نحو اتصالات موازية متعددة الأبعاد عالمية بالدمج الهجين المباشر للألياف المتنوعة/شرائح ثلاثية الأبعاد/ثنائية الأبعاد

لماذا يهم حشر بيانات أكثر داخل الضوء

كلما شاهدت فيلماً عبر البث، أو شاركت في مكالمة فيديو، أو خزّنت ملفات في السحابة، تتسابق بياناتك عبر ألياف زجاجية رفيعة كالشعر. هذه الألياف تقترب من حدودها، بينما يزداد طلبنا على البيانات باستمرار. تنقل هذه المقالة طريقة جديدة لزيادة كمية المعلومات التي يمكن أن تمر عبر وصلة واحدة بشكل جذري من خلال دمج أنواع مختلفة من الألياف الضوئية مع شرائح ثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد صغيرة. النتيجة منصة مدمجة تستطيع إدارة مئات قنوات البيانات بالتوازي، وتشير إلى الجيل القادم من العمود الفقري للإنترنت ومراكز البيانات عالية السعة.

استخدام الفراغ داخل الألياف كلِّبنٍ إضافي

ترسل الوصلات التقليدية المعلومات بتغيير شدة الضوء أو لونه أو استقطابه في مسار واحد. أما تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء فيعامل مقطع الألياف كممر متعدد المسارات، مستخدماً أنوية مختلفة أو أنماط ضوئية مختلفة كقنوات متوازية. طُورت عدة ألياف متخصِّصة لهذا الغرض: ألياف بعدّة أوضاع تدعم مجموعة صغيرة من أنماط الضوء، وألياف متعددة النوى التي تضم العديد من النوى الصغيرة معاً، وألياف عزم الزخم المداري التي توجه الضوء في مسارات لولبية الشكل. كل نوع من هذه الألياف يبرع في تطبيقات معينة، لكن لا يُرجّح أن يهيمن نوع واحد بمفرده. في الشبكات الحقيقية، ستحتاج كل هذه الأنواع للتعايش، ويجب أن تتواصل بكفاءة أيضاً مع موجّهات على الشريحة التي تنقل الضوء لمسافات مليمترية أو سنتيمترية داخل الدوائر الضوئية.

سد الفجوات غير المتطابقة بشرائح ثلاثية وثنائية الأبعاد

من أكبر المشكلات أن هذه الألياف والشرائح تختلف على نحو كبير في أشكال وأحجام الحقول الضوئية، مما يجعل وصلات منخفضة الفقد مباشرة أمراً صعباً. يعالج المؤلفون هذا ببناء شريحة «جسر» من الزجاج باستخدام كتابة بالليزر بفيمتوثانية، وهي طريقة ترسم موجّهات ثلاثية الأبعاد داخل كتلة من السيليكا. تستقبل هذه الشريحة ثلاثية الأبعاد الضوء القادم من ألياف متنوعة وتعيد تشكيله وإعادة توجيهه تدريجياً بحيث يخرج كل مسار مكاني كمخرج أحادي الوضع منظم. في الوقت نفسه، يقلص الفريق بقع الضوء بما يكفي لتتوافق مع الموجّهات السيليكونية الصغيرة على شريحة ثنائية الأبعاد ثانية. يحافظ التصميم الدقيق للمسارات المنحنية والمقسّمات والبنى المدرّجة على فقد وانقِلاب منخفضين، مما يسمح بتحويلات نمطية معقدة بين الألياف متعددة النوى، والألياف متعددة الأوضاع، وألياف العزم الزخم المداري، والألياف أحادية الوضع القياسية، وكذلك إلى موجّهات متعددة الأوضاع على الشريحة.

مركز بصري صغير يدير مئات القنوات

بمجرد أن تصل القنوات المكانية إلى شريحة السيليكون، يمكن التلاعب بها بطريقة تشبه الإشارات على لوحة إلكترونية — لكن في نطاق بصري. يدمج المؤلفون عددًا كبيرًا من وحدات البناء، بما في ذلك مخففات قائمة على التدخل ومصفوفات من الرنانات الحلقية المجهرية. تستطيع المتداخلات موازنة الطاقة بدقة في كل مسار مكاني، بينما تختار الرنانات الحلقية ألواناً معينة من الضوء أو تعيد توجيهها داخل تلك المسارات. عبر تصميم الحلقات بمسافات واسعة بين الرنانات، يمكن للشريحة أن تتعامل مع 36 طول موجي متقارب لكل مسار مكاني. ثمانية مسارات مكانية مضروبة في 36 طول موجي تعطي 288 قناة ضوئية مميزة يمكن إسقاطها أو إضافتها أو معادلتها ديناميكياً داخل مساحة لا تتجاوز بضعة سنتيمترات مربع.

إظهار نقل بيانات عالي السرعة عبر العديد من الممرات

لإثبات أن هذا النظام المعقّد يعمل عملياً، بنى الفريق وصلة اتصال كاملة ألياف–شريحة–ألياف. ولّدوا 36 طول موجي ليزر يحمل إشارات مُشفرة بثمانية عشر مستوى متقدم (16‑QAM) وقسموها إلى ثمانية مسارات مكانية باستخدام ألياف متعددة النوى وقليلة الأوضاع. مرّت هذه الإشارات عبر شريحة الزجاج ثلاثية الأبعاد، إلى مدير السيليكون ثنائي الأبعاد، ثم عادت للخارج عبر الألياف إلى مستقبل تماسك، كما قد يحدث في عقدة شبكة فعلية. عبر كل القنوات الـ288، ظلت معدلات الخطأ المقاسة أدنى من العتبة التي يمكن لتصحيح الخطأ الرقمي القياسي تنظيف الأخطاء بعدها. إجمالاً، حقق الإعداد نحو 30 تيرابت في الثانية من معدل نقل البيانات — ما يعادل عشرات الآلاف من تدفقات الفيديو عالية الدقة — عبر منصة واحدة متكاملة.

ماذا يعني هذا لشبكات المستقبل

بمعانٍ عملية، يظهر هذا العمل كيف يمكن تحويل وصلة ضوئية واحدة إلى طريق سريع مكوّن من عدة حارات منظم للبيانات عبر دمج ألياف مختلفة مع شرائح ضوئية ثلاثية وثنائية الأبعاد. رغم أن السعة المعروضة لا تزال أقل من أنظمة مختبرية كاسرة للأرقام التي تستخدم بَصريات كبيرة، فإن النهج الهجين المقدم مدمج وقابل للتوسع ومتوافق مع طرق تصنيع الشرائح. يجادل المؤلفون أنه مع نضوج هذه المكونات وإضافة المزيد من القنوات المكانية والأطوال الموجية، قد تصل معمارية مماثلة في نهاية المطاف إلى قدرات بتabit‑في‑الثانية. وهذا سيمنح مصممي الشبكات مساراً عملياً لمواكبة تزايد الطلب على البيانات دون الحاجة المستمرة لدفن ألياف جديدة.

الاستشهاد: Li, K., Cai, C., Yan, G. et al. Towards universal multi-dimensional parallelization communications by direct diverse fiber/3D/2D chip hybrid integration. Nat Commun 17, 3771 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70455-7

الكلمات المفتاحية: الاتصالات الضوئية, تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء, الضوئيات السليكونية, الألياف متعددة النوى, التكامل الضوئي