مُشكّل حزمة على سطح ميتا مُحسّن بالشكل للاتصالات الضوئية اللاسلكية ثنائية الاتجاه عالية الكفاءة عبر مجال رؤية فائق الاتساع

لماذا تحتاج الاتصالات المستقبلية إلى حزم ضوء أفضل

مع ازدياد حاجة هواتفنا وأجهزتنا لسرعات اتصال أعلى، يتجه المهندسون إلى ما بعد الموجات الراديوية نحو الضوء نفسه. ترسل الاتصالات الضوئية اللاسلكية بيانات عبر حزم ضيقة من ضوء الأشعة تحت الحمراء في الهواء الطلق، مما يوفّر سعة هائلة مع تداخل منخفض. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لجهاز بصري فائق الرقة أن يوجّه مثل هذه الحزم بكفاءة عبر مجال رؤية واسع جداً، مُمكّناً روابط فيديو سلسة ومنخفضة الكمون حتى عندما يجلس المرسل والمستقبل بزوايا حادة تجاه بعضهما البعض.

من تبعثر الضوء إلى روابط ضوئية شبيهة بالليزر

يمكن بناء روابط لاسلكية ضوئية بطريقتين أساسيتين. الأولى تستخدم حزم منتشرة، مثل مصباح يملأ غرفة، والتي تغطي بشكل طبيعي العديد من المستخدمين لكنها تُهدر غالبية طاقتها قبل أن تصطدم بالمستقبل. أما الثانية فتعتمد على حزم ضيقة شبيهة بالليزر تنقل البيانات لمسافات طويلة بخسائر أقل بكثير، لكنّها تتطلب توجيهاً دقيقاً لكل جهاز. الأدوات التقليدية للتوجيه، مثل المرايا الدوّارة أو لوحات الكريستال السائل، تواجه صعوبة عندما يجب أن ينحني الشعاع بزاويا شديدة، وتقل كفاءتها، مما يحد من السرعة والمدى. هذا القيد يشكل حاجزاً رئيسياً أمام الانتشار الواسع للروابط الضوئية في شبكات الجيل السادس المستقبلية.

بصريات مسطحة تنحني الضوء بزاويا قصوى

توَجَّه الباحثون إلى أسطح ميتا، أفلام رقيقة للغاية ومنقوشة يمكنها إعادة تشكيل الضوء باستخدام هياكل صغيرة أصغر من الطول الموجي. تستخدم أسطح ميتا التقليدية أشكالاً بسيطة مثل الأسطوانات، التي تعمل جيداً لانحرافات معتدلة لكنها تفقد كثيراً من الضوء عند الزوايا الحادة. طوّر الفريق "سطح ميتا محسن بالشكل" جديداً، حيث تكون النقوش الدقيقة حرة الشكل بدلاً من كتل منتظمة. باستخدام طريقة تصميم حاسوبية من خطوتين، يبحثون عن أنماط توجّه الضوء بشدة وتظل بسيطة بما يكفي للتصنيع الموثوق باستخدام أدوات صناعة الرقاقات القياسية. النتيجة مجموعة من بلاطات بصرية مسطحة قادرة على ثني حزم الأشعة تحت الحمراء حتى 80 درجة مع إرسال أكثر من 80 في المئة من الطاقة في الاتجاه المرغوب، وتعمل بكفاءة مماثلة بغض النظر عن استقطاب الضوء.

اختبار روابط ثنائية سريعة عبر زوايا واسعة

لاختبار ما يعنيه ذلك للاتصالات الحقيقية، قارن الفريق سطح الميتا الجديد بتصميم عادي. قاسوا مقدار الضوء الذي يصل إلى الاتجاه المستهدف وكمية الأخطاء عند إرسال إشارات رقمية. عند الزوايا الكبيرة جداً قدّم السطح الجديد أكثر من ثلاثة أضعاف طاقة الحزمة المفيدة مقارنةً بالسطح العادي، في كلا الاتجاهين الأمامي والخلفي، مؤكداً أنه يمكن أن يعمل كمُشكّل حزمة ثنائي الاتجاه عالي الكفاءة. وباستخدامه كالعنصر البصري الرئيسي، بنوا رابط فيديو كامل الاتجاه يربط محطة قاعدة 5G بشبكة النواة بينما تتواصل الهواتف مع محطة القاعدة عبر الراديو. عند انحناء 60 درجة ومسافة مترين، دعم السطح المحسّن مكالمات فيديو عالية الدقة سلسة ومنخفضة الكمون، بينما أنتج سطح الميتا العادي صوراً متقطعة ومتأخرة تحت نفس القدرة.

دفع المدى والسرعة والتغطية

ثم وضع الفريق النظام تحت ظروف أكثر تطلباً. أظهروا رابطاً بصرياً خارجياً لمسافة 200 متر منحنيّاً بزاوية 60 درجة وما زال يحافظ على نقل بيانات بلا أخطاء عند مستويات قدرة مناسبة، وحمل فيديو في الوقت الحقيقي بين جهازين متحركين. بعد ذلك استخدموا تسعة ألوان ضوئية متقاربة على نفس الحزمة لإنشاء قناة "متعددة الممرات". على مدى 20 مترًا وبانحناء 60 درجة، حقق هذا التكاثف في تقسيم الطيف معدلًا إجمالياً قدره 225 جيجابت في الثانية، مع إظهار جميع الألوان موثوقية مماثلة. أخيراً صمموا فكرة ترتب فيها العديد من بلاطات الميتا في مصفوفة ثنائية الأبعاد وتغذّيها حزمة من الألياف، بحيث يرسل كل بلاط حزمته في اتجاه مختلف. في المحاكاة ينتج عن ذلك تغطية شبه كاملة لنصف كرة الروابط المحتملة، داعماً العديد من المستخدمين حول محور في آن واحد.

ماذا يعني هذا للاتصالات اليومية

بعبارة بسيطة، تُبيّن هذه الدراسة كيف يمكن لفيلم منقوش رقيق كظفر الإصبع أن يوجّه حزم الضوء بكفاءة تقريباً في أي اتجاه، مُحوِّلاً الاتصالات الضوئية من رابطٍ هشٍ خطي إلى خيار مرن واسع الزاوية. من خلال تشكيل الميزات الدقيقة بعناية لتكون فعّالة وقابلة للتصنيع، يجمع المؤلفون بين كفاءة عالية، مدى طويل، سرعات بيانات مرتفعة، والتوافق مع شبكات الراديو المتنقلة. قد تجلس مثل هذه مُشكّلات الحزم على أسطح المنازل أو على الطائرات الصغيرة أو أعمدة الإنارة في المستقبل، توجّه الضوء بهدوء لتمرير البيانات بين محطات القاعدة والمستخدمين، مقلّلة العبء عن القنوات الراديوية المزدحمة ومساعدة في تمكين أجيال مستقبلية من الاتصالات اللاسلكية.

الاستشهاد: Yuan, Z., Chen, J., Wang, Y. et al. Shape-optimized metasurface beamformer for high-efficiency full-duplex optical wireless communications across an ultra-wide field-of-view. Nat Commun 17, 4250 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70665-z

الكلمات المفتاحية: الاتصالات الضوئية اللاسلكية, تشكيل حزم على سطح ميتا, البصريات الحرة في الفضاء, شبكات الجيل السادس, توجيه الحزم