قام العلماء ببناء شريحة قابلة للبرمجة يمكنها إبطاء الضوء عند القيادة

تتيح التكنولوجيا الجديدة تخزين الضوء وتأخيره والتحكم فيه داخل شريحة ضوئية واحدة، مع تطبيقات محتملة في الحوسبة الضوئية منخفضة الطاقة لخوادم الذكاء الاصطناعي وأنظمة الاتصالات البصرية من الجيل التالي.

يتحرك الضوء بسرعة كافية لنقل كميات هائلة من المعلومات، ولكن هذه السرعة تخلق مشكلة عندما يحتاج الكمبيوتر إلى الاحتفاظ بإشارة بصرية أو تأخيرها أو مزامنتها. الباحثون من جامعة سيول الوطنية وقد صممت جامعة سيول الآن دائرة فوتونية متكاملة قابلة للبرمجة يمكنها إبطاء الضوء عند الحاجة.

قاد المشروع البروفيسوران نامكيو بارك وسونكيو يو من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة سيول الوطنية، ويعملان مع البروفيسور شيانجي بياو من كلية الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة سيول.

النمو السريع للذكاء الاصطناعي التوليدي وعلى نطاق واسع الذكاء الاصطناعي أدت النماذج إلى زيادة حادة في متطلبات الحوسبة. الإلكترونية التقليدية أشباه الموصلات يواجهون قيودًا مستمرة، بما في ذلك الاستخدام المكثف للطاقة وسرعات نقل البيانات المحدودة، مما يزيد الاهتمام بأنظمة الحوسبة الضوئية التي تعالج المعلومات بسرعة باستخدام طاقة أقل. ومع ذلك، نظرًا لأن الضوء ينتقل بشكل طبيعي بسرعة ثابتة، فإن إنشاء المخازن المؤقتة ووظائف الذاكرة اللازمة للحوسبة الضوئية ظل أمرًا صعبًا.

وقد عالج الباحثون هذا القصور من خلال دائرة فوتونية قابلة للبرمجة تتحكم في سرعة وشكل الإشارات الضوئية. لقد وفر نهجهم تحكمًا أكبر في “الضوء البطيء” مقارنة بالطرق المقترحة سابقًا.

ونشرت النتائج في العلوم المتقدمة.

التأخير البصري الثابت يحد من الحوسبة

تقوم الدوائر المتكاملة الضوئية بمعالجة المعلومات بالضوء ويتم تطويرها من أجل حوسبة أسرع وأكثر كفاءة. تحتاج مراكز البيانات وشبكات الاتصالات الضوئية وأنظمة الحوسبة إلى أكثر من مجرد النقل السريع. ويجب عليهم أيضًا التنسيق عند وصول الإشارات والاحتفاظ بها لفترة وجيزة عند الضرورة.

اكتشف الباحثون هياكل تعتمد على الشفافية الناتجة عن الرنان المزدوج (CRIT)، والتي تستخدم التداخل بين العديد من الرنانات الضوئية لأداء هذه الوظائف. يسمح CRIT بشكل انتقائي بمرور الضوء ضمن نطاق تردد معين مع تقليل السرعة التي تنتقل بها الإشارة الضوئية.

• الشفافية الناتجة عن الرنان المزدوج (CRIT): ظاهرة بصرية تنقل الضوء وتؤخره بشكل انتقائي ضمن نطاق تردد محدد من خلال التداخل بين مرنانات متعددة.
• الرنان البصري: جهاز فوتوني يحصر أو يوزع الضوء بتردد معين لفترة معينة؛ تستخدم في تأخير الإشارة، والتصفية، والتشكيل.

تكمن المشكلة في أن أجهزة CRIT التقليدية تكون عمومًا مقيدة بخصائص التشغيل الخاصة بها بعد التصنيع. غالبًا ما يتطلب تغيير نطاق التردد أو إنتاج تأخير أطول جهازًا جديدًا تمامًا.

يؤدي عدم المرونة إلى جعل أجهزة الاتصالات البصرية وأنظمة مراكز البيانات أكثر تعقيدًا، مع زيادة التكلفة ووقت التطوير اللازم لإضافة إمكانات جديدة. بالنسبة لخوادم الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات من الجيل التالي التي تعالج كميات هائلة من المعلومات في الوقت الفعلي، أصبحت الأجهزة البصرية الثابتة عائقًا كبيرًا.

قارنتان تجعلان الضوء قابلاً للبرمجة

لقد تناول الباحثون المشكلة من خلال التعامل مع حالتين بصريتين في أنظمة CRIT، الوضع الساطع والوضع المظلم، كدرجة واحدة موحدة من الحرية. ثم أضافوا قارنتين حلقيتين قابلتين للتعديل، مما أنتج تصميمًا يمكن من خلاله إعادة تشكيل هياكل الرنان بعد التصنيع بدلاً من بقائها ثابتة بشكل دائم.

ومع بنية CRIT الجديدة، أظهر الباحثون أنه يمكن تأخير الضوء والتحكم فيه عند الحاجة. أدى علاج التداخل بين الوضعين الساطع والمظلم كمعلمة تصميم واحدة إلى زيادة مرونة دوائر الرنان الضوئية بشكل كبير.

أظهر التحليل النظري أن قارنات التوصيل الحلقية يمكنها التحكم في عرض وشكل نطاق التمرير، إلى جانب خصائص التأخير والإرسال للإشارات المتحركة عبر الدائرة. وهذا يعني أن سرعة الضوء وسلوك نقله يمكن إعادة تشكيلهما عبر نظام كامل من الرنانات المرتبطة، وليس فقط داخل جهاز واحد.

أشارت عمليات المحاكاة العددية أيضًا إلى إمكانية تغيير سرعة النبضات الضوئية ديناميكيًا أثناء تشغيل الدائرة. ووجد الباحثون أنه يمكن تعديل تأخير الإشارة دون التضحية بأداء المعالجة، في حين يمكن تحويل الضوء بين الترددات دون مكونات متخصصة إضافية.

تختبر عمليات المحاكاة موثوقية العالم الحقيقي

أشارت عمليات المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد إلى أنه يمكن بناء جهاز CRIT المقترح على منصة دائرة فوتونية متكاملة من نيتريد السيليكون (Si₃N₄). قام الباحثون أيضًا بفحص المشكلات العملية التي يمكن أن تنشأ أثناء التصنيع والتشغيل، بما في ذلك فقدان المواد، والاختلافات في جودة الرنان، والتشتت الخلفي، والاقتران غير المستقر، وأخطاء الطور في قارنات الحلقة، والتداخل الحراري.

تشير النتائج إلى أن التصميم يمكن أن يستمر في العمل بشكل موثوق في ظل ظروف الدائرة الضوئية الواقعية.

تتيح المنصة المقترحة إمكانية التعديل في الوقت الفعلي لكل من التوقيت والخصائص الطيفية للإشارات الضوئية، ومعالجة القيود المفروضة على أجهزة التأخير الضوئية الثابتة. من الممكن أن تجمع بنية الدائرة الواحدة بين تزامن الإشارة، وخطوط التأخير المتغيرة، والمخازن المؤقتة الضوئية، وتحويل التردد، وكلها أمور مهمة للاتصالات الضوئية من الجيل التالي.

يمكن أيضًا تطبيق نفس استراتيجية التصميم خارج نطاق CRIT على العديد من الدوائر الضوئية الأخرى المعتمدة على الرنان. تشير هذه القدرة على التكيف الأوسع إلى أن الطريقة يمكن أن تدعم أنظمة معالجة الإشارات الضوئية المستقبلية التي يتم فيها تصميم حركة الضوء والتحكم فيها بشكل أكثر مرونة.

يمكن لشريحة واحدة أن تحل محل العديد من المكونات

إذا وصلت التكنولوجيا إلى الاستخدام التجاري، فيمكن لشريحة ضوئية واحدة قابلة للبرمجة أداء العديد من المهام، بما في ذلك تغيير سرعة الإشارة والتبديل بين الوظائف، بطريقة مشابهة للأنظمة المعرفة بالبرمجيات. يمكن لهذه المرونة أن تقلل من استهلاك الطاقة في مراكز البيانات وخوادم الذكاء الاصطناعي مع زيادة كفاءة معالجة البيانات.

إن الجمع بين العديد من وظائف معالجة الإشارات على شريحة واحدة يمكن أن يجعل معدات الاتصالات وأجهزة الاستشعار البصرية أصغر حجمًا وأقل تكلفة. وبمرور الوقت، يمكن أن تدعم التكنولوجيا المجالات التي تتطلب معالجة سريعة للغاية للمعلومات، بما في ذلك القيادة الذاتية، واتصالات الجيل التالي، والتقنيات الكمومية.

صرح البروفيسور نامكيو بارك، المؤلف المشارك للدراسة من جامعة سيول الوطنية، “هذا البحث مهم لأنه يقترح مبدأ تصميم جديد يسمح بإعادة تشكيل تدفق الضوء داخل الدوائر المتكاملة الضوئية حسب الحاجة، مما يعزز مرونة التصميم بشكل كبير. نحن نخطط لتوسيع هذه التكنولوجيا نحو دوائر متكاملة فوتونية قابلة للبرمجة واسعة النطاق تعتمد على ضوئيات السيليكون وتقنيات الذكاء الاصطناعي الضوئية.”

المؤلفون المشاركون الأوائل الدكتور سيونغكيون بارك والدكتوراه. وأضاف الطالب بومجون تشاي، الذي قاد الإطار النظري والتحليل العددي: “من خلال هذه الدراسة، أدركنا أن إعادة تفسير فيزياء الرنان الضوئية التقليدية من منظور مختلف يمكن أن تكون بمثابة نقطة انطلاق لاكتشاف وظائف جديدة في الدوائر المتكاملة الضوئية. ونحن نخطط لمواصلة تطوير هذا البحث نحو التنفيذ العملي للأجهزة والتحقق التجريبي.”

المرجع: “الضوء البطيء القابل للبرمجة بالكامل استنادًا إلى التمثيل المغزلي للشفافية المعممة الناتجة عن الرنان المزدوج” بقلم سيونغكيون بارك، وبيومجون تشاي، وهيونغتشول بارك، وسونكيو يو، وشيانجي بياو، ونامكيو بارك، 28 يونيو 2026، العلوم المتقدمة.
دوى: 10.1002/advs.76378

تم دعم هذا البحث من قبل وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات من خلال برنامج مركز البحوث المبتكرة (IRC)، وبرنامج مختبر البحوث الأساسية (BRL)، وبرنامج الباحثين الشباب. كما شارك الدكتور سيونجكيون بارك في الدراسة بدعم من برنامج InnoCORE (مركز PICORE).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.