تصنيع على مستوى الرقاقة لمصابيح ليزر مدمجة مشوبة بالإربيوم فائقة النطاق وعالية القدرة

رقائق صغيرة، ضوء كبير

الليزرات هي القوى العاملة غير المرئية في التكنولوجيا الحديثة، تُمكّن بهدوء الإنترنت عالي السرعة، والقياس الدقيق، والملاحة، وحتى التصوير الطبي. لكن أفضل الليزرات من حيث الاستقرار والانخفاض في الضوضاء كانت تقليديًا موجودة داخل إعدادات مشبكية ضخمة وحساسة يصعب تصنيعها بكميات كبيرة. تُظهر هذه الورقة كيف نجح الباحثون في نقل أداء فئة الألياف هذا إلى رقائق سيليكون صغيرة، باستخدام عملية تتماشى مع مصانع أشباه الموصلات القياسية وقد تجعل إنتاج ليزرات فائقة الاستقرار سهلاً مثل إنتاج معالجات الحاسوب.

لماذا يهم تصغير ليزرات الألياف

لعقود، حددت ليزرات الألياف المشوبة بالإربيوم المعيار الذهبي للضوء النقي والمستقر للغاية، وهو أمر حاسم لمهام مثل الاستشعار بالألياف لمسافات طويلة، والجيروسكوبات، وروابط الاتصالات في الفضاء الحر، والساعات الضوئية. يكمن سرها في أيونات الإربيوم، التي تعمل كمكَبر ضوئي هادئ ومستقر بضوضاء منخفضة وثبات حراري قوي. المشكلة أن هذه الليزرات عبارة عن لفائف طويلة من الألياف الزجاجية تُركب بعناية—ممتازة في المختبر، لكنها غير عملية ومكلفة للاستخدام الصناعي الواسع. وضع نفس نوع مصدر الضوء على رقاقة مسطحة يعد بحجم أصغر وتكلفة أقل وتكامل أسهل مع مكونات فوتونية وإلكترونية أخرى، لكن المحاولات السابقة إما قصرت في الأداء أو كانت صعبة التصنيع على نطاق واسع.

صناعة ليزرات عالية الأداء على مستوى الرقاقة

يعالج المؤلفون عنق زجاجة تصنيعيًا رئيسيًا بإعادة تصميم هياكل توجيه الضوء على الرقاقة. بدلًا من استخدام موجّهات سميكة تتطلب حزم أيونية ذات طاقة عالية جدًا لزراعة الإربيوم، يستخدمون موجّهات من نيتريد السيليكون (Si₃N₄) أرق بكثير بارتفاع 200 نانومتر فقط. هذا التغيير الهندسي البسيط يخفض طاقة الزراعة المطلوبة إلى أقل من 500 كيلو إلكترون فولت، ما يعني إمكانية استخدام مزروعات أيون صناعية قياسية بقطر 300 مليمتر—الموجودة بالفعل في مصانع أشباه الموصلات. بدءًا من دوائر نيتريد السيليكون منخفضة الفقد على رقائق كاملة، يزرعون الإربيوم انتقائيًا فقط حيث يلزم الحصول على الكسب، ويضيفون غطاء زجاجيًا، ويُدمجون سخانات معدنية صغيرة للضبط الدقيق. النتيجة هي رقاقة مليئة بشرائح ليزر متطابقة ومدمجة (بحجم كل واحدة حوالي 0.4 × 1.0 سم) تُنتَج بمعدل عالي وبدون تلف موجّه كان يسبب مشاكل في الأساليب السابقة ذات الطاقة العالية.

كيف يعمل ليزر الرقاقة

داخل كل رقاقة، يُبنى الليزر كحلقة بصرية مصممة بعناية. أحد أقسام الحلقة عبارة عن لولب طويل من الموجّه المشوب بالإربيوم يوفر الكسب، بينما يعمل اثنان من الرنانات الحلقية ذات الاختلاف البسيط معًا كمرشح “فيرنييه” يختار لونًا ضيقًا واحدًا في كل مرة. تحدد مرايا حلقة الشكل القابلة للتعديل تجويف الليزر وتتيح للمهندسين التحكم في مقدار الضوء الذي يُعاد تغذيته أو يُخرج كنتيجة مفيدة. تُضخ الرقاقة بواسطة ليزر بطول موجي 1480 نانومتر—سواء بربطه مباشرة عند حافة الرقاقة أو بتوصيله عن بُعد عبر الألياف—مما يهيج أيونات الإربيوم لتضخيم الضوء حول نطاقي الاتصالات C وL (تقريبًا 1530–1620 نانومتر). تغيّر السخانات المجهرية الحرارة المحلية قليلًا، مما يحوّل رنانات الحلقات والمرايا بحيث يستطيع الفريق ضبط طول موجة الليزر عبر نطاق واسع مع الحفاظ على خروج طيفي مفرد ونظيف.

الطاقة والنقاء والاستقرار

على الرغم من بصمتها الصغيرة، تقدم هذه ليزرات الرقاقة أداءً ينافس أو يتفوق على العديد من الأنظمة التجارية. يمكن ضبطها عبر 91 نانومتر عبر نطاقي C وL، مع قدرة خرج متصلة بالألياف تصل حتى 47.6 ميلي واط وخط عرض ذاتي ضيق جدًا يبلغ 78.5 هرتز فقط—مقياس للنقاء الطيفي عادةً ما يُنسب لأجهزة أكبر بكثير. تُظهر الأجهزة أيضًا ضوضاء شدة وتردد منخفضة جدًا، مماثلة أو أفضل من أفضل ليزرات الألياف. ونظرًا لأن مستويات طاقة الإربيوم الداخلية محمية إلى حد كبير من الاهتزازات والحرارة، تستمر الليزرات في العمل حتى 125 °م مع تغيّرات قدرة متواضعة فقط، وتنحرف تردداتها بأقل من 15 ميجاهرتز خلال ست ساعات. تُظهر الاختبارات مع انعكاسات خلفية مقصودة أن التصميم متسامح بشكل ملحوظ مع التغذية البصرية العكسية، مما يقلل الحاجة إلى عوازل كبيرة الحجم.

ماذا يعني هذا لتقنيات المستقبل

لغير المتخصص، الرسالة المركزية هي أن المؤلفين حوّلوا نوعًا من الليزر المعملي والحسّاس إلى شيء يمكن طباعته على رقائق مثل رقائق الحاسوب، دون التضحية بالأداء. من خلال الجمع بين منصة نيتريد السيليكون الصالحة للمصانع وزراعة الإربيوم المصممة بعناية وتصميم تجويف ذكي، يوضحون ليزرات ساطعة وقابلة للضبط ومستقرة للغاية يمكنها العمل في بيئات قاسية وإنتاجها على نطاق واسع. يفتح هذا الباب أمام مصادر ضوء عالية التوافق وميسورة التكلفة للاستشعار الدقيق، والليدار، والاتصالات المتقدمة، والعديد من التطبيقات الأخرى حيث يمكن أن يكون وجود «ليزر مثالي» على رقاقة تغييريًا.

الاستشهاد: Ji, X., Yang, X., Liu, Y. et al. Wafer-scale manufacturing of ultra-broadband, high-power erbium-doped integrated lasers. Nat Commun 17, 3722 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69787-1

الكلمات المفتاحية: الليزرات المدمجة, الفوتونيكس بأكسيد السيلينيوم النيتريد, الأجهزة المشوبة بالإربيوم, تصنيع على مستوى الرقاقة, مصادر ضوء لنطاق الاتصالات