مصدر ضوء أخضر قابل للضبط على نتريد السيليكون مدمج

ضوء أخضر أكثر سطوعًا على شريحة صغيرة

تشغّل الليازات الخضراء كل شيء من وصلات البيانات تحت الماء إلى القطع الدقيق والتجارب الكمومية، لكن في الوقت الحالي غالبًا ما تكون أجهزةٌ ضخمة أو تستهلك طاقة عالية أو يصعب ضبطها. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن تصغير مصدر ضوء أخضر قوي وقابل للتعديل على شريحة من نتريد السيليكون، نفس نوع المنصات المستخدمة في الفوتونيك الحديث، مما يفتح الباب لأجهزة مدمجة يمكن توصيلها مباشرة بأنظمة الاتصالات والحسّ.

لماذا يصعب توليد الضوء الأخضر

الضوء في الحزمة الخضراء، تقريبًا 510–560 نانومتر، ذا قيمة تكنولوجية لكنه من المدهش أنه صعب التوليد بكفاءة على شريحة. تغطي الليازات شبه الموصلة بسهولة نطاقي الأحمر والأزرق، لكن في الأخضر تنخفض كفاءتها الداخلية، مما يجعلها ضعيفة ويصعب ضبطها. لتجاوز ذلك، يلجأ المهندسون عادةً إلى مضاعفة أو مزج تردد الليازات تحت الحمراء داخل بلورات خاصة على مناظير الطاولة. ترجمة هذا الأسلوب إلى رقائق متكاملة أثبتت صعوبتها: الأجهزة السابقة إما أنتجت ميكروواتات قليلة من الضوء الأخضر أو كانت قابلة للضبط على جزء ضئيل من نانومتر فقط، مما حدّ من فائدتها.

تحويل تحت الأحمر إلى أخضر داخل حلقة ميكروسكوبية

يتعامل الفريق مع هذا التحدي باستخدام حلقات ميكروية من نتريد السيليكون—موجِّهات على شكل مضمار مطبوعة على الشريحة تحبس الضوء وتسمح له بالدوران آلاف المرات. يضخّون الحلقة بليزر تحت أحمر مستمر الموجة قرب طول موجي 1 ميكرومتر. داخل الحلقة، يحفّز الضوء المكثف عملية تُسمى الترتيب البصري الكامل: امتصاص متعدد الفوتونات يولد تيارًا كهربائيًا صغيرًا ذي اتجاه، والذي بدوره يبني حقلًا كهربائيًا ثابتًا مُرتَّبًا بنمط منتظم على طول الحلقة. هذا الحقل يكتب عمليًا شبكة مدمجة تسمح للمادة بتحويل ضوء تحت الأحمر إلى تردده الثاني—وهو تحديدًا في النطاق الأخضر—بكفاءة أعلى بكثير مما كان ممكنًا بخلاف ذلك.

قدرة عالية واحتياج منخفض للطاقة في آن واحد

باستخدام هذه الشبكة المكتوبة ذاتيًّا، يحقق الباحثون ما يصل إلى 3.5 ميلي واط من الضوء الأخضر على الشريحة، وهو رقم قياسي لنتريد السيليكون في هذا النطاق الطيفي. وبقدر الأهمية، يبيِّنون أن نفس نوع الجهاز يمكن أن يصل إلى عتبة تشكيل الشبكة مع بضع ميلي واط فقط من طاقة الضخ—قليل بما يكفي ليُزوَّد مباشرة من ليزر على الشريحة دون مضخمات خارجية. يراقبون كيف ينمو خرج الضوء الأخضر مع الزمن ويؤكدون أنه يُبنى من الصفر بواسطة الحقل البصري نفسه، وليس مجرد قراءة نمط موجود مسبقًا. في العديد من رنانات الحلقة ضمن نطاق ضخ 1050–1070 نانومتر، يمكن «إعادة ترتيب» الجهاز لتوليد الضوء الأخضر عند أطوال موجية مختلفة، مما يدل على أن نمط الشبكة قابل لإعادة التكوين وليس ثابتًا.

استخدام combs الترددية الضوئية لتوجيه اللون

تسمح خصائص الحلقة الميكروية أيضًا بتشكيل أمشاط ترددية ضوئية—مجموعات من الألوان المتباعدة بشكل متساوٍ حول الضخ ومقفلة الطور بالنسبة لبعضها. عندما يتكوّن مثل هذا المشط المتماسك، يمكن لأزواج من خطوطه تحت الحمراء أن تتحد لتوليد أطوال موجية خضراء جديدة من خلال عمليات جمع الترددات. ومن اللافت أن هذه الإشارات المختلطة قادرة على كتابة شبكاتها الخاصة داخل الحلقة، مستقلة عن عملية التوافقي الثاني الأصلية. من خلال تحريك ليزر الضخ بشكل طفيف مع البقاء في رنان واحد، يستطيع المؤلفون تبديل الخط الأخضر السائد عبر مدى قدره 11 نانومتر. بمسح الضخ عبر نطاق أوسع، يُظهرون تغطية كثيفة للحزمة الخضراء من 511 إلى 540 نانومتر، مع العديد من الخطوط القابلة للاستخدام المتقاربة.

ماذا يعني هذا لأجهزة المستقبل

لغير المختصين، الرسالة الأساسية هي أن الباحثين بنوا مصدر ضوء أخضر على مستوى الشريحة يجمع بين قدرة عالية، قابلية ضبط كبيرة، وكفاءة طاقة. بدلًا من تصنيع هياكل ثابتة معقدة، يتركون الضوء نفسه ينسخ ويعيد نسخ الأنماط اللازمة للتحويل الفعال داخل حلقة بسيطة من نتريد السيليكون. إضافة الأمشاط الترددية يمنح «مقبض لون» مدمجًا للتحكم الدقيق بالمخرج. مثل هذه الأجهزة قد تمكّن ليزرات خضراء مدمجة لشبكات كمومية، توقيت دقيق، تصوير حيوي، وصلات تحت الماء، والمعالجة الصناعية، كلها مدمجة على نفس نوع رقائق الفوتونيك التي تُشكّل أساس الاتصالات البصرية الحديثة.

الاستشهاد: Wang, G., Yakar, O., Ji, X. et al. Integrated tunable green light source on silicon nitride. Light Sci Appl 15, 132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02222-8

الكلمات المفتاحية: ليزر أخضر مدمج, فوتونيك نتريد السيليكون, الترتيب الضوئي الكامل, مش combs الترددية, توليد التوافقي الثاني