معدِّلات من التانتالات الليثيوم المندمجة بشكل غير متجانس على نيتريد السيليكون للاتصالات فائقة السرعة

إنترنت أسرع على رقاقة صغيرة

تعتمد خدمات البث والحوسبة السحابية والذكاء الاصطناعي على نقل كميات هائلة من المعلومات عبر الألياف الضوئية. لكن الأجهزة المجهرية التي تحول البتات الإلكترونية إلى ومضات ضوئية تكاد تلامس حدودها. يقدم هذا العمل نوعًا جديدًا من «مفتاح الضوء» على مستوى الرقاقة يجمع بين مادتين مختلفتين—تانتالات الليثيوم ونيتريد السيليكون—لدفع معدلات البيانات إلى مئات المليارات من البتات في الثانية، مع الحفاظ على خسائر منخفضة وقابلية تصنيع واسعة النطاق.

لماذا هناك حاجة إلى مفاتيح ضوئية جديدة

تعتمد شبكات الاتصالات الحديثة على الدارات الفوتونية المتكاملة، وهي «لوحات أم» بصرية مَيكروية توجه الضوء بدلًا من الكهرباء. يبرز نيتريد السيليكون كمادة مميزة لهذه الدارات لأنه يتيح للضوء الانتقال لمسافات طويلة على الرقاقة بخسائر قليلة جدًا ويستطيع تحمل قدرة ضوئية عالية. ومع ذلك، لديه عيب: بمفرده لا يستطيع نيتريد السيليكون تغيير شدة الضوء أو طوره بكفاءة عند تطبيق إشارة كهربائية، وهي وظيفة أساسية لترميز البيانات. للتغلب على ذلك، يلجأ الباحثون إلى بلورات فيرroelectric مثل تانتالات الليثيوم، التي تستجيب فورًا تقريبًا للحقول الكهربائية عبر ظاهرة تُسمى تأثير بوكِلْس، مما يمكّن من تعديل الضوء بسرعات فائقة.

بناء منصة فوتونية هجينة

طور الفريق عملية على مستوى الوافر لربط طبقة رقيقة جدًا من تانتالات الليثيوم مباشرة فوق موجِّهات نيتريد السيليكون المصنَّعة مسبقًا. أولًا يصنعون دوائر نيتريد السيليكون منخفضة الخسارة باستخدام ما يُسمى عملية داماسكين، التي تنتج موجِّهات ناعمة مع تضييق قوي للضوء. بشكل منفصل، يجهزون ويفرات تانتالات الليثيوم على عازل. بعد تنظيف وتنشيط السطوح بعناية، تُجلب الوافران في تماس بحيث تربطها قوى جزيئية، ثم تُقوى الصلة بمعالجة حرارية لاحقة. تُزال دعامة السيليكون أسفل تانتالات الليثيوم بعد ذلك، مكشوفةً طبقة فيرroelectric رفيعة مصطفة بدقة فوق موجِّهات نيتريد السيليكون دون الحاجة لتآكل عنيف قد يضر المواد أو يضيف خسائر كهربائية.

تحويل الكهرباء إلى إشارات ضوئية فائقة السرعة

على هذه المنصة الهجينة، يقوم الباحثون بنقش أقطاب معدنية لبناء معدِّلات ماتش–زيندر والمُعدِّلات المعقدة لإزاحة الطور/الاتساق (IQ). في هذه الأجهزة، ينتقل ضوء الليزر عبر زوج من المسارات يتم التحكم في تداخلهما بتغيرات جهد صغيرة تُطبق عبر طبقة تانتالات الليثيوم. تحقق المعدِّلات حاصل الجهد-على-الطول بحوالي 4 فولت·سم، مما يعني أنها تستطيع إنتاج تأثير تعديل قوي على امتداد بضعة مليمترات فقط باستخدام جهود تشغيل متواضعة. تظل استجابتها مستوية حتى نحو 100 غيغاهرتز، مما يدل على قدرتها على مواكبة تغيرات كهربائية سريعة للغاية. والأهم أن الموجِّهات الهجينة تحافظ على خسارة ضوئية منخفضة—نحو 14 ديسيبل لكل متر—وتظهر الأجهزة تشغيلًا مستقرًا تحت انحياز ثابت، مع انحراف طفيف جدًا خلال ساعة، وهي مشكلة عانى منها بعض المعدِّلات الفيرroelectric السابقة.

دفع معدلات البيانات إلى مستويات جديدة

لاختبار أداء هذه المعدِّلات في ظروف الاتصالات الحقيقية، أرسل الفريق إشارات ضوئية متقدمة عبر الألياف. باستخدام مُعدِّل شدة واحد مدفوع بإشارات نبضية ذات أربع مستويات، وصلوا إلى معدلات بيانات صافية تصل حتى 333 غيغابت في الثانية بعد احتساب رموز تصحيح الأخطاء الواقعية. مع مُعدِّلات IQ، التي تتحكم في كل من شدة الضوء وطورها وتُعد معيارًا في أنظمة الاتصالات المتماسكة بعيدة المدى، أرسَلوا اشارات تعدد الطور والتكامل ذات 16 حالة (16-QAM). حققت هذه التجارب معدلات خطية تصل حتى 704 غيغابت في الثانية ومعدلات بيانات صافية عالية تصل إلى 581 غيغابت في الثانية—أرقام تنافس أو تتجاوز العديد من المنصات المدمجة الحالية مع الاستفادة من أساس نيتريد السيليكون منخفض الخسارة.

ماذا يعني هذا لشبكات المستقبل

بدمج تصنيع نيتريد السيليكون الناضج والمنخفض الخسارة مع استجابة تانتالات الليثيوم فوق الرقيقة الكهروضوئية فائقة السرعة، يوفر هذا العمل طريقًا عمليًا لروابط ضوئية أسرع وأكثر كفاءة. يمكن إنتاج الأجهزة الهجينة على مستوى الوافر بكفاءة إنتاجية عالية، مما يجعلها جذابة للنشر واسع النطاق. إلى جانب تسريع عمود الإنترنت الفقري ومراكز البيانات، قد تدعم نفس المنصة محولات مصغرة من الميكروويف إلى بصري، وأنظمة ليزر دقيقة، ومستشعرات ليدار للجيل القادم. ببساطة، تُظهر الدراسة كيف يمكن لتكديس مواد مصمم بعناية أن يُحوّل رقاقة ممرٍّ ضوئي خاملة إلى محرك نشط عالي السرعة لعصر المعلومات.

الاستشهاد: Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun 17, 3314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69769-3

الكلمات المفتاحية: الدارات الفوتونية المتكاملة, معدِّلات كهروضوئية, نيتريد السيليكون, تانتالات الليثيوم, الاتصالات الضوئية فائقة السرعة