أمشاط التردد على نطاق الشريحة تُعزز مستقبل البيانات

نجح باحثون من شركة كولومبيا للهندسة في ابتكار شريحة جديدة يمكنها تحويل الليزر إلى "مشط تردد"، مما يؤدي إلى توليد قنوات ضوء قوية متعددة في نفس الوقت.

باستخدام آلية قفل خاصة، تمكن الباحثون من تنظيف ضوء الليزر الفوضوي وتحقيق دقة عالية على جهاز سيليكون صغيريمكن أن يؤدي هذا الإنجاز إلى تحسين كفاءة مركز البيانات بشكل كبير ودفع الابتكارات في مجال LiDAR والاستشعار وتكنولوجيا الكم.

تقلص دقة المختبر على رقاقة باستخدام الأمشاط الدقيقة 

قام الباحثون بإنشاء جهاز microcomb عالي الطاقة لتحسين تقنية LiDAR (كشف الضوء وتحديد المدى).

ليدار (LiDAR) هي تقنية استشعار عن بُعد تستخدم ضوء الليزر النبضي لحساب المسافات وإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للبيئة. تعمل هذه التقنية كالرادار، لكنها تستخدم الضوء بدلاً من الصوت.

يصدر النظام نبضات ليزر ويقوم بتوقيت عودتها لقياس المسافات الدقيقة بين الأشياء وتتبع الحركة في الوقت الحقيقي.

يتكون من ليزر، ماسح ضوئي، وجهاز استقبال GPS متخصص، تحديد المدى تنتج الأداة "سحابة نقاط" مفصلة من البيانات، والتي يتم استخدامها بعد ذلك لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد لتطبيقات مثل القيادة الذاتية، ومراقبة البيئة، والمسح، وعلم الآثار.

تم اختراع هذه التقنية في ستينيات القرن الماضي، وطُبّقت في البداية في مجال الأرصاد الجوية، واستشعار المحيطات، ورسم الخرائط الطبوغرافية، قبل أن تُوسّع ناسا نطاق استخدامها ليشمل الفضاء. في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، بدأت السيارات التجارية باستخدام تقنية الليدار، ومنذ ذلك الحين، أصبحت تقنية الليدار شائعة الاستخدام في السيارات الكهربائية الفاخرة.

نظرًا لتزايد استخدام تقنية الليدار، دأب الباحثون على تحسينها. وتُدمج العديد من الابتكارات المثيرة في تقنيات الليزر مع البصريات المتقدمة، مما يُتيح مزيدًا من التصغير، ويُبشر بمستقبل واعد لأنظمة الليدار على المدى الطويل.

كان تركيز الباحثين من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا هو إيجاد طريقة لإطلاق العنان لطاقة أعلى ونقاء طيفي من أنظمة الليزر المدمجة لتمكين توليد أمشاط التردد على نطاق الشريحة من أجل تعزيز الاتصالات، والاستشعار، والتحليل الطيفي، والليدار، وغيرها من التطبيقات الفوتونية المتكاملة.

لذلك، قاموا بإنشاء مشط صغير، وهو جهاز فوتوني مصغر ينتج سلسلة من الترددات الضوئية المتباعدة بالتساوي، مثل أسنان المشط على رقاقة.

تتمتع أمشاط التردد المصغرة المتكاملة هذه بالقدرة على تقليل حجم الأنظمة المعقدة المطلوبة تقليديًا لمثل هذه التطبيقات. وبالتالي، فإن الأمشاط الدقيقة المتكاملة واعدة للعديد من التطبيقات التي تتطلب طاقة إنتاج عالية، ومساحة صغيرة، وكفاءة عالية، مثل التحليل الطيفي، والاستشعار، واتصالات البيانات.

مؤخرًا، أثبت باحثون وجود أمشاط دقيقة مُضخَّمة كهربائيًا من خلال دمج رقائق الكسب (عناصر بصرية شبه موصلة) مع مرنانات فائقة الجودة. إلا أن قدرتها البصرية الإجمالية لا تزال أقل بكثير مما تتطلبه الحلول العملية.

هذا القيد له تم تناولها من قبل باحثين من جامعة كولومبيا الذين أظهروا قدرة عالية على ضخ الطاقة الكهربائية باستخدام أمشاط كير ذات التردد العالي. 

من الثنائيات "الفوضوية" إلى الأمشاط الدقيقة النظيفة

ومن المثير للاهتمام أن هذا الاكتشاف كان عرضيا. قبل بضع سنوات، أجرى باحثون في مختبر المؤلف المشارك ميخال ليبسون، يوجين هيجينز أستاذ الهندسة الكهربائية وأستاذ الفيزياء التطبيقية، كنا نعمل على مشروع لتعزيز قدرات LiDAR عندما هم لاحظت شيئا لا يصدق.

كانوا يقومون بتصميم شرائح عالية الطاقة يمكنها توليد أشعة ضوء أكثر سطوعًا، و"عندما أرسلنا المزيد والمزيد من الطاقة عبر الشريحة، لاحظنا أنها كانت تخلق ما نسميه مشط التردد"، كما قال أندريس جيل مولينا، وهو باحث ما بعد الدكتوراه السابق في مختبر ليبسون ومهندس رئيسي حاليًا في شركة إكسكيب فوتونيكس.

مشط التردد هو طيفٌ يتكون من خطوط طيفية منفصلة ومتباعدة بانتظام. هذا يعني أن هذا النوع الخاص من الضوء يحتوي على ألوان مختلفة مصفوفة جنبًا إلى جنب بشكل منظم، كما هو الحال في قوس قزح.

هنا، تتألق عشرات الترددات الضوئية. لكن الفجوات بين هذه الألوان أو الترددات المختلفة تبقى داكنة. لذا، عند النظر إلى هذه الترددات الساطعة المختلفة على مخطط طيفي، فإنها تبدو مثل المسامير أو الأسنان على المشط، ومن هنا جاءت التسمية.

وبما أن الألوان المختلفة للضوء لا تتداخل مع بعضها البعض، فإن كل سن يعمل كقناة خاصة به، مما يوفر فرصة لا تصدق لإرسال عدة تدفقات من البيانات في وقت واحد.

على الرغم من أن إنشاء مشط تردد قوي مفيد للغاية، إلا أنه يتطلب أجهزة ليزر ومكبرات صوت كبيرة ومكلفة. 

نشرت في طبيعة الضوئيات¹، وتوضح الورقة بالتفصيل كيف يمكن فعل نفس الشيء على شريحة واحدة. 

تعتمد التقنية التي طورناها على ليزر قوي للغاية وتحويله إلى عشرات القنوات النظيفة عالية الطاقة على شريحة. هذا يعني أنه يمكنك استبدال رفوف الليزر الفردية بجهاز واحد صغير الحجم، مما يقلل التكلفة ويوفر المساحة، ويفتح الباب أمام أنظمة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

– جيل مولينا

لا يمكن لهذا البحث أن يلبي الطلب الهائل الذي أحدثته مراكز البيانات على مصادر ضوء قوية وفعالة تحتوي على العديد من الأطوال الموجية فحسب، بل إنه يمثل أيضًا علامة فارقة في مهمة الفريق لتطوير فوتونيات السيليكون.

معروف بقدرته على نقل البيانات بشكل أسرع بكثير بينما تستهلك طاقة أقل وتولد حرارة أقل من التقليدية الدوائر الإلكترونية، والفوتونيات السيليكونية وجدت تطبيقات في مراكز البيانات عالية السرعة، والذكاء الاصطناعي، والليدار، وتقنيات الكم، وإنترنت الأشياء، وشبكات الجيل الخامس.

تدمج فوتونيات السيليكون المكونات القائمة على الضوء على شريحة سيليكون باستخدام عمليات تصنيع CMOS القياسية لإنشاء دوائر متكاملة فوتونية (PICs). وتستخدم هذه التقنية رقائق السيليكون العازل (SOI) كمنصة أشباه موصلات لتشكيل أدلة موجية ومكونات أخرى توجه الضوء لتحقيق اتصالات أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، وأجهزة أصغر حجمًا وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

"ونظرًا لأن هذه التكنولوجيا أصبحت ذات أهمية مركزية بشكل متزايد للبنية التحتية الحيوية وحياتنا اليومية، فإن هذا النوع من التقدم ضروري لضمان أن تكون مراكز البيانات فعالة قدر الإمكان."

– ليبسون

كيف يعمل قفل الحقن الذاتي على تنظيف الضوء ومضاعفته

ما هو أقوى ليزر يُمكن وضعه على شريحة؟ هذا السؤال قاد الباحثين إلى هذا الاكتشاف.

اختار فريق جامعة كولومبيا ثنائي ليزر متعدد الأوضاع. ثنائي الليزر (LD) هو جهاز شبه موصل يُنتج ضوءًا أحادي اللون عند طول موجي محدد. تُوفر ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع، أو ليزرات المساحة الواسعة (BALs)، مخرجات طاقة أعلى، وهي مثالية عند الحاجة إلى طاقة بصرية عالية وجودة شعاع أقل أهمية.

تنتج هذه الأجهزة شعاعًا أوسع، مما يقلل من جودة الشعاع لكنها تزيد من كثافة الطاقة. تُستخدم ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع على نطاق واسع في تطبيقات مثل الأجهزة الطبية والطباعة والتصوير وأدوات القطع بالليزر. 

على الرغم من إنتاج كميات هائلة من الضوء، فإن شعاع هذه الليزر يكون "فوضويًا"، مما يجعل من الصعب الاستفادة منها في التطبيقات الدقيقة. 

دمج ثنائي ليزر متعدد الأوضاع في شريحة فوتونيات السيليكون، حيث تكون مسارات الضوء فقط بقدر ما هو واسع بضعة ميكرومترات (μm) أو حتى مئات النانومترات (nm), لكن، يتطلب هندسة دقيقة.

ولتنقية هذا المصدر القوي والصاخب للضوء، استخدم الفريق آلية قفل.

تم استخدام قفل الحقن الذاتي في النظام غير الخطي لتوليد أمشاط عالية الطاقة على الشريحة وتنقية تماسك مصدر المضخة في نفس الوقت.

قفل الحقن هو تأثير التردد الذي يمكن أن يحدث عندما يتم إزعاج المذبذب بواسطة مذبذب ثان يعمل بتردد قريب. عندما تكون الترددات قريبة بما فيه الكفاية والاقتران قوييمكن للمذبذب الثاني التقاط المذبذب الأول، مما يجعله له نفس تردد المذبذب الثاني بشكل أساسي.

يتم تطبيق هذه التقنية في المقام الأول على مصادر الليزر ذات التردد الواحد ذات الموجة المستمرة (CW) عندما يكون هناك حاجة إلى خرج عالي الطاقة، الجمع مع ضوضاء ذات كثافة منخفضة للغاية وضوضاء الطور.

إنها تعتمد على فوتونيات السيليكون لإعادة تشكيل وتنظيف مخرجات الليزر، مما يؤدي إلى إنشاء شعاع أكثر استقرارًا ونظافة، من اتصل تماسك عالي. بمجرد تنقية الضوء، تتولى الخصائص البصرية غير الخطية للشريحة زمام الأمور، مما يؤدي إلى تقسيم الشعاع القوي الفردي إلى عشرات الألوان التي متباعدة بالتساوي، وهي السمة الأساسية لمشط التردد.

يجمع مصدر الضوء المدمج وعالي الكفاءة الناتج بين الطاقة الخام لليزر الصناعي مع الاستقرار والدقة المطلوبين للاتصالات والاستشعار المتقدم.

تم دمج المصدر منخفض التماسك مع طاقة خرج عالية ومرنانات حلقات نتريد السيليكون. الرنانات مصممة مع تشتت سرعة المجموعة الطبيعية، مما يعني أن السرعة تنخفض مع زيادة التردد البصري. هذه تحدث عندما تنتقل الأطوال الموجية للضوء الأطول بشكل أسرع من الأطوال الموجية الأقصر في وسط ما، مما يؤدي إلى انتشار النبضات الضوئية بمرور الوقت.

حققت الأمشاط الدقيقة التي أنشأها الفريق مستويات طاقة إجمالية على الشريحة تصل إلى 158 ميلي واط. في المقابل، بلغ عرض خطوط الأمشاط 200 كيلوهرتز. الباحثون أيضا أظهرت أكثر من ضعف عدد خطوط المشط متجاوزا 100 ميكروواط وترتيب من حيث الحجم أعلى مستويات الطاقة على الشريحة أعلى من أي نتائج تم الإبلاغ عنها سابقًا.

وقال الباحثون:

"يتمتع مصدرنا الجديد للميكروكومب المضخوخ كهربائيًا بالحجم والقوة وعرض الخط المطلوب لاتصالات البيانات، ويمكن أن يؤثر بقوة على مجالات أخرى مثل الحوسبة عالية الأداء والأجهزة الشاملة لاستشعار الطيف وتطبيقات تحديد الوقت." 

ويأتي هذا الاختراق في وقت طفرة الذكاء الاصطناعي يتسبب في زيادة هائلة في الطلب على سعة مركز البيانات. هذه يُسبب ضغطًا على بنيتها التحتية، ويواجه صعوبة في نقل المعلومات بسرعة. ونتيجةً لذلك، تُنشئ الشركات بنيةً تحتيةً متخصصةً في الذكاء الاصطناعي لتلبية المتطلبات الحسابية الهائلة لتدريب وتشغيل نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة. 

بالفعل الألياف الروابط البصرية هي جاري الاستفادة تستخدم مراكز البيانات المتقدمة لنقل البيانات، ولكنها تعتمد أيضًا على الليزر أحادي الطول الموجي.

من خلال وجود العشرات من العوارض تشغيل بالتوازي من خلال نفس الشيء باستخدام ألياف واحدة، بدلاً من شعاع واحد يحمل تيار بيانات واحد فقط، يمكن لأمشاط التردد أن تعمل على تعزيز قدرات مراكز البيانات بشكل كبير.

كان هذا المبدأ نفسه وراء تقنية WDM، أو الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي، تقنية الألياف البصرية الذي يرسل تدفقات بيانات متعددة في وقت واحد عبر ألياف بصرية واحدة عن طريق تعيين طول موجي فريد من الضوء لكل تدفق، مما يزيد بشكل كبير من سعة البيانات و السماح بنطاق ترددي أعلى. ساعدت تقنية WDM في جعل الإنترنت شبكة عالمية عالية السرعة في أواخر التسعينيات.

والآن، يعمل فريق ليبسون على صنع أمشاط عالية الطاقة ومتعددة الأطوال الموجية صغيرة الحجم إلى درجة أنها يمكن أن تتناسب مباشرة مع الشريحة. هذا الإنجاز سوف جعل من الممكن تقديم هذه القدرة في تعود بي الذاكرة فورًا إلى تلك الفطائر… أجزاء من أنظمة الحوسبة الحديثة التي هي صغيرة الحجم ومكلفة.

بهذه الطريقة، يمكن للرقائق تغيير كيفية عمل مراكز البيانات من خلال تبسيط طريقة نقل المعلومات ومعالجتها، التأثير تصميم مراكز بيانات الجيل القادم والعديد من الأجهزة الأخرى التي تعتمد على اتصالات بصرية فعّالة. ويمكن لهذه الرقاقات نفسها أن تُمكّن أيضًا من تطوير أنظمة ليدار متطورة، وأجهزة كمية صغيرة، وساعات بصرية فائقة الدقة، وأجهزة مطياف محمولة.

يتعلق الأمر بتحويل مصادر الضوء المختبرية إلى أجهزة عملية. إذا استطعنا جعلها قوية وفعّالة وصغيرة الحجم بما يكفي، يُمكن وضعها في أي مكان تقريبًا.

- جيل مولينا

مرر للتمرير →

الاستثمار في تقنية الليزر

شركة رائدة عالميًا في مجال تقنيات الفوتونيات والليزر، شركة متماسكة. (COHR ) تنتج ثنائيات الليزر شبه الموصلة والمكونات البصرية عالية الأداء.

بفضل نشاطها الأساسي الذي يدور حول تطوير وتصنيع الحلول القائمة على الفوتونيات، والتي تعد أمراً بالغ الأهمية في عصرنا الحالي من الحوسبة المتقدمة ونقل البيانات، نجحت شركة Coherent في ترسيخ مكانتها كقوة مهيمنة في صناعة الاتصالات البصرية وتتمتع بحصة سوقية قوية. 

وتشمل قطاعاتها الشبكات، التي تستفيد من تكنولوجيا أشباه الموصلات المركبة لتقديم المكونات والأنظمة الفرعية، وتشمل المواد الأجهزة البصرية الإلكترونية مثل تلك القائمة على كربيد السيليكون (SiC)، وأنتيمونيد الغاليوم (GaSb)، وزرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وفوسفيد الإنديوم (InP)، وسيلينيد الزنك (ZnSe)، وكبريتيد الزنك (ZnS)، ويخدم قطاع الليزر العملاء الصناعيين في أشباه الموصلات، والتصنيع الدقيق، والفضاء والدفاع، وغيرها من خلال منتجات الليزر والبصريات.

شركة متماسكة. (COHR )

بفضل مجموعتها الواسعة من المنتجات المبتكرة القائمة على الفوتونيات، تتمكن شركة Coherent من تقديم حلول مخصصة وشاملة لعملائها بالإضافة إلى تلبية احتياجات قابلية التوسع للبنية التحتية للذكاء الاصطناعي.

إن التركيز الاستراتيجي على سوق الذكاء الاصطناعي يضع شركة Coherent في موقع المستفيد الرئيسي المحتمل من النمو المستمر في مجال الذكاء الاصطناعي. هذه تُضاف هذه الخطوة إلى الطلب المتزايد على المكونات البصرية عالية الأداء. ولكن في الوقت نفسه، تواجه الشركة تحدياتٍ ناجمة عن ازدياد المنافسة في قطاعي الذكاء الاصطناعي والاتصالات البصرية.

عندما يتعلق الأمر أداء سوق Coherent، فهو يتمتع بلحظة صعودية، يشبه إلى حد كبير سوق الأوراق المالية على نطاق واسع. ارتفعت أسهم COHR بنسبة 29.16% هذا العام حتى الآن، ويتم تداولها حاليًا عند 123.70 دولارًا، في وقت كتابة هذا التقرير - وهو أعلى مستوى تاريخي جديد (ATH) يضع القيمة السوقية للشركة عند 19.20 مليار دولار.

في شهر أبريل، انخفضت أسهم COHR إلى 50 دولارًا حيث شهد سوق الأسهم تصحيحًاومنذ ذلك الحين ثم ارتفعت أسهم شركة Coherent بنحو 146%. وقبل عامين فقط، كان سعر سهم COHR يُتداول بأقل من 30 دولارًا، مما يُمثل انتعاشًا قويًا.

وبذلك، تحقق الشركة ربحية للسهم الواحد (TTM) قدرها -0.62 ونسبة سعر إلى ربحية (TTM) قدرها -198.72.

أما بالنسبة للوضع المالي لشركة Coherent، فقد أعلنت عن إيرادات قياسية بلغت 1.53 مليار دولار أمريكي للربع الرابع المنتهي في 30 يونيو 2025. وبلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا للمبادئ المحاسبية المقبولة عمومًا خلال الفترة 35.7% وبلغ صافي الخسارة وفقًا للمبادئ المحاسبية المقبولة عمومًا 0.83 دولار أمريكي للسهم المخفف، بينما بلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا للمبادئ المحاسبية غير المقبولة عمومًا 38.1% وبلغ صافي الدخل لكل سهم مخفف 1.00 دولار أمريكي.

في السنة المالية 2025، حققت الشركة إيرادات قياسية بلغت 5.81 مليار دولار أمريكي. وبلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 35.2%، وبلغ صافي الخسارة وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 0.52 دولار أمريكي للسهم المخفف، بينما بلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ المحاسبة غير المقبولة عمومًا 37.9%، وبلغ صافي الدخل للسهم المخفف 3.53 دولار أمريكي.

وفقًا للرئيس التنفيذي جيم أندرسون:

حققنا نتائج مالية قوية في عام 2025، حيث حققنا نموًا في الإيرادات بنسبة 23%، وتوسعًا في ربحية السهم (غير المتوافقة مع مبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا) بنسبة 191%. ونعتقد أننا في وضع جيد لمواصلة تحقيق نمو قوي في الإيرادات والأرباح على المدى الطويل، نظرًا لاعتمادنا على محركات نمو رئيسية، مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.

خلال هذا الربع، بدأت الشركة شحن منتجاتها من أجهزة الإرسال والاستقبال 1.6T، مما يتيح تطبيقات مراكز البيانات ذات الذكاء الاصطناعي عالية الأداء. تم أيضًا تقديم مادة مركبة جديدة من الماس SiC لتبريد متقدم لمراكز البيانات هذه.

علاوة على ذلك، حققت شركة Coherent أول إيرادات لها من Optical Circuit Switch (OCS) وقدمت منصة ليزر إكسيمر كان هذا تحديث لإنتاج شريط الموصل الفائق في درجات حرارة عالية للطاقة الناشئة التكنولوجيا، مثل الاندماج. 

في الأسبوعين الماضيين، أطلقت Coherent العديد من المنتجات الجديدة، بما في ذلك سلسلة كاملة من الدوائر المتكاملة رباعية القنوات التي تسمح بأجهزة إرسال واستقبال بصرية أكثر كفاءة وسرعة للذكاء الاصطناعي والسحابة، وحل QSFP28 Dual Laser 100G ZR الأول في الصناعة لزيادة السعة على البنية التحتية للألياف الحالية، والليزر عالي الطاقة 400 ميغاواط ذو الموجة المستمرة لتلبية المتطلبات الصارمة للتطبيقات البصرية المعبأة والفوتونيات السيليكونية.

مؤخرًا، قامت شركة Coherent باستعراض الجيل التالي من مصفوفات 2D VCSEL والثنائي الضوئي (PD) لتلبية متطلبات حركة البيانات المتزايدة في مراكز البيانات الحديثة.

قبل بضعة أسابيع، دخلت شركة Coherent في تعديلات، والتي تشمل إعادة تمويل التزامات الائتمان المتجددة الحالية وزيادة إجمالي التسهيلات إلى 700 مليون دولار, إلى اتفاقية الائتمان مع بنك جي بي مورجان تشيس (JPM ) والمقرضين الآخرين، وتحسين سيولة الشركة ومرونتها المالية لدعم العمليات والنمو.

خاتمة

جامعة كولومبيا لديها صنع هندسة إنجاز, تبين كيف يمكن للحظات غير المتوقعة في العلوم أن تؤدي إلى أكبر وأفضل الاكتشافات مع قدرة لإعادة تعريف الحقول بأكملها. من خلال تحويل شعاع واحد فوضوي إلى عشرات من قنوات الضوء القوية والمستقرة،لقد وضع الفريق الأساس للجيل القادم من الأنظمة البصرية.

من إحداث ثورة في تقنية LiDAR وتقليص حجم الأجهزة الكمومية لتعزيز قدرة مراكز البيانات المدعومة بالذكاء الاصطناعي، تُمثل هذه التقنية نقلة نوعية في تكامل الفوتونيات. ومع توجه العالم نحو أنظمة اتصالات أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، تُصبح الفوتونات المدمجةيمكن أن تشكل رقائق مشط التردد الأساس للبنية التحتية للحوسبة في المستقبل.

انقر هنا لمعرفة كل شيء عن الاستثمار في الذكاء الاصطناعي.

مراجع حسابات

1. جيل-مولينا، أ.، أنتمان، ي.، ويسترايش، أ.، وآخرون (2025). أمشاط دقيقة عالية الطاقة مُضخَّمة كهربائيًا. مجلة نيتشر فوتونيكس، 19(10)، 873-879. نُشر في 7 أكتوبر/تشرين الأول 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z

نجح باحثون من شركة كولومبيا للهندسة في ابتكار شريحة جديدة يمكنها تحويل الليزر إلى "مشط تردد"، مما يؤدي إلى توليد قنوات ضوء قوية متعددة في نفس الوقت.

باستخدام آلية قفل خاصة، تمكن الباحثون من تنظيف ضوء الليزر الفوضوي وتحقيق دقة عالية على جهاز سيليكون صغيريمكن أن يؤدي هذا الإنجاز إلى تحسين كفاءة مركز البيانات بشكل كبير ودفع الابتكارات في مجال LiDAR والاستشعار وتكنولوجيا الكم.

تقلص دقة المختبر على رقاقة باستخدام الأمشاط الدقيقة 

قام الباحثون بإنشاء جهاز microcomb عالي الطاقة لتحسين تقنية LiDAR (كشف الضوء وتحديد المدى).

ليدار (LiDAR) هي تقنية استشعار عن بُعد تستخدم ضوء الليزر النبضي لحساب المسافات وإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للبيئة. تعمل هذه التقنية كالرادار، لكنها تستخدم الضوء بدلاً من الصوت.

يصدر النظام نبضات ليزر ويقوم بتوقيت عودتها لقياس المسافات الدقيقة بين الأشياء وتتبع الحركة في الوقت الحقيقي.

يتكون من ليزر، ماسح ضوئي، وجهاز استقبال GPS متخصص، تحديد المدى تنتج الأداة "سحابة نقاط" مفصلة من البيانات، والتي يتم استخدامها بعد ذلك لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد لتطبيقات مثل القيادة الذاتية، ومراقبة البيئة، والمسح، وعلم الآثار.

تم اختراع هذه التقنية في ستينيات القرن الماضي، وطُبّقت في البداية في مجال الأرصاد الجوية، واستشعار المحيطات، ورسم الخرائط الطبوغرافية، قبل أن تُوسّع ناسا نطاق استخدامها ليشمل الفضاء. في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، بدأت السيارات التجارية باستخدام تقنية الليدار، ومنذ ذلك الحين، أصبحت تقنية الليدار شائعة الاستخدام في السيارات الكهربائية الفاخرة.

نظرًا لتزايد استخدام تقنية الليدار، دأب الباحثون على تحسينها. وتُدمج العديد من الابتكارات المثيرة في تقنيات الليزر مع البصريات المتقدمة، مما يُتيح مزيدًا من التصغير، ويُبشر بمستقبل واعد لأنظمة الليدار على المدى الطويل.

كان تركيز الباحثين من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا هو إيجاد طريقة لإطلاق العنان لطاقة أعلى ونقاء طيفي من أنظمة الليزر المدمجة لتمكين توليد أمشاط التردد على نطاق الشريحة من أجل تعزيز الاتصالات، والاستشعار، والتحليل الطيفي، والليدار، وغيرها من التطبيقات الفوتونية المتكاملة.

لذلك، قاموا بإنشاء مشط صغير، وهو جهاز فوتوني مصغر ينتج سلسلة من الترددات الضوئية المتباعدة بالتساوي، مثل أسنان المشط على رقاقة.

تتمتع أمشاط التردد المصغرة المتكاملة هذه بالقدرة على تقليل حجم الأنظمة المعقدة المطلوبة تقليديًا لمثل هذه التطبيقات. وبالتالي، فإن الأمشاط الدقيقة المتكاملة واعدة للعديد من التطبيقات التي تتطلب طاقة إنتاج عالية، ومساحة صغيرة، وكفاءة عالية، مثل التحليل الطيفي، والاستشعار، واتصالات البيانات.

مؤخرًا، أثبت باحثون وجود أمشاط دقيقة مُضخَّمة كهربائيًا من خلال دمج رقائق الكسب (عناصر بصرية شبه موصلة) مع مرنانات فائقة الجودة. إلا أن قدرتها البصرية الإجمالية لا تزال أقل بكثير مما تتطلبه الحلول العملية.

هذا القيد له تم تناولها من قبل باحثين من جامعة كولومبيا الذين أظهروا قدرة عالية على ضخ الطاقة الكهربائية باستخدام أمشاط كير ذات التردد العالي. 

من الثنائيات "الفوضوية" إلى الأمشاط الدقيقة النظيفة

ومن المثير للاهتمام أن هذا الاكتشاف كان عرضيا. قبل بضع سنوات، أجرى باحثون في مختبر المؤلف المشارك ميخال ليبسون، يوجين هيجينز أستاذ الهندسة الكهربائية وأستاذ الفيزياء التطبيقية، كنا نعمل على مشروع لتعزيز قدرات LiDAR عندما هم لاحظت شيئا لا يصدق.

كانوا يقومون بتصميم شرائح عالية الطاقة يمكنها توليد أشعة ضوء أكثر سطوعًا، و"عندما أرسلنا المزيد والمزيد من الطاقة عبر الشريحة، لاحظنا أنها كانت تخلق ما نسميه مشط التردد"، كما قال أندريس جيل مولينا، وهو باحث ما بعد الدكتوراه السابق في مختبر ليبسون ومهندس رئيسي حاليًا في شركة إكسكيب فوتونيكس.

مشط التردد هو طيفٌ يتكون من خطوط طيفية منفصلة ومتباعدة بانتظام. هذا يعني أن هذا النوع الخاص من الضوء يحتوي على ألوان مختلفة مصفوفة جنبًا إلى جنب بشكل منظم، كما هو الحال في قوس قزح.

هنا، تتألق عشرات الترددات الضوئية. لكن الفجوات بين هذه الألوان أو الترددات المختلفة تبقى داكنة. لذا، عند النظر إلى هذه الترددات الساطعة المختلفة على مخطط طيفي، فإنها تبدو مثل المسامير أو الأسنان على المشط، ومن هنا جاءت التسمية.

وبما أن الألوان المختلفة للضوء لا تتداخل مع بعضها البعض، فإن كل سن يعمل كقناة خاصة به، مما يوفر فرصة لا تصدق لإرسال عدة تدفقات من البيانات في وقت واحد.

على الرغم من أن إنشاء مشط تردد قوي مفيد للغاية، إلا أنه يتطلب أجهزة ليزر ومكبرات صوت كبيرة ومكلفة. 

نشرت في طبيعة الضوئيات¹، وتوضح الورقة بالتفصيل كيف يمكن فعل نفس الشيء على شريحة واحدة. 

تعتمد التقنية التي طورناها على ليزر قوي للغاية وتحويله إلى عشرات القنوات النظيفة عالية الطاقة على شريحة. هذا يعني أنه يمكنك استبدال رفوف الليزر الفردية بجهاز واحد صغير الحجم، مما يقلل التكلفة ويوفر المساحة، ويفتح الباب أمام أنظمة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

– جيل مولينا

لا يمكن لهذا البحث أن يلبي الطلب الهائل الذي أحدثته مراكز البيانات على مصادر ضوء قوية وفعالة تحتوي على العديد من الأطوال الموجية فحسب، بل إنه يمثل أيضًا علامة فارقة في مهمة الفريق لتطوير فوتونيات السيليكون.

معروف بقدرته على نقل البيانات بشكل أسرع بكثير بينما تستهلك طاقة أقل وتولد حرارة أقل من التقليدية الدوائر الإلكترونية، والفوتونيات السيليكونية وجدت تطبيقات في مراكز البيانات عالية السرعة، والذكاء الاصطناعي، والليدار، وتقنيات الكم، وإنترنت الأشياء، وشبكات الجيل الخامس.

تدمج فوتونيات السيليكون المكونات القائمة على الضوء على شريحة سيليكون باستخدام عمليات تصنيع CMOS القياسية لإنشاء دوائر متكاملة فوتونية (PICs). وتستخدم هذه التقنية رقائق السيليكون العازل (SOI) كمنصة أشباه موصلات لتشكيل أدلة موجية ومكونات أخرى توجه الضوء لتحقيق اتصالات أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، وأجهزة أصغر حجمًا وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

"ونظرًا لأن هذه التكنولوجيا أصبحت ذات أهمية مركزية بشكل متزايد للبنية التحتية الحيوية وحياتنا اليومية، فإن هذا النوع من التقدم ضروري لضمان أن تكون مراكز البيانات فعالة قدر الإمكان."

– ليبسون

كيف يعمل قفل الحقن الذاتي على تنظيف الضوء ومضاعفته

ما هو أقوى ليزر يُمكن وضعه على شريحة؟ هذا السؤال قاد الباحثين إلى هذا الاكتشاف.

اختار فريق جامعة كولومبيا ثنائي ليزر متعدد الأوضاع. ثنائي الليزر (LD) هو جهاز شبه موصل يُنتج ضوءًا أحادي اللون عند طول موجي محدد. تُوفر ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع، أو ليزرات المساحة الواسعة (BALs)، مخرجات طاقة أعلى، وهي مثالية عند الحاجة إلى طاقة بصرية عالية وجودة شعاع أقل أهمية.

تنتج هذه الأجهزة شعاعًا أوسع، مما يقلل من جودة الشعاع لكنها تزيد من كثافة الطاقة. تُستخدم ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع على نطاق واسع في تطبيقات مثل الأجهزة الطبية والطباعة والتصوير وأدوات القطع بالليزر. 

على الرغم من إنتاج كميات هائلة من الضوء، فإن شعاع هذه الليزر يكون "فوضويًا"، مما يجعل من الصعب الاستفادة منها في التطبيقات الدقيقة. 

دمج ثنائي ليزر متعدد الأوضاع في شريحة فوتونيات السيليكون، حيث تكون مسارات الضوء فقط بقدر ما هو واسع بضعة ميكرومترات (μm) أو حتى مئات النانومترات (nm), لكن، يتطلب هندسة دقيقة.

ولتنقية هذا المصدر القوي والصاخب للضوء، استخدم الفريق آلية قفل.

تم استخدام قفل الحقن الذاتي في النظام غير الخطي لتوليد أمشاط عالية الطاقة على الشريحة وتنقية تماسك مصدر المضخة في نفس الوقت.

قفل الحقن هو تأثير التردد الذي يمكن أن يحدث عندما يتم إزعاج المذبذب بواسطة مذبذب ثان يعمل بتردد قريب. عندما تكون الترددات قريبة بما فيه الكفاية والاقتران قوييمكن للمذبذب الثاني التقاط المذبذب الأول، مما يجعله له نفس تردد المذبذب الثاني بشكل أساسي.

يتم تطبيق هذه التقنية في المقام الأول على مصادر الليزر ذات التردد الواحد ذات الموجة المستمرة (CW) عندما يكون هناك حاجة إلى خرج عالي الطاقة، الجمع مع ضوضاء ذات كثافة منخفضة للغاية وضوضاء الطور.

إنها تعتمد على فوتونيات السيليكون لإعادة تشكيل وتنظيف مخرجات الليزر، مما يؤدي إلى إنشاء شعاع أكثر استقرارًا ونظافة، من اتصل تماسك عالي. بمجرد تنقية الضوء، تتولى الخصائص البصرية غير الخطية للشريحة زمام الأمور، مما يؤدي إلى تقسيم الشعاع القوي الفردي إلى عشرات الألوان التي متباعدة بالتساوي، وهي السمة الأساسية لمشط التردد.

يجمع مصدر الضوء المدمج وعالي الكفاءة الناتج بين الطاقة الخام لليزر الصناعي مع الاستقرار والدقة المطلوبين للاتصالات والاستشعار المتقدم.

تم دمج المصدر منخفض التماسك مع طاقة خرج عالية ومرنانات حلقات نتريد السيليكون. الرنانات مصممة مع تشتت سرعة المجموعة الطبيعية، مما يعني أن السرعة تنخفض مع زيادة التردد البصري. هذه تحدث عندما تنتقل الأطوال الموجية للضوء الأطول بشكل أسرع من الأطوال الموجية الأقصر في وسط ما، مما يؤدي إلى انتشار النبضات الضوئية بمرور الوقت.

حققت الأمشاط الدقيقة التي أنشأها الفريق مستويات طاقة إجمالية على الشريحة تصل إلى 158 ميلي واط. في المقابل، بلغ عرض خطوط الأمشاط 200 كيلوهرتز. الباحثون أيضا أظهرت أكثر من ضعف عدد خطوط المشط متجاوزا 100 ميكروواط وترتيب من حيث الحجم أعلى مستويات الطاقة على الشريحة أعلى من أي نتائج تم الإبلاغ عنها سابقًا.

وقال الباحثون:

"يتمتع مصدرنا الجديد للميكروكومب المضخوخ كهربائيًا بالحجم والقوة وعرض الخط المطلوب لاتصالات البيانات، ويمكن أن يؤثر بقوة على مجالات أخرى مثل الحوسبة عالية الأداء والأجهزة الشاملة لاستشعار الطيف وتطبيقات تحديد الوقت." 

ويأتي هذا الاختراق في وقت طفرة الذكاء الاصطناعي يتسبب في زيادة هائلة في الطلب على سعة مركز البيانات. هذه يُسبب ضغطًا على بنيتها التحتية، ويواجه صعوبة في نقل المعلومات بسرعة. ونتيجةً لذلك، تُنشئ الشركات بنيةً تحتيةً متخصصةً في الذكاء الاصطناعي لتلبية المتطلبات الحسابية الهائلة لتدريب وتشغيل نماذج الذكاء الاصطناعي الكبيرة. 

بالفعل الألياف الروابط البصرية هي جاري الاستفادة تستخدم مراكز البيانات المتقدمة لنقل البيانات، ولكنها تعتمد أيضًا على الليزر أحادي الطول الموجي.

من خلال وجود العشرات من العوارض تشغيل بالتوازي من خلال نفس الشيء باستخدام ألياف واحدة، بدلاً من شعاع واحد يحمل تيار بيانات واحد فقط، يمكن لأمشاط التردد أن تعمل على تعزيز قدرات مراكز البيانات بشكل كبير.

كان هذا المبدأ نفسه وراء تقنية WDM، أو الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي، تقنية الألياف البصرية الذي يرسل تدفقات بيانات متعددة في وقت واحد عبر ألياف بصرية واحدة عن طريق تعيين طول موجي فريد من الضوء لكل تدفق، مما يزيد بشكل كبير من سعة البيانات و السماح بنطاق ترددي أعلى. ساعدت تقنية WDM في جعل الإنترنت شبكة عالمية عالية السرعة في أواخر التسعينيات.

والآن، يعمل فريق ليبسون على صنع أمشاط عالية الطاقة ومتعددة الأطوال الموجية صغيرة الحجم إلى درجة أنها يمكن أن تتناسب مباشرة مع الشريحة. هذا الإنجاز سوف جعل من الممكن تقديم هذه القدرة في تعود بي الذاكرة فورًا إلى تلك الفطائر… أجزاء من أنظمة الحوسبة الحديثة التي هي صغيرة الحجم ومكلفة.

بهذه الطريقة، يمكن للرقائق تغيير كيفية عمل مراكز البيانات من خلال تبسيط طريقة نقل المعلومات ومعالجتها، التأثير تصميم مراكز بيانات الجيل القادم والعديد من الأجهزة الأخرى التي تعتمد على اتصالات بصرية فعّالة. ويمكن لهذه الرقاقات نفسها أن تُمكّن أيضًا من تطوير أنظمة ليدار متطورة، وأجهزة كمية صغيرة، وساعات بصرية فائقة الدقة، وأجهزة مطياف محمولة.

يتعلق الأمر بتحويل مصادر الضوء المختبرية إلى أجهزة عملية. إذا استطعنا جعلها قوية وفعّالة وصغيرة الحجم بما يكفي، يُمكن وضعها في أي مكان تقريبًا.

- جيل مولينا

مرر للتمرير →

الاستثمار في تقنية الليزر

شركة رائدة عالميًا في مجال تقنيات الفوتونيات والليزر، شركة متماسكة. (COHR ) تنتج ثنائيات الليزر شبه الموصلة والمكونات البصرية عالية الأداء.

بفضل نشاطها الأساسي الذي يدور حول تطوير وتصنيع الحلول القائمة على الفوتونيات، والتي تعد أمراً بالغ الأهمية في عصرنا الحالي من الحوسبة المتقدمة ونقل البيانات، نجحت شركة Coherent في ترسيخ مكانتها كقوة مهيمنة في صناعة الاتصالات البصرية وتتمتع بحصة سوقية قوية. 

وتشمل قطاعاتها الشبكات، التي تستفيد من تكنولوجيا أشباه الموصلات المركبة لتقديم المكونات والأنظمة الفرعية، وتشمل المواد الأجهزة البصرية الإلكترونية مثل تلك القائمة على كربيد السيليكون (SiC)، وأنتيمونيد الغاليوم (GaSb)، وزرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وفوسفيد الإنديوم (InP)، وسيلينيد الزنك (ZnSe)، وكبريتيد الزنك (ZnS)، ويخدم قطاع الليزر العملاء الصناعيين في أشباه الموصلات، والتصنيع الدقيق، والفضاء والدفاع، وغيرها من خلال منتجات الليزر والبصريات.

شركة متماسكة. (COHR )

بفضل مجموعتها الواسعة من المنتجات المبتكرة القائمة على الفوتونيات، تتمكن شركة Coherent من تقديم حلول مخصصة وشاملة لعملائها بالإضافة إلى تلبية احتياجات قابلية التوسع للبنية التحتية للذكاء الاصطناعي.

إن التركيز الاستراتيجي على سوق الذكاء الاصطناعي يضع شركة Coherent في موقع المستفيد الرئيسي المحتمل من النمو المستمر في مجال الذكاء الاصطناعي. هذه تُضاف هذه الخطوة إلى الطلب المتزايد على المكونات البصرية عالية الأداء. ولكن في الوقت نفسه، تواجه الشركة تحدياتٍ ناجمة عن ازدياد المنافسة في قطاعي الذكاء الاصطناعي والاتصالات البصرية.

عندما يتعلق الأمر أداء سوق Coherent، فهو يتمتع بلحظة صعودية، يشبه إلى حد كبير سوق الأوراق المالية على نطاق واسع. ارتفعت أسهم COHR بنسبة 29.16% هذا العام حتى الآن، ويتم تداولها حاليًا عند 123.70 دولارًا، في وقت كتابة هذا التقرير - وهو أعلى مستوى تاريخي جديد (ATH) يضع القيمة السوقية للشركة عند 19.20 مليار دولار.

في شهر أبريل، انخفضت أسهم COHR إلى 50 دولارًا حيث شهد سوق الأسهم تصحيحًاومنذ ذلك الحين ثم ارتفعت أسهم شركة Coherent بنحو 146%. وقبل عامين فقط، كان سعر سهم COHR يُتداول بأقل من 30 دولارًا، مما يُمثل انتعاشًا قويًا.

وبذلك، تحقق الشركة ربحية للسهم الواحد (TTM) قدرها -0.62 ونسبة سعر إلى ربحية (TTM) قدرها -198.72.

أما بالنسبة للوضع المالي لشركة Coherent، فقد أعلنت عن إيرادات قياسية بلغت 1.53 مليار دولار أمريكي للربع الرابع المنتهي في 30 يونيو 2025. وبلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا للمبادئ المحاسبية المقبولة عمومًا خلال الفترة 35.7% وبلغ صافي الخسارة وفقًا للمبادئ المحاسبية المقبولة عمومًا 0.83 دولار أمريكي للسهم المخفف، بينما بلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا للمبادئ المحاسبية غير المقبولة عمومًا 38.1% وبلغ صافي الدخل لكل سهم مخفف 1.00 دولار أمريكي.

في السنة المالية 2025، حققت الشركة إيرادات قياسية بلغت 5.81 مليار دولار أمريكي. وبلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 35.2%، وبلغ صافي الخسارة وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 0.52 دولار أمريكي للسهم المخفف، بينما بلغ هامش الربح الإجمالي وفقًا لمبادئ المحاسبة غير المقبولة عمومًا 37.9%، وبلغ صافي الدخل للسهم المخفف 3.53 دولار أمريكي.

وفقًا للرئيس التنفيذي جيم أندرسون:

حققنا نتائج مالية قوية في عام 2025، حيث حققنا نموًا في الإيرادات بنسبة 23%، وتوسعًا في ربحية السهم (غير المتوافقة مع مبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا) بنسبة 191%. ونعتقد أننا في وضع جيد لمواصلة تحقيق نمو قوي في الإيرادات والأرباح على المدى الطويل، نظرًا لاعتمادنا على محركات نمو رئيسية، مثل مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.

خلال هذا الربع، بدأت الشركة شحن منتجاتها من أجهزة الإرسال والاستقبال 1.6T، مما يتيح تطبيقات مراكز البيانات ذات الذكاء الاصطناعي عالية الأداء. تم أيضًا تقديم مادة مركبة جديدة من الماس SiC لتبريد متقدم لمراكز البيانات هذه.

علاوة على ذلك، حققت شركة Coherent أول إيرادات لها من Optical Circuit Switch (OCS) وقدمت منصة ليزر الإكسمر التي كان تحديث لإنتاج شريط الموصل الفائق في درجات حرارة عالية للطاقة الناشئة التكنولوجيا، مثل الاندماج. 

في الأسبوعين الماضيين، أطلقت Coherent العديد من المنتجات الجديدة، بما في ذلك سلسلة كاملة من الدوائر المتكاملة رباعية القنوات التي تسمح بأجهزة إرسال واستقبال بصرية أكثر كفاءة وسرعة للذكاء الاصطناعي والسحابة، وحل QSFP28 Dual Laser 100G ZR الأول في الصناعة لزيادة السعة على البنية التحتية للألياف الحالية، والليزر عالي الطاقة 400 ميغاواط ذو الموجة المستمرة لتلبية المتطلبات الصارمة للتطبيقات البصرية المعبأة والفوتونيات السيليكونية.

مؤخرًا، قامت شركة Coherent باستعراض الجيل التالي من مصفوفات 2D VCSEL والثنائي الضوئي (PD) لتلبية متطلبات حركة البيانات المتزايدة في مراكز البيانات الحديثة.

قبل بضعة أسابيع، دخلت شركة Coherent في تعديلات، والتي تشمل إعادة تمويل التزامات الائتمان المتجددة الحالية وزيادة إجمالي التسهيلات إلى 700 مليون دولار, إلى اتفاقية الائتمان مع بنك جي بي مورجان تشيس (JPM ) والمقرضين الآخرين، وتحسين سيولة الشركة ومرونتها المالية لدعم العمليات والنمو.

خاتمة

جامعة كولومبيا لديها صنع هندسة إنجاز, تبين كيف يمكن للحظات غير المتوقعة في العلوم أن تؤدي إلى أكبر وأفضل الاكتشافات مع قدرة لإعادة تعريف الحقول بأكملها. من خلال تحويل شعاع واحد فوضوي إلى عشرات من قنوات الضوء القوية والمستقرة،لقد وضع الفريق الأساس للجيل القادم من الأنظمة البصرية.

من إحداث ثورة في تقنية LiDAR وتقليص حجم الأجهزة الكمومية لتعزيز قدرة مراكز البيانات المدعومة بالذكاء الاصطناعي، تُمثل هذه التقنية نقلة نوعية في تكامل الفوتونيات. ومع توجه العالم نحو أنظمة اتصالات أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، تُصبح الفوتونات المدمجةيمكن أن تشكل رقائق مشط التردد الأساس للبنية التحتية للحوسبة في المستقبل.

انقر هنا لمعرفة كل شيء عن الاستثمار في الذكاء الاصطناعي.

مراجع حسابات

1. جيل-مولينا، أ.، أنتمان، ي.، ويسترايش، أ.، وآخرون (2025). أمشاط دقيقة عالية الطاقة مُضخَّمة كهربائيًا. مجلة نيتشر فوتونيكس، 19(10)، 873-879. نُشر في 7 أكتوبر/تشرين الأول 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z