توليد وتعدد أوضاع مكانية قابلة لإعادة التكوين على رقاقة فوتونية قابلة للتوسع

أنماط الضوء كطرق معلوماتية

الأنماط غير المرئية داخل شعاع الضوء تظهر كطرق جديدة لنقل البيانات وأدوات قوية للاستشعار والحوسبة. بدلاً من استخدام السطوع أو اللون فقط، يمكن للمهندسين ترميز المعلومات في شكل واستقطاب الضوء نفسه. تعرض هذه الورقة رقاقة سيليكون صغيرة قابلة للبرمجة يمكنها تشكيل هذه الأنماط الضوئية المعقدة حسب الطلب، مع إمكانية إعادة تشكيل طريقة تعامل شبكات الاتصالات والمجاهر والأجهزة الكمومية المستقبلية مع المعلومات.

لماذا يهم تشكيل الضوء

شعاعات الضوء ليست متشابهة كلها: يمكن ترتيب طاقتها في أنماط مكانية مختلفة تُعرف بالأوضاع. بعضها يظهر كبقع بسيطة، وبعضها على شكل حلقات بمركز مظلم (“دونات”)، أو أنماط ذات فصوص ساطعة متعددة. يمكن لهذه الأوضاع المكانية أن تعمل مثل ممرات إضافية في ليف بصري، مما يسمح للعديد من قنوات البيانات بالانتقال معاً دون تداخل. كما أنها أدوات أساسية في الاستشعار الدقيق وفي تجارب تحمل فيها فوتونات مفردة معلومات كمومية. المشكلة أن الأدوات الحالية لصنع والتبديل بين هذه الأوضاع غالباً ما تكون ضخمة، حساسة، ومقيدة بأنماط ثابتة.

نقل الضوء المعقد إلى رقاقة

يواجه المؤلفون هذا التحدي بنقل توليد الأوضاع المكانية إلى رقاقة فوتونية سيليكونية مدمجة، تشبه في الفكرة رقاقة إلكترونية لكنها توجه الضوء بدلاً من الإلكترونات. يجمع تصميمهم بين لبِنَيتين رئيسيتين. أولاً، دائرة ضوئية خطية قابلة للبرمجة تقسم الشعاع الداخل إلى مسارات عدة وتضبط بدقة نسب الطاقة والطور بينهما—أي كيف تتوافق موجات الضوء زمنياً. ثانياً، مولد عزم الزخم المداري يحول هذه المسارات المُرتبة بعناية إلى أشعة ضوئية ملتفة وحلقية باستخدام مصفوفة من هوائيات صغيرة. من خلال اعتبار هذه الأشعة الحلزونية كمجموعة أساس مرنة، تستطيع الرقاقة بعدها مزجها وإعادة تجميعها لتشكيل العديد من أنواع الأوضاع الخارجة.

من الحلزونات إلى الخطوط وما بعدها

الفكرة الأساسية هي استخدام أوضاع عزم الزخم المداري (OAM)—أشعة ضوئية تختلف واجهاتها الموجية فتلتف مثل لولب—كعناصر بناء عامة. على الرقاقة تُنتَج أوضاع OAM مختلفة ذات استقطاب دائري يسارياً أو يمينياً ثم تُدمَج بطرق مسيطَر عليها. باختيار المزج والتزامن المناسب بين أربعة أوضاع إدخال من نفس الرتبة، يمكن للجهاز إعادة إنشاء أوضاع مستقطبة خطياً (LP) الأكثر ألفة، التي تظهر كأنماط مخططة أو مفصصة، أو أوضاع متجهة أسطوانية (CV) الأكثر غرابة، حيث يتغير اتجاه الاستقطاب عبر الشعاع. تُظهر المحاكاة أن هذه الاستراتيجية قادرة، من حيث المبدأ، على توليد عائلة كبيرة من الأوضاع، مع تزايد عدد الأنماط المتاحة خطياً كلما دعمت الرقاقة أوضاع OAM أعلى رتبة.

ماذا أظهرت التجارب

باستخدام رقاقة إثبات مفهوم، ولدت المجموعة تجريبياً عشرة أوضاع OAM مميزة وثمانية أوضاع LP. تحققوا من الالتفاف في كل شعاع OAM بمزجه مع شعاع مرجعي بسيط ومراقبة شِفْر الحلزوني، كما أكدوا الأنماط المتعدِّدة الفصوص واتجاهات الاستقطاب المتوقعة لأوضاع LP. ونظراً لأن الأجهزة الحقيقية لا تكون مثالية أبداً، قام المؤلفون بمعايرة مضبوطة لمغيرات الطور والمخفتات على الرقاقة لتقليل «التداخل»، حيث يتسرب وضع إلى آخر. بعد الضبط، تم تقليص أسوأ تسرب غير مرغوب لوضع رئيسي إلى نحو عُشر طاقة الإشارة، وتم قياس «نقاء» الأوضاع المولدة ككل. كما حللوا كيف تقيد عيوب الهوائيات الصغيرة والدلائل الموجية الأداء، وحددوا تعديلات تصميمية مباشرة—مثل حزم هوائيات أكثر قرباً وعناصر تحكم إضافية—يمكن أن تُنقّح الأوضاع أكثر وتمكّن أشعة CV عالية الجودة.

نحو أنظمة مرنة مبنية على الضوء

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن رقاقة واحدة قابلة للبرمجة يمكن أن تعمل كمنحتل عالمي لأنماط الضوء، متبدلة بين عائلات أوضاع مختلفة دون إعادة تصميم الأجهزة. على الرغم من أن الجهاز الحالي يعرض جزءاً مما هو ممكن نظرياً، فإن بنية التصميم قابلة للتوسع جيداً ويمكن أن تدعم أنماطاً أعلى رتبة بامتدادات متواضعة. قد تصبح مولدات ومستقبِلات الأوضاع المكانية القابلة لإعادة التكوين هذه قطعاً أساسية في شبكات بصرية مستقبلية تتكيف ديناميكياً مع حركة المرور المتغيرة، فضلاً عن كونها منصات لمعالجة المعلومات الكمومية، والتصوير المتقدم، وأنظمة تعلم آلي على الرقاقة تحسب مباشرة باستخدام الضوء المهيكل.

الاستشهاد: Xiao, X., Chen, Y., Bhandari, B. et al. Reconfigurable spatial-mode generation and multiplexing on a scalable photonic chip. npj Nanophoton. 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00115-7

الكلمات المفتاحية: الضوء المهيكل, الفوتونيات السيليكونية, الأوضاع المكانية, عزم الزخم المداري, تعدد أوضاع