هوائيات منخفضة التداخل لأرايز طور بصرية مدمجة خالية من أقسام الحيود وذات مجال رؤية واسع

شعاعات ضوئية بلا أجزاء متحركة

تخيّل توجيه شعاع ليزر كما تحرك مؤشر الفأرة على الشاشة—فورياً، بدقة، ومن دون مرايا أو محركات متحركة. هذا ما تعد به مصفوفات الطور البصرية المدمجة، شرائح صغيرة يمكنها توجيه الضوء إلكترونياً. وهي مركزية لتقنيات ناشئة مثل حساسات السيارات ذاتية القيادة، وصلات لاسلكية فائقة السرعة عبر الهواء، والعارضات المصغّرة. لكن شرائح اليوم تكافح لرؤية الضوء أو إرساله عبر زاوية واسعة دون خلق «أشعة شبح» مُشتتة. توضح هذه الدراسة كيف يمكن إعادة تصميم هوائيات إصدار الضوء على هذه الشرائح لكي تمسح مجال رؤية أوسع بكثير مع الحفاظ على شعاع نظيف ومشرق.

لماذا يهم توجيه الضوء على الشريحة

تحتاج العديد من الأجهزة إلى إرسال واستقبال شعاعات ضيقة من الضوء يمكن توجيهها بسرعة وبموثوقية. من الأمثلة أنظمة لايدار التي ترسم محيط السيارة، وصلات ضوئية فضائية تنقل البيانات عبر الهواء، وملاقط ضوئية تحرك أجساماً مجهرية بالضوء. تجمع مصفوفات الطور البصرية المدمجة عشرات أو آلاف الهوائيات الصغيرة على شريحة واحدة. يُقسم الضوء إلى مسارات عديدة، ويحصل كل مسار على إزاحة طور محسوبة بعناية، وتُشع كل الهوائيات معاً. تداخل هذه الموجات يحدد إلى أين يتجه الشعاع المجمّع في الفضاء، تماماً كما يوجّه الموسيقيون صوتهم في قاعة الحفلات.

مشكلة الأشعة الشبحية غير المرغوب فيها

لكي ترى الشريحة مجال رؤية واسع، يجب وضع الهوائيات قريبة جداً من بعضها—بمسافة تقارب نصف طول موجة الضوء. هذا التباعد الضيق يتجنّب ما يُسمى بأقسام الحيود (grating lobes)، وهي أشعة إضافية تظهر عندما تُباعد الهوائيات أكثر من اللازم وتضيع الطاقة وتُربك الإشارة. ومع ذلك، فإن وضع الهوائيات بهذه القرب يخلق مشكلة أخرى: تتداخل حقولها الكهرومغناطيسية بقوة، ما يسمح للطاقة بالتسرّب جانبياً من هوائي إلى آخر. هذا التداخل يحطّم علاقات الطور الدقيقة اللازمة لتشكيل شعاع رئيسي حاد، مما يقلل جودة الصورة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء. محاولات سابقة لإزالة الأشعة الشبحية ضحت إما بسطوع الشعاع، أو عقّدت تصميم المصفوفة، أو قيدت التوجيه باتجاه واحد فقط.

طريقة جديدة لإسكات الجيران

تعامل الباحثون مع مشكلة التداخل من جذورها: طريقة تفاعل الهوائيات المجاورة. طوروا أولاً نظرية عامة تصف كيف يسافر الضوء ويتزاوج بين عناصر لا تبادل الطاقة فحسب بل تفقد جزءاً منها أيضاً أثناء إشعاعها إلى الفضاء. يوسّع هذا الإطار نظرية الوضع المزدوج القياسية لتشمل معدلات خسارة مختلفة في كل عنصر، وهو أمر حاسم لهوائيات مصممة لتسريب الضوء عمداً. باستخدام هذه النظرية والمحاكاة الحاسوبية التفصيلية، صمموا ثلاثة هوائيات نمط شبكي (grating) متشابهة قليلاً—تختلف أساساً في عرضها—تُشع كلها في نفس الاتجاه بقوة متقاربة، لكنها توجه الضوء بسرعات داخلية مختلفة. عند وضع هذه الأنواع الثلاثة بترتيب متناوب على الشريحة، تُقلّل خصائصها الداخلية غير المطابقة بشكل كبير من تدفّق الطاقة الجانبي بين الجيران.

من النظرية إلى الأجهزة العملية

صنع الفريق هياكل اختبارية في عملية فوتونيات سليكونية تجارية لمقارنة الهوائيات القياسية بنسخهم منخفضة التداخل. في إعدادات بسيطة من هوائيين مفصولين عند تباعد نصف الطول الموجي الضيق، قاسوا مقدار الطاقة التي انتقلت من هوائي إلى آخر مع زيادة طول الهوائيات. الهوائيات القياسية المتماثلة تبادلت تقريباً كل طاقتها ذهاباً وإياباً، مؤكدة وجود تداخل قوي. بالمقابل، تبادلت الهوائيات ذات الهندسة المتناوبة نحو واحد بالمئة فقط من طاقتها—انخفاض بمقدار درجتين من الحجم—مما طابق المحاكاة والنظرية الجديدة. ثم بنى الباحثون شريحة مصفوفة طور كاملة تحتوي 16 من الهوائيات الجديدة، كلٌّ يغذيه محوّل طور مستقل. باستخدام منظار مخصص يمكنه الدوران لمتابعة الشعاع، عيّروا الأطوار بحيث تعمل الهوائيات معاً لتشكّل بقعة ضوئية واحدة وحادة.

رؤية أوسع بلا ضوضاء

بفضل تصميم الهوائي الجديد، حققت المصفوفة المتكاملة المطلوب من كثير من التطبيقات: شعاع واحد ونظيف يمكن توجيهه عبر مدى واسع من الزوايا دون ظهور أقسام إضافية في أماكن أخرى. مسح الجهاز المثبت نحو 60 درجة من المجال بينما حافظ على شعاع ضيق وعالي التباين، وأظهر التوافق مع التوجيه بتغيير طول موجة الضوء وكذلك بتعديل الأطوار. وبما أن الهوائيات توضع عند تباعد نصف الطول الموجي المثالي، يدعم التصميم الأساسي مجال رؤية نظرياً يقترب من نصف دائرة كاملة. بعبارات يومية، تُظهر هذه العمل كيف يمكن للهندسة الدقيقة لمبعثات الضوء الصغيرة على الشريحة أن تروي التفاعلات غير المرغوب فيها بينها، مما يمهد الطريق لتوجيه شعاع مدمج ومنخفض التكلفة وعالي الأداء في أنظمة الاستشعار والاتصالات والعرض المستقبلية.

الاستشهاد: Crawford-Eng, H., Garcia Coleto, A., Mazur, B.M. et al. Reduced-crosstalk antennas for grating-lobe-free and wide-field-of-view integrated optical phased arrays. Nat Commun 17, 3942 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71832-y

الكلمات المفتاحية: مصفوفات طور بصرية, الفوتونيات السليكونية, توجيه الشعاع, هوائيات مدمجة, لايدار