ويوضح الباحث الرئيسي أن أحد أكبر التحديات التكنولوجية الحالية هو تحويل المعلومات بين المكونات الضوئية والمكونات الإلكترونية بسرعة وكفاءة
لأول مرة على الإطلاق، نجحت مجموعة من الكيميائيين والفيزيائيين والمهندسين في تطوير مواد بلورية تسمح للألياف الضوئية بالتكامل والعمل في مكونات إلكترونية سريعة. وتشمل التطبيقات المحتملة لهذه الألياف الضوئية الاتصالات السلكية واللاسلكية وغيرها من التقنيات البصرية/الإلكترونية المحسنة، وتكنولوجيا الليزر المحسنة، وأجهزة أكثر دقة للاستشعار عن بعد. ونشر الفريق الدولي بقيادة أستاذ الكيمياء جون بادينغ من جامعة ولاية بنسلفانيا النتائج التي توصل إليها في المجلة العلمية Nature Photonics.
ويوضح الباحث الرئيسي أن أحد أكبر التحديات التكنولوجية الحالية هو تحويل المعلومات بين المكونات الضوئية والمكونات الإلكترونية بسرعة وكفاءة. وتؤدي التكنولوجيا الحالية إلى أساليب مرهقة إلى حد ما للجمع بين الألياف الضوئية والرقائق الإلكترونية - الدوائر المتكاملة القائمة على السيليكون والتي تعمل بمثابة اللبنات الأساسية لمعظم الأجهزة الإلكترونية شبه الموصلة مثل الخلايا الشمسية، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء، وأجهزة الكمبيوتر، والهواتف المحمولة.
يوضح الباحث الرئيسي: "عادةً ما تكون الألياف الضوئية وسيلة متسامحة تنقل الضوء ببساطة، في حين أن الشريحة هي المكون الذي يؤدي الدور الإلكتروني في النظام". "على سبيل المثال، ينتقل الضوء من لندن إلى نيويورك عبر كابلات الألياف الضوئية عندما يستخدم شخصان مكالمة فيديو باستخدام أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهما. لكن شاشات الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية المرتبطة بها عليها أن تحول الضوء المستقبل إلى صورة، وهي آلية إلكترونية. يعمل الضوء والكهرباء بالتنسيق في عملية تسمى تحويل OEO، أو التحويل البصري-الكهربائي-البصري." ويوضح الباحث أنه من الناحية المثالية، بدلاً من دمج الألياف الضوئية داخل الشريحة، وهي ممارسة شائعة في التقنيات الحالية، ستشمل "الألياف المتطورة" الوظائف الإلكترونية المدمجة بالفعل فيها.
يعد الجمع بين الألياف الضوئية والرقائق أمرًا معقدًا بسبب العديد من النكهات. أولاً، تكون الألياف مستديرة واسطوانية، في حين أن الرقائق مسطحة، لذا فإن تصميم الاتصال بينها يمثل تحديًا كبيرًا. التحدي الآخر هو ترتيب هذه المكونات الصغيرة. "الألياف الضوئية أصغر بعشر مرات من سمك شعرة الإنسان. بالإضافة إلى ذلك، هناك مسارات لتوجيه الضوء مدمجة في الرقائق أصغر بمئة مرة من الألياف". "لذا، تخيل أنك تحاول ترتيب هذين المكونين معًا. تمثل هذه العملية تحديًا كبيرًا للتقنيات الحالية."
ومن أجل التعامل مع هذه التحديات، استخدم الباحثون نهجًا مختلفًا - فبدلاً من دمج شريحة مسطحة مع ألياف ضوئية مستديرة، وجد الباحثون طريقة لبناء نوع جديد من الألياف الضوئية يتضمن مكونًا إلكترونيًا متكاملاً، وفي هذا لقد تجاوزوا الحاجة إلى دمج الألياف في مكون بصري داخل الشريحة. وللقيام بذلك، استخدموا أساليب كيميائية عالية الضغط لترسيب مواد أشباه الموصلات مباشرة، طبقة بعد طبقة، في ثقوب صغيرة موجودة في الألياف الضوئية. "إن الإنجاز الكبير في بحثنا هو أننا لم نطلب شريحة كاملة كجزء من المنتج النهائي. "لقد تمكنا من بناء الوصلة - الحدود النشطة حيث يحدث النشاط الإلكتروني - مباشرة في الألياف"، يوضح أحد الباحثين. "علاوة على ذلك، في حين أن تصنيع الرقائق التقليدية يتطلب استخدام مرافق الغرف النظيفة بتكلفة ملايين الدولارات، إلا أنه يمكن تنفيذ عمليتنا باستخدام معدات بسيطة بتكلفة أقل بكثير."
ويضيف الباحث أن أحد الأهداف الرئيسية للبحث في هذا المجال هو إنشاء نظام مسطح يتكون بالكامل من الألياف. ويشير الباحث إلى أنه "إذا لم تترك الإشارة الكهربائية الألياف أبدًا، فإن الطريقة تكون أسرع وأرخص وأكثر كفاءة". "إن نقل التكنولوجيا من الرقاقة مباشرة إلى الألياف، وهي البيئة الأكثر طبيعية للضوء، يؤدي إلى تعزيز إمكانات المواد شبه الموصلة المدمجة القادرة على تطوير النشاط الإلكتروني البصري إلى المستوى التالي. في الوقت الحالي، لا يزال يتعين علينا بناء محولات إلكترونية على طرفي الألياف الضوئية. إذا تمكنا عمليا من إنشاء إشارات داخل الألياف، فيمكننا الوصول إلى مجموعة كاملة من التطبيقات الإلكترونية البصرية."
يحتوي البحث أيضًا على العديد من التطبيقات الممكنة خارج مجال الاتصالات؛ على سبيل المثال، يقدم بحثنا نهجًا مختلفًا تمامًا لإنتاج وصلات أشباه الموصلات التي سيتم استخدامها في الأبحاث لتطوير تطبيقات الخلايا الشمسية،" يوضح الباحث الرئيسي.
أخبار الدراسة
