نقل بيانات DWDM في حزمة O باستخدام ليزر مشط مرتبط طورياً بنقاط كمومية ومضخم بصري شبه موصل

لماذا تهم روابط البيانات الأسرع

تعتمد خدمات السحابة الحديثة والبث، وبشكل خاص الذكاء الاصطناعي، على ربط أعداد هائلة من الحواسيب بروابط بيانات فائقة السرعة. تستخدم هذه الروابط بشكل متزايد الضوء بدلاً من الإشارات الكهربائية، حيث تُرسل ألواناً متعددة من ضوء الليزر عبر ألياف زجاجية رفيعة كالشعر. لكن النهج الحالي — أي استخدام ليزر منفصل لكل لون — يصبح ضخماً ويستهلك طاقة كبيرة ومكلفاً مع تزايد الطلب على البيانات. تستكشف هذه الدراسة طريقة لاستبدال مجموعة كاملة من الليزرات بشريحة وحيدة مدمجة مع مضخم يمكنه تغذية عشرات قنوات البيانات عالية السرعة في آن واحد ضمن نافذة اتصالات أساسية تُسمى حزمة O، ما يبشر باتصالات أبسط وأكثر كفاءة داخل مراكز البيانات.

شريحة صغيرة واحدة، ألوان ضوئية متعددة

الفكرة الأساسية هي «ليزر المشط»، شريحة شبه موصلة تصدر طبيعياً ألواناً متعددة متباعدة بشكل متساوٍ في الطيف، مثل أسنان المشط في نطاق التردد. بدلاً من بناء ومحاذاة ستة عشر ليزرًا أو أكثر بعناية، يمكن للمهندسين استخدام شريحة واحدة تنتج عدة ألوان مستقرة في آن واحد بفضل بنيتها الداخلية. في هذا العمل يستخدم المؤلفون نقاطاً كمومية — جزرًا صغيرة من مادة شبه موصلة بحجم عدة نانومترات — كوسط لتوليد الضوء داخل الشريحة. من خلال تصميم طول تجويف الليزر بعناية وإضافة قسم خاص يلزم التشغيل المتزامن، يخلقون مصدراً به 11 إلى 23 خط طيفي نقي، كل واحد مفصول بمقدار 100 غيغاهرتز، مناسب لأنظمة تقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) الحديثة في حزمة O.

الحفاظ على إشارات نظيفة وقوية

لكي تحمل كل لون تيار بيانات سريعاً، يجب أن يكون سطوعه مستقراً وقوته كافية ليُكشف بعد المرور عبر العناصر البصرية والألياف. أحد التحديات الرئيسية في ليزرات المشط هو الضوضاء: في الأجهزة متعددة الوضع الاعتيادية تتقلب الألوان الفردية بشكل كبير. هنا يشغّل الفريق الليزر في نظام مرتبط طورياً حيث تُقفل كل الألوان مرحلياً مع بعضها البعض، مما يخفض ضوضاء الشدة بشكل كبير على كل خط. يقيسون كل من ضوضاء الشدة النسبية ومعدل الأخطاء في البتات لتيارات البيانات المشفرة على الألوان الفردية ويجدون أن الأخطاء تتبع نمط ضوضاء غاوسي مرتبط ارتباطاً وثيقاً بالقدرة البصرية لكل خط. تظهر الخطوط الأكثر سطوعاً معدلات أخطاء أقل، لتصل إلى مستويات تصل إلى خطأ واحد في كل عشرة مليارات بت للأنماط الأقوى.

تعزيز عشرات القنوات بمضخم واحد

عنق زجاجة آخر هو أن الضوء المار عبر دارة فوتونية متكاملة — حيث تُقسّم الإشارات وتُعدّل بالبيانات ثم تُعاد تجميعها — يمكن أن يفقد عشرات الديسيبل من القدرة. تميل المضخمات البصرية التقليدية القادرة على استعادة هذه القدرة في حزمة O إلى أن تكون كبيرة الحجم أو ضوضائية. يتعامل المؤلفون مع هذا عبر مضخم بصري شبه موصل نقاط كمومية مدمج على شريحة. يوضحون أن أكثر من عشرين خط مشط، أُضعفت بعد الدارة الفوتونية، يمكن إعادة تضخيمها في آن واحد بواسطة مضخم واحد منخفض الضوضاء. في اختبارات مختبرية، يعدلون كل الخطوط بصيغة PAM4 بألف وستة أرقام غيغابود، يمررون الإشارة المجمعة عبر كيلومترات من الألياف لمحاكاة تيارات بيانات مستقلة، ثم يعيدون تعزيزها بمضخم ثانٍ قبل الكشف. اعتماداً على عدد الخطوط وشدتها، يصل معدل البيانات الإجمالي إلى 2.3 تيرابت في الثانية مع البقاء ضمن حدود حيث يمكن لرموز تصحيح الأخطاء الحديثة استعادة المعلومات بالكامل.

التكيف مع عتاد الشبكات المستقبلي

الشِبَكات الفوتونية المنتجة بكميات كبيرة اليوم مُحسّنة للتباعد النسبي الأكبر بين الألوان، ويمكن أن يسبب استخدام خطوط متقاربة جداً تداخل قنوي. للتوافق مع العتاد الحالي والناشئ، يقوم الباحثون أيضاً بتصنيع نماذج أولية لليزرات مشط أقصر تُقصُّ أطوال تجويفها لزيادة التباعد بين الألوان إلى 138 و163 و216 غيغاهرتز. مع زيادة التباعد، يناسب عدد أقل من الخطوط منخفضة الضوضاء ضمن منحنى الكسب، لكن الخطوط المتبقية لا تزال تدعم نقل بيانات عالي السرعة بمعدلات أخطاء مقبولة. تناقش الدراسة كيف أن تحسين كسب الليزر أو انعكاسية المرايا — أو استخدام هندسيات ربط طورية أكثر تقدماً — يمكن أن يزيد التباعد أكثر دون التضحية بالأداء.

ماذا يعني هذا لمراكز البيانات المستقبلية

بعبارات بسيطة، يبيّن المؤلفون أن شريحة ليزر مشط نقاط كمومية صغيرة واحدة، مقترنة بمضخم شبه موصل مدمج مماثل، يمكن أن تحل محل رف كامل من الليزرات الفردية في وصلات الألياف قصيرة المدى. يوفر نظامهم العديد من ألوان الضوء النقية، كل منها قادر على حمل تيارات بسرعة 106 جيجابت في الثانية، ويحافظ على معدلات أخطاء منخفضة بما يكفي لأن تقوم مخططات التصحيح القياسية بتصحيح الأخطاء المتبقية. من خلال تبسيط مرحلة مصدر الضوء والتضخيم، قد تقلل هذه المقاربة استهلاك الطاقة والتكلفة والتعقيد المادي في وصلات مراكز البيانات المستقبلية، مما يساعد على مواكبة النمو الهائل في متطلبات البيانات للذكاء الاصطناعي والحوسبة السحابية مع بقاء العتاد مدمجاً وفعّالاً.

الاستشهاد: Belykh, V.V., Buyalo, M.S., Rautert, J. et al. O-band DWDM data transmission with quantum dot mode-locked comb laser and semiconductor optical amplifier. Sci Rep 16, 12744 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46147-z

الكلمات المفتاحية: الاتصالات الضوئية, أشباه ليزر المشط الترددي, وصلات مراكز البيانات, المضخمات البصرية شبه الموصلة, تقسيم الطول الموجي الكثيف