الفوتونيكس المدمجة التي تمكّن الاتصال عبر الألياف واللاسلكي بعرض نطاق فائق

لماذا تهم الاتصالات الأسرع

بث فيديو بدقة 8K لعدد كبير من المستخدمين في الوقت نفسه، والتحكم في أساطيل الطائرات بدون طيار، أو ربط مراكز بيانات ضخمة — كلها تعتمد على نقل كميات هائلة من المعلومات مع تأخير شبه منعدم. تقسم الشبكات الحالية هذه المهمة بين ألياف ضوئية تحت أقدامنا وروابط لاسلكية عبر الهواء، لكن هذان العالمان لا يتكلمان بطبيعة الحال نفس «لغة السرعة». تصف هذه الورقة تقنية جديدة قائمة على الرقائق تساعد روابط الألياف واللاسلكي على مشاركة شريحة أطول بكثير من الطيف، مما يعد باتصالات أكثر سلاسة وسرعة ومرونة لشبكات الجيل السادس وما بعدها.

الفجوة بين الكابلات والهواء

يمكن للألياف الضوئية الحديثة بالفعل إرسال كميات مذهلة من البيانات، لكن الجانب اللاسلكي تأخر في اللحاق، خصوصاً عند الترددات الراديوية الفائقة المعروفة بنطاق التيراهيرتز. الإشارات التي تتدفق بسهولة عبر الألياف تحتاج إلى إعادة مزج وتحويل قبل بثها، عبر إلكترونيات ضخمة تضيف ضوضاء وتكلفة وتأخير. كما أن هذه التحويلات تكافح للتعامل مع نطاقات ترددية شديدة الاتساع، ما يقيّد عدد المستخدمين وكمية المعلومات التي يمكن حملها في آن واحد. والنتيجة هي عدم تطابق طويل الأمد: وصلات الألياف التي يمكنها نقل بيانات أكثر مما يمكن للـ «الوصلة اللاسلكية الأخيرة» توصيله براحة.

نوع جديد من المترجم القائم على الضوء

يتناول الباحثون هذه المشكلة بمنصة فوتونيكس مدمجة — باختصار لوحة دارات ضوئية صغيرة — يمكنها كل من نقش البيانات الكهربائية على الضوء وتحويل الضوء مرة أخرى إلى إشارات كهربائية عبر نطاق ترددي فائق الاتساع. على جانب من الشريحة، يعمل معدّل ضوئي من نيوبات الليثيوم كصمام ضوئي فائق السرعة، يبدّل الحزمة تحت الحمراء تشغيلاً وإيقافاً أو بين مستويات بعرض نطاق يمتد لأكثر من 250 غيغاهرتز. وعلى الجانب الآخر، يقوم صمام ضوئي خاص مصنّع من فوسفيد الإنديوم بتحويل الضوء القادم بكفاءة إلى موجات كهربائية، أيضاً عبر أكثر من 250 غيغاهرتز. معاً، يشكل هذان الجهازان «جسراً» قائماً على الضوء يعامل وصلات الألياف واللاسلكي التيراهرتزي كأجزاء من نظام مستمر واحد.

دفع معدلات البيانات إلى آفاق جديدة

لاختبار ما يمكن أن يفعله هذا الجسر، استخدم الفريق أولاً النظام في وصلات ألياف قصيرة تشبه تلك داخل مراكز البيانات. مع ترميز بسيط بشدة وبدون تصحيحات متقدمة، وصلوا إلى معدلات رمز تزيد على 200 غيغابود. عندما زاوجوا الأجهزة مع خوارزمية ذكاء اصطناعي مصممة تسمى وحدة متكررة بوّابة ثنائية الاتجاه المعقّدة، دفعوا قناة ألياف واحدة إلى 512 غيغابت في الثانية مع إبقاء معدلات الخطأ منخفضة بما يكفي لخطط تصحيح الأخطاء القياسية. ثم انتقلوا إلى اختبارات لاسلكية حول 180 غيغاهرتز، مولدين ومستقبلين موجات تيراهيرتز باستخدام نفس عناصر الشريحة. مع المعالجة الرقمية التقليدية تجاوزوا بالفعل الأرقام القياسية السابقة؛ ومع معادل الذكاء الاصطناعي المفعّل، وصلوا إلى 400 غيغابت في الثانية لكل قناة لاسلكية، مرة أخرى ضمن حدود أخطاء عملية، على مسافات قصيرة ومتعددة الأمتار.

مشاركة الهواء بين العديد من المستخدمين

بعيداً عن السرعة الخام، يحتاج النظام أيضاً إلى خدمة عدد كبير من المستخدمين في آن واحد. بنى المؤلفون شبكة وصول إثبات مفهومية حيث غذت عشرات خوادم الفيديو الإشارات إلى الشريحة البصرية، فتمت ترجمتها إلى موجات تيراهيرتز، ثم أُعيد تحويلها إلى ضوء وتوجيهها إلى أجهزة العملاء. من خلال تحريك ناقل اللاسلكي عبر ترددات بين نحو 140 و220 غيغاهرتز، أنشأوا 86 قناة متجاورة، كل واحدة بعرض نطاق جيجاهرتز واحد، واستخدموها لبث فيديو 8K في الوقت الفعلي مع تشغيل واضح. أظهر هذا أن الشريحة يمكن أن تدعم وصولاً كثيفاً وعريض النطاق — أبعد بكثير من ممارسات 5G الحالية — دون إلكترونيات معقّدة أو حمل رقمي كبير.

ماذا يعني هذا لاتصالنا اليومي

باختصار، تُظهر هذه الدراسة أن مجموعة واحدة من الأجهزة الضوئية الصغيرة يمكنها ربط الألياف الفائقة السرعة والروابط اللاسلكية التيراهرتزية، والتعامل مع كلاهما بسرعة وكفاءة قياسيتين. من خلال الجمع بين معدّلات وكواشف بعرض نطاق فائق وتنظيف إشارات ذكي قائم على الذكاء الاصطناعي، ينقل النظام معلومات أكثر لكل وحدة من الطيف مقارنة بالنهج السابقة ويتوسع لدعم قنوات متزامنة عديدة. بالنسبة للشبكات المستقبلية، قد يعني هذا بثاً أكثر سلاسة لجماهير المستخدمين، وخدمات سحابية أكثر استجابة، وروابط عالية السعة وموثوقة في أماكن يصعب فيها مد الكابلات. بينما ستتطلب المنتجات العملية مزيداً من التكامل والتنقيح، تشير التجربة إلى أجهزة شبكة مدمجة وموفرة للطاقة تعامل الألياف واللاسلكي ليس كعالمين منفصلين، بل كخيوط مترابطة في نسيج واحد فائق السرعة.

الاستشهاد: Zhang, Y., Shu, H., Guo, Y. et al. Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication. Nature 651, 348–355 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10172-9

الكلمات المفتاحية: الفوتونيكس بعرض نطاق فائق, تقارب الألياف واللاسلكي, اتصالات التيراهيرتز, رقائق بصرية مدمجة, شبكات 6G