تجاوز الاتصالات اللاسلكية بالتيراهرتز على مقياس الكيلومترات فوق 300 غيغاهرتز بفضل التآزر الهجين بين الفوتونيك والإلكترونيات

روابط أسرع عبر الهواء الرقيق

متطلبات تدفق فيديو فائق الدقة، ربط القرى النائية، أو استعادة الاتصالات بعد الكوارث كلها تتطلب وصلات بيانات سريعة للغاية وسهلة النشر. يمكن للألياف البصرية أن تنقل سعات هائلة لكنها مكلفة وبطيئة التركيب عبر الأنهار والجبال أو في المدن المزدحمة. تستعرض هذه الورقة مسارًا مختلفًا: استخدام موجات راديوية «تيراهرتزية» ذات ترددات عالية جدًا لإرسال سرعات بيانات شبيهة بالألياف لاسلكيًا على مديات كيلومترية، مما قد يعيد تشكيل طريقة بناء شبكات الاتصالات المستقبلية.

لماذا تهم هذه الموجات غير المرئية

شبكات الهواتف المحمولة الحالية مكتظة بالفعل بالموجات ذات التردد المنخفض. وللحفاظ على مواكبة الزيادة الهائلة في حركة البيانات، يتجه الباحثون إلى نطاقات التيراهرتز فوق 300 غيغاهرتز، حيث يوفر طيف واسع إلى حد كبير وغير مستغل إمكانات عشرات أو حتى مئات الغيغابت في الثانية. هذه الوصلات مثالية لربط محطات القاعدة أو المباني أو المواقع المؤقتة عندما يكون مدّ الألياف غير عملي. ومع ذلك، هناك عقبة: عند هذه الترددات العالية يتلاشى الإشارة بسرعة في الهواء، وتعجز المرسلات الحالية عن توليد طاقة كافية، خاصة عندما تُنتج الإشارة بواسطة تقنيات بصرية تتكامل بسهولة مع شبكات الألياف.

الفكرة الكبرى: زواج الضوء والإلكترونيات

يقترح المؤلفون حلًا هجينًا يجمع بين نقاط قوة الفوتونيك والإلكترونيات الفراغية. في جانب الإرسال، يتداخل ليزِران مضبوطان بدقة داخل صمام ضوئي خاص لتوليد إشارة تيراهرتز ذات تردد عالٍ تتوافق طبيعيًا مع أنظمة الألياف الحديثة وتدعم معدلات بيانات فائقة. تُغذَّى هذه الإشارة الضعيفة بعد ذلك إلى جهاز مُخصَّص يسمى مُضخّم أنبوب الموجة السالكة، الذي يستخدم شعاعًا إلكترونيًا يتفاعل مع موجّه معدني مُشكَّل بعناية لرفع القدرة من ميكرووات إلى عدة واتات. في جانب الاستقبال، يركز عدسة بلاستيكية كبيرة الإشارة الضعيفة بعد سفر كيلومترات إلى مستقبلَين إلكترونيين منفصلين تُجمَع مخرجاتهما بذكاء لتحسين الحساسية.

بناء محرك تيراهرتز قوي

في صميم هذا العمل يوجد مُضخّم جديد يعمل حول 335 غيغاهرتز. تُقدم المضخمات الصلبة التقليدية عند هذه الترددات طاقة خرج تُقدّر بعشرات الميليوات فقط وكسبًا محدودًا، ما يحد من المسافة الممكنة. أعاد الفريق تصميم بنية الموجّه الداخلي لأنبوب الموجة السالكة بحيث يرتبط الحقل الكهربائي بقوة أكبر مع شعاع الإلكترونات مع إبقاء الخسائر منخفضة، حتى عند ترددات التيراهرتز. يحقق جهازهم نحو 4 وات من قدرة الخرج المستمرة وأكثر من 50 ديسيبل من الكسب — أي زيادة في قوة الإشارة بحوالي عشرة آلاف مرة — مع الحفاظ على كفاءة جيدة لهذا النطاق الصعب. تحدد أرقام الأداء هذه معيارًا جديدًا حاليًا للمضخمات فوق 300 غيغاهرتز.

إرسال بيانات عالية السرعة عبر المدينة

لاختبار النظام الكامل، أعدّ الباحثون وصلة تيراهرتز نقطة‑إلى‑نقطة بين برجين مرتفعين في نانجينغ، الصين، بامتداد 2.2 كيلومتر وعبور عدة أنهار حضرية. داخل أحد المباني، ولّد مرسل بصري حاملة عند 335 غيغاهرتز، رمَزها بنمط بيانات ذي 16 مستوى، وزاد قدرتها بالمضخّم الجديد قبل تغذيتها إلى هوائٍ سقفي عالي الكسب. في المبنى البعيد، استخلصت عدسة كبيرة الحزمة الضعيفة ووجّهتها إلى مستقبلَين متقاربين. سُجّلت المخرجات الكهربائية وعُولجت باستخدام خوارزميات رقمية متقدمة جمعت تدفقات الإخراج، مستغلةً اختلافات التلاشي والضوضاء على المسارين المنفصلين قليلًا لتنقية الإشارة.

استخراج المزيد من نفس الهواء

قدّم نهج المستقبلَين فائدة واضحة. بالمقارنة مع استخدام مستقبل واحد فقط، زاد الجمع بين الزوج نسبة الإشارة إلى الضوضاء بما يقرب 3 ديسيبل — ما يعادل تقريبًا مضاعفة القدرة الصالحة للاستخدام — ما أتاح للنظام الحفاظ على معدلات بيانات أعلى وتحمل إشارات واردة أضعف. بهذا التصميم الهجين الفوتوني‑الإلكتروني، حقق الفريق معدل معلومات صافٍ يبلغ 27.84 غيغابت في الثانية على مسافة 2.2 كيلومتر عند 335 غيغاهرتز. يضع هذا رقمًا قياسيًا جديدًا لنتاج حاصل ضرب معدل البيانات والمسافة في هذا النطاق الترددي ويُظهر أن وصلات لاسلكية بمستوى الألياف على مقياس الكيلومتر ممكنة حتى فوق 300 غيغاهرتز.

ماذا يعني هذا للشبكات المستقبلية

لغير المتخصصين، الخلاصة هي أن المؤلفين قدموا طريقة عملية لدفع إشارات لاسلكية ذات تردد عالٍ جدًا لمسافات أبعد مما كان يُعتقد سابقًا، من دون التضحية بالسرعات الفائقة التي تعد بها نطاقات التيراهرتز. بدمج توليد الإشارة البصرية مع مُضخّم شعاع إلكتروني قوي ومعالجة ذكية بمستقبلين، يتغلبون على الخسارة الشديدة التي تعانيها هذه الموجات في الهواء. ومع أن هناك حاجة لتحسينات في عرض النطاق والحجم، يشير هذا العمل إلى شبكات مستقبلية يمكن فيها إقامة وصلات طويلة وعالية السعة بسرعة عبر الفضاء الحر، مكمّلةً للألياف ومساعدة في حمل الأحمال الضخمة من البيانات المتوقعة في أجيال الاتصالات القادمة.

الاستشهاد: Cai, Y., Zhang, L., Zhang, J. et al. Surpassing kilometer-scale terahertz wireless communication beyond 300 GHz enabled by hybrid photonic–electronic synergy. Light Sci Appl 15, 228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02321-6

الكلمات المفتاحية: لاسلكي تيراهرتز, ربط خلفي لشبكات الجيل السادس, مُضخّم أنبوب موجة سالكة, اتصالات بمساعدة الفوتونيك, روابط عالية السرعة بعيدة المدى