ما وراء 350 GHz: نقل ضوئي لاسلكي بسرعة 112 Gbps على قناة واحدة عند 560 GHz باستخدام أمواج ميكروية سوليتيون

لماذا تحتاج هواتف المستقبل إلى موجات مرئية جديدة

هواتفنا وأجهزتنا اللاسلكية تشتهي المزيد من البيانات، لكن الطيف الذي تستخدمه مكتظّ. تستكشف هذه الدراسة نطاقاً جديداً من الطيف، أعلى بكثير من نطاقات الهواتف الحالية، لمعرفة ما إذا كانت رقائق الضوء الصغيرة قادرة على إرسال حركة الإنترنت عبر الهواء بسرعة كافية لتحلّ محل بعض كابلات الألياف. تُظهر العمل أن هذه المحركات الضوئية الصغيرة يمكنها دفع الوصلات اللاسلكية إلى منطقة نادرة الاستخدام من موجات التيراهرتز مع الحفاظ على نقل أكثر من 100 مليار بت في الثانية.

القفز إلى ما وراء الطيف المزدحم الحالي

تعمل شبكات الجيل الخامس الحالية في الغالب عند ترددات أقل من 28 غيغاهرتز، حيث تكون الترددات مشغولة والقنوات الراديوية ضيقة نسبياً. لمواجهة متطلبات أنظمة الجيل السادس المستقبلية، يتجه الباحثون نحو حزمة التيراهرتز، بين نحو 0.3 و1 تريليون دورة في الثانية. هذا النطاق يوفر شرائح طيف واسعة ونظيفة يمكن أن تدعم روابط ربط خلفي فائقة السرعة بين محطات القاعدة. مع ذلك، كلما ارتفع التردد زاد تلاشي الإشارة في الهواء، وتواجه الإلكترونيات التقليدية صعوبة في توليد موجات مستقرة ومنخفضة الضوضاء أعلى بكثير من 300 غيغاهرتز. لذا ظل النطاق أعلى من 350 غيغاهرتز إلى حد كبير غير مستخدم للوصلات عالية السرعة، رغم أنه لم يُخصص بعد لعديد من الخدمات.

استخدام الضوء لصنع موجات راديوية فائقة السرعة

للقفز إلى هذا النطاق الأعلى، لجأت الفريق إلى الفوتونيّات، مستخدمين الضوء بدلاً من الإلكترونيات وحدها لتكوين الإشارة الراديوية. في قلب إعدادهم توجد رقاقة من نيتريد السيليكون تنتج «مشطاً» من ألوان ليزرية متباعدة بانتظام، جميعها مقفلة طورياً مع بعضها. يُنتج هذا المشط بنمط خاص من نبضات الضوء يُسمى سوليتيون يدور حول حلقة صغيرة على الرقاقة. يُجبر ليزرايْن عاديّان على تتبع، أو القفل على، لونيْن متجاورين من المشط. عندما يضيء هذان الليزران المقفلان معاً على ضوئية فائقة السرعة، يتداخل اختلاف لونهما الطفيف وينتج موجة تيراهرتز ثابتة عند 560 غيغاهرتز، يمكن استخدامها كحامل للبيانات.

تغليف مصدر الضوء الصغير للاستخدام العملي

كانت عقبة عملية رئيسية مع مثل هذه رقائق المشط هي إدخال وإخراج الضوء دون مقاعد بصرية ضخمة تفقد توازنها. حلّ الباحثون هذا بربط الألياف البصرية مباشرة بالرقاقة باستخدام ليفة قصيرة ذات فتحة عددية عالية ولصق قابل للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية على داعم زجاجي. هذه الحزمة المدمجة لا تتجاوز بضعة مليمترات لكنها تتحمل طاقة المضخّ ّات حتى واط واحد وتحافظ على كفاءة الاقتران ثابتة لساعات عديدة. في الاختبارات، حافظ التصميم الجديد المربوط بالألياف على تشغيل مشط السوليتيون لأكثر من يوم، بينما فقد ترتيب العدسة في الهواء الحر التقليدية المحاذاة خلال دقائق في ظروف مماثلة. هذه الاستقرار طويل الأمد ضروري إذا كان من المقرر أن تُستخدم مثل هذه الأمشاط داخل راديوهات تيراهرتز عملية.

إرسال والتقاط تيارات بيانات فائقة السرعة

بمجرد إنشاء موجة ثابتة عند 560 غيغاهرتز، يُدفع أحد الليزرَين المقفولين عبر معدِّل متقدّم يُطبع البيانات عبر تعديل كل من شدة وضبط طور الضوء. يستخدم الفريق شكلين شائعين: تبديل الطور الرُباعي (QPSK) وتشكيل الاتساع الطوري رباعي عشر 16-QAM، اللذان يحملان بتين وأربعة بتات لكل رمز على التوالي. يبقى الليزر الثاني المقفل غير مُعدّل. يتم دمج تدفّقيْ الضوء وتحويلهما إلى إشارة تيراهرتز في الضوئية عالية السرعة، ثم تُطلق عبر فجوة هواء بطول عشرة مليمترات. على الجانب الآخر، يترجم مُخلط خاص وإلكترونيات سريعة موجات التيراهرتز الواردة إلى تردد أدنى يمكن تسجيله وتحليله دون حاجة إلى معالجة رقمية إضافية بخلاف ما يحتويه راسم الإشارة.

كمية المعلومات التي تستوعبها الوصلة الجديدة

لتقييم أداء النظام، يفحص المؤلفون أنماط الرموز المستقبلة ويحسبون مدى انحرافها عن مواقعها المثالية، وهو مقياس يعرف باسم مقدار متجه الخطأ. إذا ظل هذا القيمة دون حدود معينة، يمكن لرموز تصحيح الأخطاء العادية تنظيف الأخطاء المتبقية. باستخدام الشكل الأبسط القائم على الطور، يرسلون بيانات بسرعة رموز تصل إلى 42 جيجابود، محققين 84 جيجابت في الثانية. وبالشكل الأكثر تطلباً 16-QAM، يصلون إلى 28 جيجابود، ما يقابل 112 جيجابت في الثانية على قناة لاسلكية واحدة عند 560 غيغاهرتز، وكل ذلك ضمن حدود الخطأ الصارمة. كما يقارنون التشغيل مع المرجع المشطي وبدونه ويجدون أن القفل على المشط يضيّق عرض خط الحامل ويقلل ضوضاء الطور، محسنًا الأداء خصوصاً عند معدلات رموز متوسطة.

ماذا يعني هذا لروابط الاتصالات المستقبلية

للمستخدمين اليوميين، الرسالة الأساسية هي أن رقائق الفوتون يمكن أن تفتح أجزاء جديدة وأكثر هدوءاً من الطيف لروابط لاسلكية فائقة السرعة قد تربط يومًا محطات القاعدة وتستبدل مقاطع قصيرة من الألياف. تُظهِر هذه التجربة أن مصدر مشط مدمج ومغلف بالألياف يمكنه تغذية مرسل تيراهرتز بثبات أبعد بكثير من 350 غيغاهرتز وما يزال يحمل أكثر من 100 جيجابت في الثانية. بينما يعاني النطاق المحدد عند 560 غيغاهرتز من امتصاص قوي في الهواء الرطب وهو الأنسب للوصلات القصيرة جداً، يمكن نقل النهج نفسه إلى ترددات مجاورة تنتقل فيها الإشارات لمسافات أطول. مع مُصدرات تيراهرتز أقوى وهوائيات ذات كسب أعلى، يتوقع المؤلفون أن أنظمة مماثلة قد تدعم في نهاية المطاف روابط بمئات الجيجابيت على مسافات عدة أمتار، مكوّنة لبنة أساسية لبُنية تحتية مستقبلية للجيل السادس.

الاستشهاد: Tokizane, Y., Kishikawa, H., Kikuhara, T. et al. Beyond 350 GHz: Single-channel 112 Gbps photonic wireless transmission at 560 GHz using soliton microcombs. Commun Eng 5, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8

الكلمات المفتاحية: لاسلكي تيراهرتز, أمشاط ميكروية سوليتيون, مرسل فوتوني, ربط خلفي 6G, وصلة عالية السرعة