الهوائيات الضوئية : تقنية واعدة وآمال كبيرة

nano1

تعتبر أشعة الليزر Lasers أشعة سريعة وذات معدل إرسال يصل إلى 50 غيغا هيرتز لذلك تستخدم على نطاق واسع لنقل البيانات. استطاع باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي University of California at Berkeley ومن مختبرات بيل وألكاتيل لوسنت في هومدل – نيوجرسي Bell Labs، Alcatel Lucent at Homdel in New Jersey الوصول (وحتى تجاوز) سرعة نقل البينات التي يقدمها ليزر أنصاف النواقل Semiconductor lasers وذلك عن طريق تزويد الثنائيات الباعثة للضوء LEDs بهوائيات صغيرة Tiny antennae، وهذا سيكون مفيداً في المسافات القصيرة.

*
وبحسب رئيس الفريق البحثي في بيركلي فإنه إذا كان تم تصميم وصلات ضوئية Optical interconnects على مستوى مقاس الرقاقات الإلكترونية Chip-Scale، فإننا سنحتاج إلى شيئين:

*
· مصدر ضوء صغير مادياً مقارنة بالترانزستورات Transistors
· استخدام مصدر الضوء الطاقة بطريقة فعالة Energy efficient.

*
تم نشر هذا البحث في العدد العاشر لشهر شباط في المجلة العلمية الصادرة عن الجمعية الوطنية للعلوم في أميركا The Proceedings of the National Academy of Sciences .

*
تقوم الثنائيات الباعثة للضوء LEDs بإنتاج الأشعة من خلال عملية الانبعاثات العفوية Spontaneous emission (كالضوء العادي الذي نراه من حولنا عادة)، وذلك عكس الليزر الذي ينتج أشعة مركزة ومكثفة من الفوتونات المترابطة من خلال عملية تسمى الانبعاث المحثوث Stimulated emission والتي طبقت في عام 1960.

*

تعمل أشعة الليزر Lasers الحالية عند سرعة تصل إلى 50 غيغا هيرتز، في حين تكون السرعة في الثنائي الباعث للضوء 250 ميغا هيرتز من دون أي تعديل عليه. لذلك إذا استطعنا زيادة سرعة نقل البيانات لهذا الصمام الثنائي الباعث للضوء بمعدل 200 ضعف، فإننا سنصل إلى سرعة قابلة للمقارنة مع السرعة الناتجة عن استخدام أشعة الليزر.

*
لكن وبناءاً على حسابات أجراها الفريق، فإن استخدام الثنائيات الباعثة للضوء LEDs المزودة بهوائيات صغيرة ستكون أسرع بكثير من استخدام أشعة الليزر Lasers. وبحسب مدير الفريق فقد تم تطوير نموذج لهوائي قادر عملياً على تسريع الانبعاث العفوي بمقدار 2000 مرة، وهذا يعني أننا يجب أن نكون قادرين على صنع ثنائيات باعثة للضوء LEDs قادرة على التشغيل والإطفاء On/Off أسرع 10 مرات من ليزر أنصاف النواقل Semiconductor lasers.

*
تشبه آلية عمل الهوائي الضوئي Optical antenna آلية عمل الهوائي الراديوي التقليدي، فكما هو الحال عند نقل إشارة راديوية من جهاز مرسل Transmitter نستخدم هوائي من رتبة نصف طول موجة Wavelength الإشارة المرسلة، كذلك الأمر بالنسبة للضوء. ولكن باعتبار أن حجم باعث الضوء صغير جداً بحجم الجزيء Molecule أو Nano-ridge فهو بذلك أصغر بكثير من طول موجة الضوء، لذلك قام الباحثون بتصنيع هوائي خارجي لهذا الجزيء Molecule من رتبة نصف طول موجة الضوء حيث تركزت أبحاثهم على 1450 نانو متر.

*
لبرهان السرعة العالية لانبعاث الضوء قام الباحثون باستخدام باعث للضوء Nano-ridge من نوع (Indium Gallium Arsenide Phosphide) InGaAsP إنديوم – غاليوم – زرنيخيد الفوسفيد، (وهو مركب رباعي يدخل في صناعة أنصاف النواقل) و وضعوه في فجوة أبعادها من رتبة 40 نانو متر بين ذراعي هوائي دقيق ثنائيي القطب Dipole antenna مصنوع من الذهب. وكرروا التجربة مع أطوال مختلفة من الهوائيات، وعند استخدامهم لهوائي طوله من رتبة 400 نانو متر استطاعوا تسريع الانبعاث الضوئي 115 مرة أكثر من الانبعاثات العفوية Spontaneous emission الطبيعية. (إن النتيجة العملية التي تم قياسها كانت تسريع بمقدار 35 ضعف ولكن بسبب الضياعات التي حصلت قبل انتشار الضوء إلى منطقة الهوائي وبعد تعويض الضياع خلصو إلى الرقم 115 ضعف).

*
ستركز معظم الخطوات البحثية القادمة على جعل الأجهزة المستخدمة قابلة للاستخدام العملي. بداية لأن الثنائيات الباعثة للضوء LEDs المستخدمة في التجارب كانت مثارة ضوئياً فقط Excited optically.، ويؤكد مدير الفريق أنه يجب علينا لاستخدام الثنائيات الباعثة للضوء LEDs للربط والاتصال لمسافات قصيرة أن نقوم بتعديل الضوء بالتيارات الكهربائية، ونحن نقوم الاّن بإدخال دارات تحييز كهربائي Electrical biasing circuits في الجهاز.

*
كما ستتم الاستفادة أيضاً من تصنيع واستخدام الهوائيات الراديوية المتطورة أكثر كهوائيات ياغي – أودا Yagi-Uda antennae، حيث يمكن الاقتباس من كل ماسبق تطويره في مجال الموجات الراديوية ووالترددات، وقد تم في الواقع استخدام هوائي ياغي – أودا Yagi-Uda antenna لتوجيه ضوء الثنائي الباعث للضوء LED إلى موجه الموجة Waveguide.