مُرسِل/مستقبِل لاسلكي تيراهيرتز بسيط في فوتونيك مدمج

لماذا تهم الروابط اللاسلكية الأصغر والأسرع

يمتلئ عالمنا اليوم بأجهزة متصلة، من كاميرات ذكية في المصانع إلى مستشعرات على السيارات وأعمدة الإنارة. يجب على كل هذه المعدات تبادل كميات ضخمة من البيانات بسرعة وبموثوقية، لكن الأجهزة اللاسلكية الضخمة والمستهلكة للطاقة يصعب إدماجها في أجهزة صغيرة تعمل بالبطارية. تبحث هذه الدراسة في طريقة جديدة لبناء روابط لاسلكية فائقة السرعة باستخدام الضوء على رقاقة، لتوفر لبنة بناء أبسط وأكثر كفاءة لشبكات عالية السرعة في المستقبل.

الضوء كجسر لللاسلكي المستقبلي

تعتمد أنظمة الاتصالات عالية السرعة عند ترددات فائقة مثل نطاق التيراهيرتز غالبًا على إلكترونيات معقدة تواجه صعوبة في الجمع بين عرض نطاق واسع وتكلفة منخفضة. تستخدم الأنظمة المدعومة بالفوتونيك ليزرات ومكوّنات بصرية لتوليد هذه الإشارات عالية التردد بمرونة أكبر، لكن الأجهزة عادةً ما تكون كبيرة ومكلفة ومن الصعب دمجها في أجهزة مدمجة. على وجه الخصوص، عادة ما تحتاج إلى ليزرات فائقة النظافة ومعالجة رقمية كثيفة للحفاظ على استقرار الإشارة، مما يزيد التكلفة واستهلاك الطاقة والتأخير. سعى المؤلفون إلى إزالة هذا المقايضة الطويلة الأمد عبر إعادة التفكير في المرسِل والمستقبِل بحيث يمكن لأجزاء بسيطة ورخيصة أن تدعم روابط بيانات فائقة السرعة.

راديو تيراهيرتز مبسّط على رقاقة

صممت الفريق مرسِل/مستقبِل تيراهيرتز مُبسَّطًا مبنيًا على رقائق فوتونية مدمجة. بدلًا من استخدام ليزرات مخبرية ضخمة، اختاروا رقائق ليزر شائعة ذات تغذية مرتدة موزّعة (DFB) والتي تنتج إشارات أكثر ضوضاءً لكنها رخيصة ومضغوطة. في جهة الإرسال، أسلوب خاص لحشو البيانات على الضوء يُسمى تعديل الحامل المتبقي يحتفظ بنسخة باهتة من موجة الضوء الأصلية تسير بجانب الحامل الحامل للبيانات. وبما أن الجزئين الضوئيين يشاركان نفس المسار، فإن أي اهتزازات يصبان فيها تظل متطابقة إلى حد كبير. في جهة الاستقبال تُعزَّز هذه النسخة الباهتة داخل ليزر عادي آخر باستخدام عملية تُعرف بقفل الحقن، التي تجبر الليزر الجديد على متابعة الضوء الوارد عن كثب في اللون والإيقاع.

الحفاظ على ثبات الإشارة دون حسابات معقدة

في الأنظمة التقليدية عالية السرعة، ليزر المحلي في المستقبِل مستقل عن الإشارة الواردة، لذا فإن اختلافاتهما الدقيقة في التردد والطور تنزلق باستمرار. يتطلب تصحيح ذلك معالجة رقمية معقدة لتقدير وتتبع هذه التغيرات في الوقت الحقيقي، ما يستهلك الطاقة ويزيد التأخير. في التصميم الجديد، الحامل المتبقي المعزز يشارك بالفعل نفس التقلبات مع الشُّبَيْك الحاملة للإشارة، وعند دمجهما على فوتوديود واحد، تُلغَى معظم الاهتزازات غير المرغوبة. يبين الباحثون أنه في هذه الحالة يمكن إيقاف خطوات المعالجة الرقمية المعتادة لتقدير انحراف التردد وطور الحامل بينما تظل البيانات تمر بشكل موثوق، رغم أن الليزرات أكثر ضوضاءً بكثير من تلك المستخدمة في الأعمال السابقة.

بيانات سريعة مع متطلبات أجهزة مخففة

باستخدام ليزراتهم المدمجة، والمعدلات، والفوتوديودات، يبرهن المؤلفون على روابط لاسلكية عند تردد حامٍ قدره 200 جيجاهرتز، ناقلين بيانات تصل إلى 144 جيجابت/ثانية باستخدام تنسيقات تعديل متقدمة. يقارنون رقائق ليزر ذات عرض خط ضوضائي 4 ميجاهرتز بالليزرات المخبرية المصقولة ويجدون معدلات خطأ مماثلة عند نفس السرعات، مؤكدين أن نظافة الليزر الصارمة لم تعد أساسية. كما يستغل النظام الطيف بكفاءة، محتاجًا فقط إلى نطاق حراسة صغير حول الإشارة. وبما أن الأجزاء الأساسية متاحة بالفعل على منصات فوتونية بمقاييس الرقاقة، ويمكن أيضًا جلب المكبرات والدوارات على الرقاقة، فإن النهج ملائم للتحول إلى وحدات مدمجة تناسب الأجهزة اليومية.

ماذا يعني هذا للأجهزة المتصلة المستقبلية

بإتاحة ليزرات بسيطة ورخيصة ومستشعر استقبال واحد للتعامل مع إشارات تيراهيرتز فائقة السرعة دون تنظيف رقمي مكثف، يشير هذا العمل إلى مستقبل حيث يمكن بناء روابط لاسلكية عالية الأداء داخل العديد من الأجهزة الصغيرة محدودة الطاقة. ببساطة، يوضح الباحثون كيف يمكن تصغير راديو عالي التردد معقد إلى محرك بصري نحيل على رقاقة، مما يقلل التكلفة واستهلاك الطاقة مع الحفاظ على السرعة. قد تساعد هذه المرسلات/المستقبلات الفوتونية البسيطة في جعل الشبكات الكثيفة والمتجاوبة للمدن الذكية والمصانع والمركبات وأنظمة الاستشعار أكثر عملية بكثير.

الاستشهاد: Guo, Y., Zhang, X., Zhang, Y. et al. Minimalist terahertz wireless transceiver in integrated photonics. Nat Commun 17, 4429 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71081-z

الكلمات المفتاحية: لاسلكي تيراهيرتز, فوتونيك مدمج, اتصالات عالية السرعة, مُرسِل/مستقبِل منخفض الطاقة, شبكات الجيل السادس