قام علماء أمريكيون بتقليص مختبر تيراهيرتز إلى شريحة، مما أدى إلى تقريب التكنولوجيا اللاسلكية الأسرع
بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء تقع منطقة من الطيف الكهرومغناطيسي أمضى الباحثون عقودًا في محاولة تسخيرها. يمكن لهذا النطاق، المعروف باسم نطاق تيراهيرتز، أن يتيح نقلًا أسرع للبيانات وتقنيات تصوير جديدة، لكن بناء أنظمة عملية أثبت أنه أمر بالغ الصعوبة. على الرغم من عقود من البحث، ظلت أنظمة تيراهيرتز محصورة إلى حد كبير في المختبرات لأن المعدات اللازمة لتوليد هذه الإشارات ومعالجتها واكتشافها غالبًا ما تكون ضخمة ومكلفة ويصعب قياسها. الآن، أظهر الباحثون في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA) طريقًا عمليًا للتغلب على هذه العقبة من خلال دمج العديد من هذه الوظائف في شريحة واحدة من أشباه الموصلات. وقالت منى الجراحي، إحدى مؤلفي الدراسة وأستاذة الهندسة في جامعة كاليفورنيا: “من خلال إثبات أن العديد من هذه الوظائف يمكن دمجها في شريحة واحدة باستخدام منصات تصنيع متوافقة مع معايير الصناعة، فإن دراستنا تفتح الباب أمام تقنيات تيراهيرتز عملية وقابلة للتطوير لتطبيقات العالم الحقيقي”. إعادة النظر في افتراض طويل الأمد اعتمدت العديد من المحاولات السابقة لبناء أنظمة تيراهيرتز متكاملة على مواد متخصصة أو طرق تصنيع كان من الصعب دمجها مع تصنيع الرقائق الضوئية القياسية. اختار الفريق الذي تقوده جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس استراتيجية مختلفة. بدلًا من تصميم مواد جديدة تمامًا، ركز الباحثون على الآبار الكمومية، وهي طبقات رقيقة للغاية من أشباه الموصلات تستخدم بالفعل على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة الضوئية. لسنوات عديدة، اعتقد العديد من الباحثين أن الآبار الكمومية ستواجه صعوبات في دعم عملية تيراهيرتز الفعالة، لأن الإلكترونات يمكن أن تصبح محاصرة داخل الهياكل لفترة طويلة جدًا. وجد فريق جامعة كاليفورنيا خلاف ذلك. وأظهرت قياساتهم أن الإلكترونات تهرب من آبار الكم في أقل من تريليون من الثانية، بسرعة كافية لدعم عملية تردد تيراهيرتز. وقد ساعد هذا الاكتشاف في إنشاء الآبار الكمومية كأساس قابل للتطبيق لأجهزة تيراهيرتز المتكاملة. استخدم الباحثون ثنائيات ضوئية PIN في البئر الكمومي مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (GaAs/AlGaAs). لقد أثبتوا أن هذه الهياكل يمكنها توليد إشارات تيراهيرتز واكتشافها من خلال عملية تُعرف باسم خلط الصور بين النطاقات المحسّن. استخدام الضوء لإنشاء موجات تيراهيرتز واكتشافها. المبدأ الكامن وراء النظام واضح ومباشر نسبيًا. يتم توجيه شعاعي ليزر بترددات مختلفة قليلاً إلى جهاز البئر الكمومي. عندما تتداخل موجات الضوء فإنها تحدث ذبذبة كهربائية تساوي الفرق بين ترددي الليزر. إذا كان هذا التردد يقع ضمن نطاق تيراهيرتز، فإن الجهاز ينتج إشارة تيراهيرتز. يمكن للبنية نفسها أيضًا أن تعمل في الاتجاه المعاكس، حيث تكتشف موجات تيراهيرتز الواردة بحساسية عالية. لاحظ مؤلفو الدراسة: “في نموذج أولي تم تصنيعه على ركيزة GaAs/AlGaAs QW PIC، قمنا بإظهار توليد واكتشاف تيراهيرتز قابل للضبط عبر نطاق 100-500 جيجاهرتز، مما يحقق كفاءة توليد تيراهيرتز أعلى وحساسية محسنة للكشف عن تيراهيرتز”. وقام الباحثون بتعزيز الأداء من خلال دمج مضخم بصري لأشباه الموصلات على نفس الشريحة. أدى هذا إلى تعزيز كفاءة توليد تيراهيرتز تقريبًا من حيث الحجم مع تقليل الطاقة الضوئية المطلوبة للتشغيل. يشكل هذا العمل الأساس لما يسميه الفريق منصة تيراهيرتز للإلكترونيات الضوئية المتكاملة (MITO)، والتي تم تصميمها لدعم المصادر والكاشفات ومكبرات الصوت والمعدلات والمكونات الضوئية الأخرى على ركيزة أشباه الموصلات المشتركة باستخدام طرق تصنيع متوافقة بالفعل مع المسابك الضوئية التجارية. والأهم من ذلك، أن النموذج الأولي لا يزال يعتمد على أشعة الليزر الخارجية، ولكن تم تصميم المنصة مع أخذ التكامل المستقبلي في الاعتبار. ويتصور الباحثون في نهاية المطاف دمج أشعة الليزر القابلة للضبط والمكونات الضوئية الإضافية مباشرة على الشريحة، مما يؤدي إلى إنشاء أنظمة تيراهيرتز أكثر اكتمالا في شكل مضغوط. خطوة نحو تكنولوجيا تيراهيرتز العملية إذا أثبتت المنصة أنها قابلة للتطوير، فقد يكون لها تأثير مماثل لتأثير الدوائر المتكاملة على الإلكترونيات التقليدية، حيث ستستبدل مجموعات المختبرات الكبيرة برقائق مدمجة قابلة للتصنيع. ومن الممكن أن تدعم مثل هذه الأنظمة تقنيات الاتصالات اللاسلكية المستقبلية التي تعمل خارج شبكات اليوم، في حين تعمل أيضًا على تمكين أجهزة التصوير المحمولة، وأنظمة الاستشعار الكيميائي، وأدوات التفتيش الصناعي، ومنصات الاستشعار عن بعد المتقدمة. ويختلف هذا العمل عن العديد من جهود تكامل تيراهيرتز السابقة لأنه يجمع بين توليد الإشارات بكفاءة والكشف الحساس على منصة تظل متوافقة مع عمليات التصنيع الضوئية المعمول بها. وهذا التوافق يمكن أن يجعل الإنتاج على نطاق واسع أكثر واقعية من الأساليب التي تتطلب تقنيات تصنيع متخصصة. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا لا تزال في مرحلة النموذج الأولي، ولا يزال هناك عمل هندسي كبير قبل أن تصبح أنظمة الاتصالات أو التصوير المدمجة بالكامل من تيراهيرتز متاحة تجاريًا. تتضمن الخطوات التالية دمج مكونات إضافية على الرقاقة، وتحسين الأداء، وتوسيع النظام الأساسي ليشمل مصفوفات أكبر من مصادر وكاشفات تيراهيرتز. ونشرت الدراسة في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز.
تم النشر: 2026-07-19 14:15:00
