مشابك التردد على مستوى الرقاقة تدفع مستقبل البيانات

قام باحثون من كلية الهندسة بجامعة كولومبيا بإنشاء رقاقة جديدة يمكنها تحويل الليزر إلى “مشبك تردد”، مولدةً عدة قنوات ضوئية قوية في آن واحد.

من خلال الاستفادة من آلية قفل خاصة، قام الباحثون بتنقية ضوء الليزر الفوضوي وحققوا دقة من مستوى المختبر على جهاز سيليكون صغير. يمكن لهذا الإنجاز تحسين كفاءة مراكز البيانات بشكل كبير ودفع الابتكارات في تقنية LiDAR والاستشعار والتقنيات الكمومية.

المشابك الدقيقة تصغر الدقة المختبرية إلى رقاقة 

أنشأ الباحثون جهاز المشبك الدقيق عالي القدرة لتحسين تقنية LiDAR (الكشف والقياس بالضوء).

LiDAR هي تقنية استشعار عن بُعد تستخدم ضوء الليزر النبضي لحساب المسافات وإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للبيئة. تعمل مثل الرادار، لكنها تستخدم الضوء بدلاً من الصوت.

يقوم النظام بإصدار نبضات ليزر ويقيس زمن عودتها لقياس المسافات الدقيقة إلى الأجسام وتتبع الحركة في الوقت الحقيقي.

يتكون جهاز LiDAR من ليزر، ومُسْحِب، وجهاز استقبال GPS متخصص، ويولد سحابة نقطية مفصلة من البيانات، تُستخدم لاحقًا لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد لتطبيقات مثل القيادة الذاتية، ومراقبة البيئة، والمسح، وعلم الآثار.

تم اختراع هذه التقنية في الستينيات، واُستخدمت في البداية في علم الأرصاد الجوية، واستشعار المحيطات، ورسم الخرائط الطوبوغرافية، قبل أن تُمدّ استخدامها إلى الفضاء بواسطة وكالة ناسا. في العقد الأول من القرن الواحد والعشرين، بدأت السيارات التجارية في الاعتماد على LiDAR، ومنذ ذلك الحين أصبح LiDAR للسيارات شائعًا جدًا في السيارات الكهربائية الفاخرة.

نظرًا لتزايد تطبيقات LiDAR، يعمل الباحثون باستمرار على تحسين التقنية. تُدمج العديد من الابتكارات المثيرة في تقنيات الليزر مع البصريات المتقدمة، مما يتيح تصغيرًا إضافيًا ويعد بمستقبل طويل الأمد لأنظمة LiDAR.

كان تركيز الباحثين من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا على إيجاد طريقة لاستخراج طاقة أعلى ونقاء طيفي من أنظمة الليزر المدمجة لتمكين توليد مشابك تردد على مستوى الرقاقة من أجل تعزيز الاتصالات، والاستشعار، والتحليل الطيفي، وLiDAR، وتطبيقات الفوتونيات المتكاملة الأخرى.

لذلك، أنشأوا مشبكًا دقيقًا، وهو جهاز فوتوني مصغر ينتج سلسلة من الترددات الضوئية المتساوية المسافة، مثل أسنان المشط، على رقاقة.

تتمتع هذه المشابك الدقيقة المتكاملة بإمكانات لتقليل حجم الأنظمة المعقدة التي كانت مطلوبة تقليديًا لهذه التطبيقات. وبالتالي، تُعد المشابك الدقيقة المتكاملة واعدة للعديد من التطبيقات التي تتطلب طاقة إخراج عالية، وبصمة صغيرة، وكفاءة عالية، مثل التحليل الطيفي، والاستشعار، والاتصالات البياناتية.

مؤخرًا، أظهر الباحثون مشابكًا دقيقة مضخومة كهربائيًا من خلال دمج شرائح الكسب (العناصر البصرية شبه الموصلة) مع رنانات من الدرجة الأولى. لكن إجمالي طاقة الضوء لا يزال أقل بكثير مما تحتاجه الحلول العملية.

تم معالجة هذا القيد من قبل باحثي كولومبيا الذين أظهروا مشابكًا دقيقة عالية القدرة مضخومة كهربائيًا بتقنية Kerr. 

من الثنائيات ‘الفوضوية’ إلى المشابك الدقيقة النظيفة

من المثير للاهتمام، أن هذا كان اكتشافًا عَرضيًا. قبل بضع سنوات، كان الباحثون في مختبر المؤلف المشارك ميشال ليبسون، أستاذ إيوجين هيغينز في الهندسة الكهربائية وأستاذ الفيزياء التطبيقية، يعملون على مشروع لتعزيز قدرات LiDAR عندما لاحظوا شيئًا مذهلًا.

كانوا يصممون شرائح عالية القدرة يمكنها توليد أشعة ضوئية أكثر سطوعًا، وقال أندريس جيل-مولينا، الباحث السابق في مختبر ليبسون والمهندس الرئيسي الآن في Xscape Photonics: “كلما أرسلنا طاقة أكبر عبر الشريحة، لاحظنا أنها تُنشئ ما نسميه مشبك تردد”.

مشبك التردد هو طيف مكوّن من خطوط طيفية منفصلة ومتباعدة بانتظام. ما يعنيه ذلك هو أن هذا النوع الخاص من الضوء يحتوي على ألوان مختلفة مرتبة بجانب بعضها البعض بطريقة منظمة، كما ترى في قوس قزح.

هنا، يضيء العشرات من ترددات الضوء. لكن الفجوات بين هذه الألوان أو الترددات تبقى مظلمة. لذا، عند النظر إلى هذه الترددات الساطعة على مخطط طيفي، تبدو كأنها نتوءات أو أسنان على مشط، ومن هنا جاء الاسم.

نظرًا لأن ألوان الضوء المختلفة لا تتداخل مع بعضها، فإن كل سن يعمل كقناة مستقلة، مما يوفر فرصة هائلة لإرسال عدة تدفقات بيانات في آن واحد.

على الرغم من فائدتها الكبيرة، يتطلب إنشاء مشبك تردد قوي ليزرًا كبيرًا ومكلفًا ومضخمات.

نُشر في Nature Photonics¹، توضح الورقة كيف يمكن تنفيذ نفس الفكرة على رقاقة واحدة. 

“التقنية التي طورناها تأخذ ليزرًا قويًا جدًا وتحوّله إلى عشرات القنوات النظيفة وعالية القدرة على رقاقة. هذا يعني أنه يمكنك استبدال صفوف من الليزرات الفردية بجهاز مدمج واحد، مما يقلل التكلفة، ويوفر المساحة، ويفتح الباب أمام أنظمة أسرع بكثير وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.”

– جيل-مولينا

ليس فقط أن هذا البحث يمكنه تلبية الطلب الهائل الذي تخلقه مراكز البيانات على مصادر ضوء قوية وفعّالة تحتوي على العديد من الأطوال الموجية، بل إنه يمثل أيضًا علامة فارقة في مهمة الفريق لتطوير الفوتونيات السيليكونية.

معروفة بتمكين نقل بيانات أسرع بكثير مع استهلاك طاقة أقل وتوليد حرارة أقل مقارنةً بالدوائر الإلكترونية التقليدية، وجدت الفوتونيات السيليكونية تطبيقات في مراكز البيانات عالية السرعة، والذكاء الاصطناعي، وLiDAR، والتقنيات الكمومية، وإنترنت الأشياء، و5G.

الفوتونيات السيليكونية تدمج المكونات القائمة على الضوء onto a silicon chip using the standard CMOS manufacturing processes to create photonic integrated circuits (PICs). It utilizes silicon-on-insulator (SOI) wafers as the semiconductor platform to form waveguides and other components that guide light for faster, more energy-efficient communication and smaller, more cost-effective devices.

“مع تزايد أهمية هذه التقنية في البنية التحتية الحيوية وحياتنا اليومية، فإن هذا النوع من التقدم ضروري لضمان أن تكون مراكز البيانات فعّالة قدر الإمكان.”

– ليبسون

كيف ينظف القفل الذاتي للحقن الضوء ويضاعفه

ما هو أقوى ليزر يمكن وضعه على رقاقة؟ هذا السؤال قاد الباحثين إلى اختراقهم.

اختارت فريق كولومبيا ليزرًا ثنائيًا متعدد الوضع. الليزر الثنائي (LD) هو جهاز شبه موصل ينتج ضوءًا بلون واحد بطول موجي محدد. الليزرات الثنائية المتعددة الوضع، أو الليزرات ذات المنطقة الواسعة (BALs)، توفر مخرجات طاقة أعلى وتكون مثالية عندما تكون الحاجة إلى طاقة بصرية عالية وجودة الشعاع أقل أهمية.

هذه الأجهزة تنتج شعاعًا أوسع، مما يقلل من جودة الشعاع لكنه يزيد من كثافة الطاقة. تُستخدم الليزرات الثنائية المتعددة الوضع على نطاق واسع في تطبيقات مثل الأجهزة الطبية، والطباعة والتصوير، وأدوات قطع الليزر.

بينما تنتج كميات هائلة من الضوء، يكون شعاع هذه الليزرات “فوضويًا”، مما يصعب الاستفادة منه في التطبيقات الدقيقة.

إن دمج ليزر ثنائي متعدد الوضع في رقاقة فوتونيات سيليكونية، حيث تكون مسارات الضوء بعرض بضعة ميكرومترات (μm) أو حتى مئات النانومتر (nm)، يتطلب هندسة دقيقة.

لتنقية هذا المصدر القوي ولكن الصاخب للضوء، استخدم الفريق آلية قفل.

تم توظيف القفل الذاتي للحقن في النطاق غير الخطي لتوليد مشابك طاقة عالية على الرقاقة وتنقية تماسك مصدر الضخ في الوقت نفسه.

القفل بالحقن هو تأثير تردد يمكن أن يحدث عندما يتعرض مذبذب لتأثير مذبذب آخر يعمل عند تردد قريب. عندما تكون الترددات قريبة بما فيه الكفاية ويكون الاقتران قويًا، يمكن للمذبذب الثاني أن يلتقط الأول، مما يجعله يمتلك نفس التردد تقريبًا للمذبذب الثاني.

تُطبق هذه التقنية أساسًا على مصادر الليزر أحادية التردد ذات الموجة المستمرة (CW) عندما تكون هناك حاجة إلى مخرجات طاقة عالية، مع دمجها مع ضوضاء شدة منخفضة جدًا وضوضاء طور.

تعتمد على الفوتونيات السيليكونية لإعادة تشكيل وتنقية مخرج الليزر، مما يولد شعاعًا أكثر استقرارًا ونقاءً، وهو ما يُطلق عليه تماسك عالي. بمجرد تنقية الضوء، تتولى الخصائص البصرية غير الخطية للرقاقة مهمة تقسيم الشعاع القوي الواحد إلى عشرات الألوان المتساوية المسافة، وهو السمة الأساسية لمشبك التردد.

المصدر المدمج الصغير عالي الكفاءة يجمع بين القوة الخام لليزر الصناعي والاستقرار والدقة المطلوبة للاتصالات المتقدمة والاستشعار.

تم دمج المصدر منخفض التماسك مع طاقة إخراج عالية ورنانات حلقية من سيليكون نيتريد. صُممت الرنانات بتشتت سرعة مجموعة طبيعي، مما يعني أن السرعة تنخفض مع زيادة التردد البصري. يحدث هذا عندما تسافر الأطوال الموجية الطويلة أسرع من الأقصر في وسط ما، مما يؤدي إلى انتشار النبضات الضوئية بمرور الوقت.

حققت المشابك الدقيقة التي أنشأها الفريق مستويات طاقة إجمالية على الرقاقة تصل إلى 158 mW. وكانت خطوط المشبك ذات عرض طيفي داخلي يبلغ 200 kHz. كما أظهر الباحثون أكثر من ضعف عدد خطوط المشبك متجاوزة 100 μW ومستوى طاقة على الرقاقة أعلى بمرتبة من أي نتائج سابقة.

Researchers said:

“مصدر المشبك الدقيق المضخوم كهربائيًا الجديد لدينا يمتلك الحجم، والقوة، وعرض الطيف المطلوب للاتصالات البياناتية، ويمكن أن يؤثر بقوة على مجالات أخرى مثل الحوسبة عالية الأداء والأجهزة الشاملة للتطبيقات الطيفية وتحديد الوقت.”

يأتي هذا الاختراق في وقت يشهد فيه ازدهار الذكاء الاصطناعي زيادة هائلة في الطلب على سعة مراكز البيانات. هذا يضع ضغطًا على البنية التحتية، حيث تكافح لنقل المعلومات بسرعة. نتيجة لذلك، تبني الشركات بنية تحتية مخصصة للذكاء الاصطناعي لتلبية المتطلبات الحوسبية الضخمة لتدريب وتشغيل نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة.

حاليًا، تُستخدم روابط الألياف الضوئية في مراكز البيانات المتقدمة لنقل البيانات، لكنها لا تزال تعتمد على ليزرات ذات طول موجي واحد.

من خلال تشغيل عشرات الأشعة المتوازية عبر نفس الألياف الواحدة، بدلاً من شعاع واحد يحمل تدفق بيانات واحد، يمكن لمشابك التردد تعزيز قدرات مراكز البيانات بشكل كبير.

هذا المبدأ نفسه كان وراء تقنية تقسيم الطول الموجي (WDM)، وهي تقنية ألياف ضوئية تُرسل عدة تدفقات بيانات في آن واحد عبر ألياف ضوئية واحدة عن طريق تخصيص كل تدفق طول موجي فريد، مما يزيد سعة البيانات ويسمح بعرض نطاق أوسع. ساعدت تقنية WDM الإنترنت على أن يصبح شبكة عالمية عالية السرعة في أواخر التسعينيات.

الآن، يخلق فريق ليبسون مشابكًا متعددة الأطوال الموجية عالية القدرة صغيرة بما يكفي لتُدمج مباشرة على رقاقة. سيمكن هذا الإنجاز من إدخال هذه القدرة إلى أجزاء الأنظمة الحاسوبية الحديثة التي تكون مدمجة ومكلفة.

بهذه الطريقة، يمكن للرقائق تغيير طريقة تشغيل مراكز البيانات من خلال تبسيط طريقة نقل ومعالجة المعلومات، مما يؤثر على تصميم مراكز البيانات من الجيل التالي والعديد من الأجهزة الأخرى التي تعتمد على التواصل الضوئي الفعال. يمكن لهذه الرقائق أيضًا تمكين أنظمة LiDAR المتقدمة، والأجهزة الكمومية المدمجة، والساعات الضوئية الدقيقة للغاية، وأجهزة التحليل الطيفي المحمولة.

“هذا يتعلق بجلب مصادر ضوء من مستوى المختبر إلى الأجهزة الواقعية. إذا تمكنت من جعلها قوية، وكفء، وصغيرة بما يكفي، يمكنك وضعها في أي مكان تقريبًا.”

– جيل-مولينا

Swipe to scroll →

الاستثمار في تقنية الليزر

قائد عالمي في تقنيات الفوتونيات والليزر، Coherent Corp. (COHR ) تنتج ديودات ليزر شبه موصلية ومكونات بصرية عالية الأداء.

مع تركيز أعمالها الأساسي على تطوير وتصنيع حلول الفوتونيات، والتي تُعد حاسمة في عصر الحوسبة المتقدمة ونقل البيانات اليوم، أسست Coherent نفسها كقوة مهيمنة في صناعة الاتصالات البصرية وتتمتع بحصة سوقية قوية.

تشمل قطاعاتها الشبكات، التي تستفيد من تقنية شبه الموصلات المركبة لتقديم المكونات والأنظمة الفرعية، والمواد التي تشمل الأجهزة الضوئية الإلكترونية مثل تلك القائمة على كربيد السيليكون (SiC)، والزرنيخ الغاليوم (GaSb)، والزرنيخ الغاليوم (GaAs)، والفوسفيد الإنديوم (InP)، وسيلينيد الزنك (ZnSe)، وسلفيد الزنك (ZnS)، وقسم الليزرات يخدم العملاء الصناعيين في قطاع أشباه الموصلات، والتصنيع الدقيق، والفضاء والدفاع، وغيرها من خلال منتجات الليزر والبصريات.

Coherent Corp. (COHR )

مع مجموعة واسعة من المنتجات المبتكرة القائمة على الفوتونيات، تستطيع Coherent تقديم حلول مخصصة وشاملة لعملائها بالإضافة إلى تلبية احتياجات قابلية توسعة بنية الذكاء الاصطناعي.

تركيزها الاستراتيجي على سوق الذكاء الاصطناعي يضع Coherent كمرشح رئيسي للاستفادة من النمو المستمر للذكاء الاصطناعي. وهذا يُضيف إلى الطلب المتزايد على المكونات البصرية عالية الأداء. ولكن في الوقت نفسه، تواجه الشركة تحديات من المنافسة المتزايدة في كل من قطاعي الذكاء الاصطناعي والاتصالات البصرية.

عندما يتعلق الأمر بأداء Coherent في السوق، فإنها تشهد لحظة صعودية، مشابهة للسوق العامة. ارتفعت بنسبة 29.16٪ هذا العام حتى الآن، وتُتداول أسهم COHR حاليًا عند 123.70 دولار، في وقت كتابة هذا النص – وهو أعلى مستوى تاريخي جديد (ATH) يضع القيمة السوقية للشركة عند 19.20 مليار دولار.

في أبريل الماضي، انخفضت أسهم COHR إلى 50 دولارًا عندما شهد سوق الأسهم تصحيحًا، ومنذ ذلك الحين، ارتفعت أسهم Coherent بنحو 146٪. قبل عامين فقط، كانت أسهم COHR تتداول بأقل من 30 دولارًا، مما يمثل تعافيًا قويًا.

وبهذا، تقدم الشركة ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -0.62 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة -198.72.

فيما يتعلق بالموقع المالي لـ Coherent، سجلت إيرادات قياسية بقيمة 1.53 مليار دولار للربع الرابع المنتهي في 30 يونيو 2025. كان هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ GAAP خلال الفترة 35.7٪، وصافي الخسارة وفقًا لـ GAAP كان 0.83 دولار للسهم المخفّف، بينما على أساس غير GAAP، كان هامش الربح الإجمالي 38.1٪ وصافي الدخل للسهم المخفّف 1.00 دولار.

للسنة المالية الكاملة 2025، كانت إيراداتها أيضًا قياسية عند 5.81 مليار دولار. كان هامش الربح الإجمالي وفقًا لـ GAAP 35.2٪، وصافي الخسارة وفقًا لـ GAAP 0.52 دولار للسهم المخفّف، بينما على أساس غير GAAP كان هامش الربح الإجمالي 37.9٪ وصافي الدخل للسهم المخفّف 3.53 دولار.

According to CEO Jim Anderson:

“حققنا سنة مالية قوية في 2025 بنمو إيرادات بنسبة 23٪ وتوسّع ربحية غير GAAP بنسبة 191٪. نعتقد أننا في موقع جيد للاستمرار في دفع نمو الإيرادات والأرباح على المدى الطويل نظرًا لتعرضنا لمحركات النمو الرئيسية مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.”

خلال هذا الربع، بدأت الشركة شحن منتجات المرسل المستقبل 1.6T، مما يمكّن تطبيقات مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي عالية الأداء. كما تم تقديم مادة مركبة من الماس سيليكون كربيد (SiC) لتبريد متقدم لهذه المراكز.

علاوة على ذلك، شهدت Coherent إيرادًا أولًا من مفتاح الدائرة البصرية (OCS) وقدمت منصة ليزر الإكسمير التي تم تحديثها لإنتاج شريط موصل فائق في درجات حرارة عالية لتقنيات الطاقة الناشئة مثل الاندماج.

في الأسابيع القليلة الماضية، أطلقت Coherent عدة منتجات جديدة، بما في ذلك سلسلة كاملة من الدوائر المتكاملة ذات القنوات الرباعية التي تسمح بمرسلات بصرية أكثر كفاءة وسرعة للذكاء الاصطناعي والسحابة، وحل QSFP28 Dual Laser 100G ZR الأول في الصناعة لتعظيم السعة على البنية التحتية الحالية للألياف، وليزرات مستمرة بقوة 400 mW لتلبية المتطلبات الصارمة للتطبيقات الضوئية المتكاملة مع المعالجات الضوئية السيليكونية.

مؤخرًا، عرضت Coherent مصفوفات VCSEL ثنائية الأبعاد وديودات فوتونية (PD) من الجيل التالي لمعالجة الطلب المتزايد على حركة البيانات في مراكز البيانات الحديثة.

قبل بضعة أسابيع، دخلت Coherent في تعديلات تشمل إعادة تمويل الالتزامات الائتمانية المتداولة وزيادة إجمالي التسهيلات إلى 700 مليون دولار، وفقًا لاتفاقية الائتمان مع بنك JPMorgan Chase Bank (JPM ) ومقرضين آخرين، مما يحسّن سيولة الشركة ومرونتها المالية لدعم العمليات والنمو.

الخلاصة

حققت جامعة كولومبيا إنجازًا هندسيًا، مظهرًا كيف يمكن للحظات غير المتوقعة في العلم أن تؤدي إلى اكتشافات أكبر وأفضل مع القدرة على إعادة تعريف مجالات بأكملها. من خلال تحويل شعاع فوضوي واحد إلى عشرات القنوات الضوئية القوية والمستقرة، وضع الفريق الأساس للجيل التالي من الأنظمة الضوئية.

من ثورة LiDAR وتقليص الأجهزة الكمومية إلى تعزيز سعة مراكز البيانات المدفوعة بالذكاء الاصطناعي، تمثل هذه التقنية قفزة كبيرة في تكامل الفوتونيات. ومع تقدم العالم نحو أنظمة اتصال أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، قد تشكل شرائح المشابك الدقيقة أساس بنية الحوسبة المستقبلية.

انقر هنا لتعرف كل شيء عن الاستثمار في الذكاء الاصطناعي.

المراجع

1. Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High-power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. نُشر في 7 أكتوبر 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z

قام باحثون من كلية الهندسة بجامعة كولومبيا بإنشاء رقاقة جديدة يمكنها تحويل الليزر إلى “مشبك تردد”، مولدةً عدة قنوات ضوئية قوية في آن واحد.

من خلال الاستفادة من آلية قفل خاصة، قام الباحثون بتنقية ضوء الليزر الفوضوي وحققوا دقة من مستوى المختبر على جهاز سيليكون صغير. يمكن لهذا الإنجاز تحسين كفاءة مراكز البيانات بشكل كبير ودفع الابتكارات في تقنية LiDAR والاستشعار والتقنيات الكمومية.

المشابك الدقيقة تصغر الدقة المختبرية إلى رقاقة 

أنشأ الباحثون جهاز المشبك الدقيق عالي القدرة لتحسين تقنية LiDAR (الكشف والقياس بالضوء).

LiDAR هي تقنية استشعار عن بُعد تستخدم ضوء الليزر النبضي لحساب المسافات وإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للبيئة. تعمل مثل الرادار، لكنها تستخدم الضوء بدلاً من الصوت.

يقوم النظام بإصدار نبضات ليزر ويقيس زمن عودتها لقياس المسافات الدقيقة إلى الأجسام وتتبع الحركة في الوقت الحقيقي.

يتكون جهاز LiDAR من ليزر، ومُسْحِب، وجهاز استقبال GPS متخصص، ويولد سحابة نقطية مفصلة من البيانات، تُستخدم لاحقًا لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد لتطبيقات مثل القيادة الذاتية، ومراقبة البيئة، والمسح، وعلم الآثار.

تم اختراع هذه التقنية في الستينيات، واُستخدمت في البداية في علم الأرصاد الجوية، واستشعار المحيطات، ورسم الخرائط الطوبوغرافية، قبل أن تُمدّ استخدامها إلى الفضاء بواسطة وكالة ناسا. في العقد الأول من القرن الواحد والعشرين، بدأت السيارات التجارية في الاعتماد على LiDAR، ومنذ ذلك الحين أصبح LiDAR للسيارات شائعًا جدًا في السيارات الكهربائية الفاخرة.

نظرًا لتزايد تطبيقات LiDAR، يعمل الباحثون باستمرار على تحسين التقنية. تُدمج العديد من الابتكارات المثيرة في تقنيات الليزر مع البصريات المتقدمة، مما يتيح تصغيرًا إضافيًا ويعد بمستقبل طويل الأمد لأنظمة LiDAR.

كان تركيز الباحثين من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا على إيجاد طريقة لاستخراج طاقة أعلى ونقاء طيفي من أنظمة الليزر المدمجة لتمكين توليد مشبك تردد على مستوى الرقاقة من أجل تعزيز الاتصالات، والاستشعار، والتحليل الطيفي، وLiDAR، وتطبيقات الفوتونيات المتكاملة الأخرى.

لذلك، أنشأوا مشبكًا دقيقًا، وهو جهاز فوتوني مصغر ينتج سلسلة من الترددات الضوئية المتساوية المسافة، مثل أسنان المشط، على رقاقة.

تتمتع هذه المشابك الدقيقة المتكاملة بإمكانات لتقليل حجم الأنظمة المعقدة التي كانت مطلوبة تقليديًا لهذه التطبيقات. وبالتالي، تُعد المشابك الدقيقة المتكاملة واعدة للعديد من التطبيقات التي تتطلب طاقة إخراج عالية، وبصمة صغيرة، وكفاءة عالية، مثل التحليل الطيفي، والاستشعار، والاتصالات البياناتية.

مؤخرًا، أظهر الباحثون مشابكًا دقيقة مضخومة كهربائيًا من خلال دمج شرائح الكسب (العناصر البصرية شبه الموصلة) مع رنانات من الدرجة الأولى. لكن إجمالي طاقة الضوء لا يزال أقل بكثير مما تحتاجه الحلول العملية.

تم معالجة هذا القيد من قبل باحثي كولومبيا الذين أظهروا مشابكًا دقيقة عالية القدرة مضخومة كهربائيًا بتقنية Kerr. 

من الثنائيات ‘الفوضوية’ إلى المشابك الدقيقة النظيفة

من المثير للاهتمام، أن هذا كان اكتشافًا عَرضيًا. قبل بضع سنوات، كان الباحثون في مختبر المؤلف المشارك ميشال ليبسون، أستاذ إيوجين هيغينز في الهندسة الكهربائية وأستاذ الفيزياء التطبيقية، يعملون على مشروع لتعزيز قدرات LiDAR عندما لاحظوا شيئًا مذهلًا.

كانوا يصممون شرائح عالية القدرة يمكنها توليد أشعة ضوئية أكثر سطوعًا، وقال أندريس جيل-مولينا، الباحث السابق في مختبر ليبسون والمهندس الرئيسي الآن في Xscape Photonics: “كلما أرسلنا طاقة أكبر عبر الشريحة، لاحظنا أنها تُنشئ ما نسميه مشبك تردد”.

مشبك التردد هو طيف مكوّن من خطوط طيفية منفصلة ومتباعدة بانتظام. ما يعنيه ذلك هو أن هذا النوع الخاص من الضوء يحتوي على ألوان مختلفة مرتبة بجانب بعضها البعض بطريقة منظمة، كما ترى في قوس قزح.

هنا، يضيء العشرات من ترددات الضوء. لكن الفجوات بين هذه الألوان أو الترددات تبقى مظلمة. لذا، عند النظر إلى هذه الترددات الساطعة على مخطط طيفي، تبدو كأنها نتوءات أو أسنان على مشط، ومن هنا جاء الاسم.

نظرًا لأن ألوان الضوء المختلفة لا تتداخل مع بعضها، فإن كل سن يعمل كقناة مستقلة، مما يوفر فرصة هائلة لإرسال عدة تدفقات بيانات في آن واحد.

على الرغم من فائدتها الكبيرة، يتطلب إنشاء مشبك تردد قوي ليزرًا كبيرًا ومكلفًا ومضخمات.

نُشر في Nature Photonics¹، توضح الورقة كيف يمكن تنفيذ نفس الفكرة على رقاقة واحدة. 

“التقنية التي طورناها تأخذ ليزرًا قويًا جدًا وتحوّله إلى عشرات القنوات النظيفة وعالية القدرة على رقاقة. هذا يعني أنه يمكنك استبدال صفوف من الليزرات الفردية بجهاز مدمج واحد، مما يقلل التكلفة، ويوفر المساحة، ويفتح الباب أمام أنظمة أسرع بكثير وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.”

– جيل-مولينا

ليس فقط أن هذا البحث يمكنه تلبية الطلب الهائل الذي تخلقه مراكز البيانات على مصادر ضوء قوية وفعّالة تحتوي على العديد من الأطوال الموجية، بل إنه يمثل أيضًا علامة فارقة في مهمة الفريق لتطوير الفوتونيات السيليكونية.

معروفة بتمكين نقل بيانات أسرع بكثير مع استهلاك طاقة أقل وتوليد حرارة أقل مقارنةً بالدوائر الإلكترونية التقليدية، وجدت الفوتونيات السيليكونية تطبيقات في مراكز البيانات عالية السرعة، والذكاء الاصطناعي، وLiDAR، والتقنيات الكمومية، وإنترنت الأشياء، و5G.

الفوتونيات السيليكونية تدمج المكونات القائمة على الضوء onto a silicon chip using the standard CMOS manufacturing processes to create photonic integrated circuits (PICs). It utilizes silicon-on-insulator (SOI) wafers as the semiconductor platform to form waveguides and other components that guide light for faster, more energy-efficient communication and smaller, more cost-effective devices.

“مع تزايد أهمية هذه التقنية في البنية التحتية الحيوية وحياتنا اليومية، فإن هذا النوع من التقدم ضروري لضمان أن تكون مراكز البيانات فعّالة قدر الإمكان.”

– ليبسون

كيف ينظف القفل الذاتي للحقن الضوء ويضاعفه

ما هو أقوى ليزر يمكن وضعه على رقاقة؟ هذا السؤال قاد الباحثين إلى اختراقهم.

اختارت فريق كولومبيا ليزرًا ثنائيًا متعدد الوضع. الليزر الثنائي (LD) هو جهاز شبه موصل ينتج ضوءًا بلون واحد بطول موجي محدد. الليزرات الثنائية المتعددة الوضع، أو الليزرات ذات المنطقة الواسعة (BALs)، توفر مخرجات طاقة أعلى وتكون مثالية عندما تكون الحاجة إلى طاقة بصرية عالية وجودة الشعاع أقل أهمية.

هذه الأجهزة تنتج شعاعًا أوسع، مما يقلل من جودة الشعاع لكنه يزيد من كثافة الطاقة. تُستخدم الليزرات الثنائية المتعددة الوضع على نطاق واسع في تطبيقات مثل الأجهزة الطبية، والطباعة والتصوير، وأدوات قطع الليزر.

بينما تنتج كميات هائلة من الضوء، يكون شعاع هذه الليزرات “فوضويًا”، مما يصعب الاستفادة منه في التطبيقات الدقيقة.

إن دمج ليزر ثنائي متعدد الوضع في رقاقة فوتونيات سيليكونية، حيث تكون مسارات الضوء بعرض بضعة ميكرومترات (μm) أو حتى مئات النانومتر (nm)، يتطلب هندسة دقيقة.

لتنقية هذا المصدر القوي ولكن الصاخب للضوء، استخدم الفريق آلية قفل.

تم توظيف القفل الذاتي للحقن في النطاق غير الخطي لتوليد مشابك طاقة عالية على الرقاقة وتنقية تماسك مصدر الضخ في الوقت نفسه.

القفل بالحقن هو تأثير تردد يمكن أن يحدث عندما يتعرض مذبذب لتأثير مذبذب آخر يعمل عند تردد قريب. عندما تكون الترددات قريبة بما فيه الكفاية ويكون الاقتران قويًا، يمكن للمذبذب الثاني أن يلتقط الأول، مما يجعله يمتلك نفس التردد تقريبًا للمذبذب الثاني.

تُطبق هذه التقنية أساسًا على مصادر الليزر أحادية التردد ذات الموجة المستمرة (CW) عندما تكون هناك حاجة إلى مخرجات طاقة عالية، مع دمجها مع ضوضاء شدة منخفضة جدًا وضوضاء طور.

تعتمد على الفوتونيات السيليكونية لإعادة تشكيل وتنقية مخرج الليزر، مما يولد شعاعًا أكثر استقرارًا ونقاءً، وهو ما يُطلق عليه تماسك عالي. بمجرد تنقية الضوء، تتولى الخصائص البصرية غير الخطية للرقاقة مهمة تقسيم الشعاع القوي الواحد إلى عشرات الألوان المتساوية المسافة، وهو السمة الأساسية لمشبك التردد.

المصدر المدمج الصغير عالي الكفاءة يجمع بين القوة الخام لليزر الصناعي والاستقرار والدقة المطلوبة للاتصالات المتقدمة والاستشعار.

تم دمج المصدر منخفض التماسك مع طاقة إخراج عالية ورنانات حلقية من سيليكون نيتريد. صُممت الرنانات بتشتت سرعة مجموعة طبيعي، مما يعني أن السرعة تنخفض مع زيادة التردد البصري. يحدث هذا عندما تسافر الأطوال الموجية الطويلة أسرع من الأقصر في وسط ما، مما يؤدي إلى انتشار النبضات الضوئية بمرور الوقت.

حققت المشابك الدقيقة التي أنشأها الفريق مستويات طاقة إجمالية على الرقاقة تصل إلى 158 mW. وكانت خطوط المشبك ذات عرض طيفي داخلي يبلغ 200 kHz. كما أظهر الباحثون أكثر من ضعف عدد خطوط المشبك متجاوزة 100 μW ومستوى طاقة على الرقاقة أعلى بمرتبة من أي نتائج سابقة.

Researchers said:

“مصدر المشبك الدقيق المضخوم كهربائيًا الجديد لدينا يمتلك الحجم، والقوة، وعرض الطيف المطلوب للاتصالات البياناتية، ويمكن أن يؤثر بقوة على مجالات أخرى مثل الحوسبة عالية الأداء والأجهزة الشاملة للتطبيقات الطيفية وتحديد الوقت.”

يأتي هذا الاختراق في وقت يشهد فيه ازدهار الذكاء الاصطناعي زيادة هائلة في الطلب على سعة مراكز البيانات. هذا يضع ضغطًا على البنية التحتية، حيث تكافح لنقل المعلومات بسرعة. نتيجة لذلك، تبني الشركات بنية تحتية مخصصة للذكاء الاصطناعي لتلبية المتطلبات الحوسبية الضخمة لتدريب وتشغيل نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة.

حاليًا، تُستخدم روابط الألياف الضوئية في مراكز البيانات المتقدمة لنقل البيانات، لكنها لا تزال تعتمد على ليزرات ذات طول موجي واحد.

من خلال تشغيل عشرات الأشعة المتوازية عبر نفس الألياف الواحدة، بدلاً من شعاع واحد يحمل تدفق بيانات واحد، يمكن لمشابك التردد تعزيز قدرات مراكز البيانات بشكل كبير.

هذا المبدأ نفسه كان وراء تقنية تقسيم الطول الموجي (WDM)، وهي تقنية ألياف ضوئية تُرسل عدة تدفقات بيانات في آن واحد عبر ألياف ضوئية واحدة عن طريق تخصيص كل تدفق طول موجي فريد، مما يزيد سعة البيانات ويسمح بعرض نطاق أوسع. ساعدت تقنية WDM الإنترنت على أن يصبح شبكة عالمية عالية السرعة في أواخر التسعينيات.

الآن، يخلق فريق ليبسون مشابكًا متعددة الأطوال الموجية عالية القدرة صغيرة بما يكفي لتُدمج مباشرة على رقاقة. سيمكن هذا الإنجاز من إدخال هذه القدرة إلى أجزاء الأنظمة الحاسوبية الحديثة التي تكون مدمجة ومكلفة.

بهذه الطريقة، يمكن للرقchips تغيير طريقة تشغيل مراكز البيانات من خلال تبسيط طريقة نقل ومعالجة المعلومات، مما يؤثر على تصميم مراكز البيانات من الجيل التالي والعديد من الأجهزة الأخرى التي تعتمد على التواصل الضوئي الفعال. يمكن لهذه الرقائق أيضًا تمكين أنظمة LiDAR المتقدمة، والأجهزة الكمومية المدمجة، والساعات الضوئية الدقيقة للغاية، وأجهزة التحليل الطيفي المحمولة.

“هذا يتعلق بجلب مصادر ضوء من مستوى المختبر إلى الأجهزة الواقعية. إذا تمكنت من جعلها قوية، وكفء، وصغيرة بما يكفي، يمكنك وضعها في أي مكان تقريبًا.”

– جيل-مولينا

Swipe to scroll →

الاستثمار في تقنية الليزر

قائد عالمي في تقنيات الفوتونيات والليزر، Coherent Corp. (COHR ) تنتج ديودات ليزر شبه موصلية ومكونات بصرية عالية الأداء.

مع تركيز أعمالها الأساسي على تطوير وتصنيع حلول الفوتونيات، والتي تُعد حاسبة في عصر الحوسبة المتقدمة ونقل البيانات اليوم، أسست Coherent نفسها كقوة مهيمنة في صناعة الاتصالات البصرية وتتمتع بحصة سوقية قوية.

تشمل قطاعاتها الشبكات، التي تستفيد من تقنية شبه الموصلات المركبة لتقديم المكونات والأنظمة الفرعية، والمواد التي تشمل الأجهزة الضوئية الإلكترونية مثل تلك القائمة على كربيد السيليكون (SiC)، والزرنيخ الغاليوم (GaSb)، والزرنيخ الغاليوم (GaAs)، والفوسفيد الإنديوم (InP)، وسيلينيد الزنك (ZnSe)، وسلفيد الزنك (ZnS)، وقسم الليزرات يخدم العملاء الصناعيين في قطاع أشباه الموصلات، والتصنيع الدقيق، والفضاء والدفاع، وغيرها من خلال منتجات الليزر والبصريات.

Coherent Corp. (COHR )

مع مجموعة واسعة من المنتجات المبتكرة القائمة على الفوتونيات، تستطيع Coherent تقديم حلول مخصصة وشاملة لعملائها بالإضافة إلى تلبية احتياجات قابلية توسعة بنية الذكاء الاصطناعي.

تركيزها الاستراتيجي على سوق الذكاء الاصطناعي يضع Coherent كمرشح رئيسي للاستفادة من النمو المستمر للذكاء الاصطناعي. وهذا يُضيف إلى الطلب المتزايد على المكونات البصرية عالية الأداء. ولكن في الوقت نفسه، تواجه الشركة تحديات من المنافسة المتزايدة في كل من قطاعي الذكاء الاصطناعي والاتصالات البصرية.

عندما يتعلق الأمر بأداء Coherent في السوق، فإنها تشهد لحظة صعودية، مشابهة للسوق العامة. ارتفعت بنسبة 29.16٪ هذا العام حتى الآن، وتُتداول أسهم COHR حاليًا عند 123.70 دولار، في وقت كتابة هذا النص – وهو أعلى مستوى تاريخي جديد (ATH) يضع القيمة السوقية للشركة عند 19.20 مليار دولار.

في أبريل الماضي، انخفضت أسهم COHR إلى 50 دولارًا عندما شهد سوق الأسهم تصحيحًا، ومنذ ذلك الحين، ارتفعت أسهم Coherent بنحو 146٪. قبل عامين فقط، كانت أسهم COHR تتداول بأقل من 30 دولارًا، مما يمثل تعافيًا قويًا.

وبهذا، تقدم الشركة ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -0.62 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة -198.72.

فيما يتعلق بالموقع المالي لـ Coherent، سجلت إيرادات قياسية بقيمة 1.53 مليار دولار للربع الرابع المنتهي في 30 يونيو 2025. كان هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ GAAP خلال الفترة 35.7٪، وصافي الخسارة وفقًا لـ GAAP كان 0.83 دولار للسهم المخفّف، بينما على أساس غير GAAP، كان هامش الربح الإجمالي 38.1٪ وصافي الدخل للسهم المخفّف 1.00 دولار.

للسنة المالية الكاملة 2025، كانت إيراداتها أيضًا قياسية عند 5.81 مليار دولار. كان هامش الربح الإجمالي وفقًا لـ GAAP 35.2٪، وصافي الخسارة وفقًا لـ GAAP 0.52 دولار للسهم المخفّف، بينما على أساس غير GAAP كان هامش الربح الإجمالي 37.9٪ وصافي الدخل للسهم المخفّض 3.53 دولار.

According to CEO Jim Anderson:

“حققنا سنة مالية قوية في 2025 بنمو إيرادات بنسبة 23٪ وتوسّع ربحية غير GAAP بنسبة 191٪. نعتقد أننا في موقع جيد للاستمرار في دفع نمو الإيرادات والأرباح على المدى الطويل نظرًا لتعرضنا لمحركات النمو الرئيسية مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.”

خلال هذا الربع، بدأت الشركة شحن منتجات المرسل المستقبل 1.6T، مما يمكّن تطبيقات مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي عالية الأداء. كما تم تقديم مادة مركبة من الماس سيليكون كربيد (SiC) لتبريد متقدم لهذه المراكز.

علاوة على ذلك، شهدت Coherent إيرادًا أولًا من مفتاح الدائرة البصرية (OCS) وقدمت منصة ليزر الإكسمير التي تم تحديثها لإنتاج شريط موصل فائق في درجات حرارة عالية لتقنيات الطاقة الناشئة مثل الاندماج.

في الأسابيع القليلة الماضية، أطلقت Coherent عدة منتجات جديدة، بما في ذلك سلسلة كاملة من الدوائر المتكاملة ذات القنوات الرباعية التي تسمح بمرسلات بصرية أكثر كفاءة وسرعة للذكاء الاصطناعي والسحابة، وحل QSFP28 Dual Laser 100G ZR الأول في الصناعة لتعظيم السعة على البنية التحتية الحالية للألياف، وليزرات مستمرة بقوة 400 mW لتلبية المتطلبات الصارمة للتطبيقات الضوئية المتكاملة مع المعالجات الضوئية السيليكونية.

مؤخرًا، عرضت Coherent مصفوفات VCSEL ثنائية الأبعاد وديودات فوتونية (PD) من الجيل التالي لمعالجة الطلب المتزايد على حركة البيانات في مراكز البيانات الحديثة.

قبل بضعة أسابيع، دخلت Coherent في تعديلات تشمل إعادة تمويل الالتزامات الائتمانية المتداولة وزيادة إجمالي التسهيلات إلى 700 مليون دولار، وفقًا لاتفاقية الائتمان مع بنك JPMorgan Chase Bank (JPM ) ومقرضين آخرين، مما يحسّن سيولة الشركة ومرونتها المالية لدعم العمليات والنمو.

الخلاصة

حققت جامعة كولومبيا إنجازًا هندسيًا، مظهرًا كيف يمكن للحظات غير المتوقعة في العلم أن تؤدي إلى اكتشافات أكبر وأفضل مع القدرة على إعادة تعريف مجالات بأكملها. من خلال تحويل شعاع فوضوي واحد إلى عشرات القنوات الضوئية القوية والمستقرة، وضع الفريق الأساس للجيل التالي من الأنظمة الضوئية.

من ثورة LiDAR وتقليص الأجهزة الكمومية إلى تعزيز سعة مراكز البيانات المدفوعة بالذكاء الاصطناعي، تمثل هذه التقنية قفزة كبيرة في تكامل الفوتونيات. ومع تقدم العالم نحو أنظمة اتصال أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، قد تشكل شرائح المشابك الدقيقة أساس بنية الحوسبة المستقبلية.

انقر هنا لتعرف كل شيء عن الاستثمار في الذكاء الاصطناعي.

المراجع

1. Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High-power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. نُشر في 7 أكتوبر 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z