رقاقة جديدة تماما مخصصة لنقل البيانات بسرعة فائقة بواسطة الضوء

نجح باحثو المعهد السويسري الفيدرالي للتكنولوجيا في زيورخ في تصميم رقاقة فائقة السرعة يمكنها تسريع عملية نقل البيانات عبر الألياف الضوئية. يحتل هذا الانجاز اهمية خاصة مع ازدياد الطلب على البث وتقديم الخدمات المختلفة عبر الانترنت. رقاقة البلازمون الجديدة تربط عدة ابتكارات مع بعضها البعض.

تمكن باحثو المعهد السويسري الفيدرالي للتكنولوجيا في زيورخ من تحقيق اختراق في أبحاث تجري منذ عشرين عاما. في إطار مشاريع البحث الأوربية هورايزون-2020 صمم الباحثون في المختبر رقاقة الكترونية تتيح تحويل الإشارات الالكترونية مباشرة إلى إشارات ضوئية فائقة السرعة، وذلك بطريقة تمنع حصول ضياعات في جودة الإشارة. لهذه الاختراق أهمية خاصة في أداء البنى التحتية لأنظمة الاتصالات التي تعتمد على الضوء لنقل البيانات. ومنها مثلا أنظمة الألياف البصرية.

في مدن كزيورخ توفر أنظمة الألياف البصرية اليوم خدمة إنترنت سريعة بالإضافة للاتصال الرقمي وخدمات البث المباشر عبر الانترنت. حتى نهاية هذا العام يمكن أن تصل تقنيات شبكات الاتصال البصرية هذه، فيما يتعلق بنقل البيانات السريعة، لحدودها القصوى. الأسباب تتعلق بالطلب المتزايد على خدمات تقدم عبر الإنترنت لأغراض البث المباشر, التخزين والحوسبة، بالإضافة لانتشار تطبيقات الذكاء الصنعي والحاجة لشبكات الاتصال من الجيل الخامس. اليوم تصل شبكات الاتصال البصري لسرعة تقدر بالغيغا بتس في الثانية (مليار بتس في الثانية). الحد الأعلى للسرعة يصل ل 100 غيغا بايت للخط الواحد ولكل طول موجة. في المستقبل هناك حاجة لسرعة بث تصل ل تيرا بايت, أي ترليون بايت في الثانية.

جديد: الالكترونيات والضوئيات على نفس الرقاقة

يقول يورغ لويتهولد, بروفيسور في الضوئيات والاتصالات في المعهد السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، حتى نتمكن من تأمين الطلب المتزايد فنحن بحاجة لحلول جديدة. المفتاح لهذا التحول يتمثل في جمع المكونات الإلكترونية والضوئية على نفس الرقاقة. علم الضوئيات يبحث في التقنيات البصرية لبث, تخزين ومعالجة المعلومات.

وبمساعدة شركاء في ألمانيا, الولايات المتحدة، إسرائيل واليونان نجح باحثو المعهد السويسري للتكنولوجيا في إنجاز فكرة تجميع مكونات إلكترونية وضوئية للمرة الأولى على نفس الرقاقة. تقنيا تعتبر هذا الخطوة كبيرة. فحتى اليوم يجب فصل هذه المكونات عن بعضها على رقاقات منفصلة. في النهاية يتم وصلها مع بعضها بأسلاك. ولهذا الفصل تبعات: تصنيع الرقاقات الإلكترونية والضوئية بشكل منفصل مكلف ماديا. ومن جهة أخرى يتناقص الأداء عبر تحويل الإشارات الإلكترونية إلى ضوئية وبهذا تصبح سرعة نقل البيانات في أنظمة الاتصالات محدودة، كما يقول “أولي كوخ”, دكتور في الفيزياء يعمل في فريق لويتهولدز، و المؤلف الرئيس في الدراسة التي نُشرت في مجلة نيتشر للالكترونيات.

الإدماج لتحقيق سرعات عالية

يقول كوخ: “عندما نقول بتحويل الإشارات الالكترونية عبر رقاقة منفصلة إلى إشارات ضوئية فستتأثر عندها نوعية الإشارة سلبا. وبهذا ستكون سرعة نقل البيانات بواسطة الضوء محدودة.”

طريقته لحل هذا المشكلة تتمثل في استخدام محول. يتم تركيبه على الرقاقة و يقوم بتوليد الضوء بشدة معينة وذلك عبر تحويل الإشارة الإلكترونية إلى موجات ضوئية. وحتى يمكن تجنب الضياعات في الشدة وفي النوعية ولكي يتمكن الضوء من نقل البيانات أسرع مما هو عليه اليوم، يجب أن يتم تصميم المحول بشكل مدمج.    

عملية الإدماج هذه يمكن تحقيقها عبر تصنيع المكونات الإلكترونية والضوئية في طبقتين فوق بعضهما البعض بشكل مباشر على نفس الرقاقة. تموضع الإلكترونيات والضوئيات بهذا الشكل يقلل من طرق نقل البيانات ويخفض من الضياعات في الإشارات. يتحدث الباحثون هنا حول “اندماج متجانس الطبقات”.

خلال العشرين عاما الماضية فشلت محاولات إيجاد “الحل المتجانس الطبقات” بسبب كون الرقاقات الضوئية أكبر بكثير من الرقاقات الإلكترونية. وهذا أعاق جمعها معاً على رقاقة واحدة، كما يقول يورغ لويتهولد. حجم مكونات الدارات الضوئية يجعل من غير الممكن أن ينجح المرء في جمعها مع رقاقات CMOS المستخدمة على نطاق واسع.

تكنولوجيا البلازمون كحل سحري لرقاقات أنصاف النواقل

يقول ليوتهولد: “لقد نجحنا بحل مشكلة التفاوت في الحجم بين المكونات الإلكترونية والضوئية عبر استبدال المكونات الضوئية بمكونات من البلازمون.”

البلازمون هو فرع في علوم الضوئيات. هذه التكنولوجيا يتم تداولها منذ عشر سنوات على انها الأساس لتصميم رقائق فائقة السرعة. عبر البلازمون يتم حشر موجات الضوء في مكونات أصغر بكثير من أطوال موجات الضوء.

ولأن رقاقات البلازمون أصغر من الرقاقات الالكترونية، يمكن تصنيع رقاقات متجانسة ومدمجة مؤلفة من طبقة ضوئية وأخرى إلكترونية. و حتى يمكن تحويل الإشارات الكهربائية إلى ضوئية أكثر سرعة، تحتوي الطبقة الضوئية (الأحمر في الصورة) على محوّل شدة بلازموني. يتكون هذا المحوّل من بنى معدنية تقود الضوء في قنوات بحيث يمكن الحصول على سرعات أعلى.  

التجميع يتيح سرعة غير مسبوقة

في الطبقة الإلكتروينة (الأزرق في الصورة) تتم زيادة السرعة بشكل إضافي. عبر عملية رباعية لمضاعفة السرعة يتم جمع أربع إشارات كهربائية و تضخيمها بحيث تنشأ إشارة واحدة فائقة السرعة. ثم يتم تحويلها إلى إشارة ضوئية عالية السرعة، كما يشرح كوخ: “وبهذه الطريقة تمكنا من بث بيانات بسرعة تفوق ال 100 غيغا بايت في الثانية عبر رقاقة مُجمّعة.

وحتى يتم الوصول للسرعة غير المسبوقة, جمع الباحثون تكنولوجيا البلازمون ليس فقط مع تقنيات CMOS  الالكترونية المعروفة، و إنما مع تقنيات BiCMOS الأسرع أيضا. بالإضافة لهذا استخدموا مادة جديدة الكتروضوئية مستقرة حرارية من تصميم جامعة واشنطن.

يقول لويتهولد: “في التجربة نجحنا في إثبات أن هذه التقنيات يمكن أن تقود لرقاقات مدمجة أسرع. نحن مقتنعون أن هذا الحل سيتيح في المستقبل إمكانيات لبث بيانات بشكل أسرع في شبكات الاتصال.

المصدر