قسم أبحاث المواد في مؤسسة العلوم الوطنية في الولايات المتحدة : “يعد هذا تقدمًا مهمًا و مضاعفًا في مجال استخدام البلازمونات والمواد العضوية النشطة ، والذي أصبح ممكنا من خلال التكرار الإبداعي بين تنبؤات المواد والتصميم والتوليف وتحسين خاصيتها”.

تطبيقات الجهاز الجديد

يمكن تقسيم تطبيقات الجهاز الجديد إلى فئتين استنادًا إلى طول موجة الضوء المستخدم: اتصالات الألياف الضوئية والوصلات البصرية في الحوسبة تستخدم الضوء (الفوتونات) عند الترددات الضوئية (ضوء الأشعة تحت الحمراء) ، بينما تستخدم تطبيقات مثل الرادار والاتصالات اللاسلكية الإشعاع الكهرومغناطيسي في مناطق الموجات الراديوية و الموجات الصُغْرِيّة (طويلة الطول الموجي).

و في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية والحوسبة ، تأخذ البصريات الكهربائية المعلومات التي يتم توليدها في جهاز إلكتروني (على سبيل المثال ، معالج كمبيوتر) وتحويلها إلى إشارات ضوئية تنقل عبر كابل ألياف ضوئية أو عبر إرسال لاسلكي إلى جهاز إلكتروني آخر.

وقال “دالتون”: “بهذا المعنى ، قد تفكر في البصريات الكهربائية على أنها” منحدرات الطريق السريع للمعلومات “.

كما يعد علم البصريات الكهربائية حاسما للعديد من التطبيقات الأخرى مثل الرادار ونظام تحديد المواقع. يمثل تقنية الاستشعار الحساسة ، بما في ذلك تطبيقات مثل الاستشعار عن الشبكة المضمنة.

و كذلك ، تعتبر البصريات الكهربائية حاسمة بالنسبة لتكنولوجيا المركبات ذاتية القيادة بالإضافة الى رصد عناصر البنية التحتية مثل المباني و الجسور. كما ترتبط استخدامات هذه التفنية بمعالجة المعلومات الرقمية والتناظرية.