مشط التردد الضوئي (الليزر)؛ هل هو مستقبل الاتصالات اللاسلكية؟

كشف الباحثون عن ظاهرة جديدة لأمواج التردد الليزري المتسلسلة الكمومية، والتي من شأنها أن تسمح للأجهزة بالعمل كمُرسلات أو مستقبلِات متكاملة على نحوٍ يمكنها من ترميز المعلومات بكفاءة، وتعتمدُ هذه الظاهرة  على أشعة ضوئية تنتمي لفئة أشباه النواقل، وتنبعث من الأجزاء الوسطى والعليا للأشعة تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي، وتنتشر عن طريق انتقالات بين النطاقات الفرعيّة على هيئة مجموعات مكدَّسة مكررة من هذه الأشعة مضروبةً بالقيم الموجودة في مجال الطاقة الدنيا في الواجهة الفاصلة بين طبقات أو مناطق بلورات أشباه النواقل، وبهذه الطريقة تختلف عن شبيهاتها من أشباه النواقل، فضلًا عن أنها أحادية القطب، وعندما تعمل كأمشاط من الترددات -على هذا النحو-؛ فإنها تعمل تحت الضخ الكهربائي المباشر في كل من ترددات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة و التيراهيرتز.

جعل ارتفاع تدفّق البيانات من شبكات الخلوي والواي فاي Wi Fi من البحث عن طريقة لزيادة سعة الاتصالات اللاسلكية أمرًا ضروريّ؛ فيمنع -مستقبَلًا- حدوث أيّ اختناق غير مقبول في تدفق البيانات.

وفي حين يعتمد الجميع على شبكات الجيل الخامس لتكون الحل؛ لكنّها -للأسف- ليست إلا حلا مؤقتَا للمشكلة، ولذلك قد ركز الباحثون في الآونة الأخيرة على ترددات التيراهيرتز؛ الموجات ذات الأطوال دون الميليمترية في الطيف الكهرومغناطيسي، وفي هذه الحالة؛ قد نتمكن بالفعل من زيادة قدرة تداول البيانات مائة مرة عن المستخدَم حاليًّا في شبكات الاتصال اللاسلكية.

وفي عام 2017؛ اكتشفت مجموعة من العلماء من جامعة (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science) اكتشافًا جديدًا؛ ينص على أنّ أمشاط الترددات في نطاق الأشعة تحت الحمراء لأمواج التردد الليزري المتسلسلة الكمومية قد يوفر طريقة جديدة لخلق ترددات التيراهيرتز، وكشف الباحثون مؤخرًا عن ظاهرة جديدة من التتالي الكمي لأمشاط التردد الضوئي، والتي من شأنها السّماح للأجهزة بالعمل كمُرسِلات أو مستقبلات متكاملة على نحوٍ يمكنها من ترميز المعلومات بكفاءة.

ولقد نُشِر البحث بالفعل في المجلة العلمية Optica، وعقّب عليه فيديريكو كاباسو؛ أستاذ علم الفيزياء التطبيقي في  Robert L. Wallace ومن كبار الزملاء الباحثين في Vinton Hayes في مجال الهندسة الكهربائية وكبير مؤلفي البحث: "يمثل هذا العمل تحولًا كاملًا في الطريقة التي يمكن تشغيل الليزر بها".

وذكر أيضا: "تحول هذه الظاهرة الجديدة (الليزر؛ جهاز يعمل بترددات ضوئية) إلى معدل إشارات متطور لتصل التغيرات في الترددات لحدود موجات الميكروويف، والتي لها أهمية تكنولوجية في الاستخدام الفعال لعرض النطاق الترددي في أنظمة الاتصالات."

تستخدم أمشاط التردد على نطاق واسع وفي أدوات لقياس الترددات المختلفة وكشفها على نحوٍ عالي الدقة  - مثل الألوان - للضوء، وعلى عكس الليزر التقليدي -الذي يصدر ترددًا واحدًا-؛ تُصدر هذه الأنواع من الليزر ترددات متعددة في وقت واحد، ومتباعدة بالتساوي فتشبه أسنان المشط، واليوم؛ تُستخدم أمشاط التردد الضوئي في كل شيء؛ ابتداءً بقياس بصمات جزيئات محددة، وانتهاءً بكشف الكواكب البعيدة.

على أية حال؛لم يكن البحث مهتما حقًّا بالإخراج الضوئي بأشعة الليزر؛ إذ قال ماركو بيكاردو؛ زميل ما بعد الدكتوراة في الأكاديمية وأوّل مؤلف للبحث الذي نُشِرْ: "كنا مهتمين بما يحدث داخل الليزر في البنية الهيكلية للإلكترون الليزري"، "أظهرنا و للمرّة الأولى بأن الليزر يعمل في الأطوال الموجية الضوئية كجهاز الميكروويف."

وداخل الليزر؛ تتصادم الترددات المختلفة للضوء معًا لتوليد إشعاع الميكروويف؛ إذ اكتشف الباحثون أن الضوء داخل تجويف الليزر يتسبب في تأرجح الإلكترونات عند ترددات الميكروويف - التي تقع ضمن طيف الاتصالات، ويمكن توليد هذه التذبذبات خارجيًّا كي تُرمّز المعلومات على إشارة حاملة (Carrier Signal).

وقال بيكاردو أيضا: " لم تظهر هذه الوظيفة في الليزر من قبل أبدًا"، "لقد أظهرنا أن الليزر يمكن أن يعمل بما يدعى التعديل الرباعي؛ ممّا يسمح بإرسال مجموعتين من المعلومات على نحوٍ متزامن عبر قناة أحاديّةِ التردد وتُسترجُ في الطرف الآخر من وصلة الاتصال على التتالي."

وقال كاباسو: "حاليًّاح تعاني مصادر ذات ترددات التيراهيرتز من قيود خطيرة بسبب محدودية عرض النطاق الترددي."، "يفتح هذا الاكتشاف مظهرًا جديدًا تمامًا لأمشاط التردد، وقد يؤدي في المستقبل القريب إلى مصدر لترددات التيراهيرتز للاتصالات اللاسلكية".

شارك في تأليف هذا البحث ديمتري كازاكوف (هارفارد) ونوح روبين (هارفارد) وبول شوفالييه (هارفارد)  ويونغروي وانغ (تكساس إيه أند إم) وفنغ شيه (ثورلاب) وكيفن لاسكولا (ثورلابس) وأليكسي بيلينين (تكساس إيه أند إم). وأُيِّد البحث من قبل مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة والمؤسسة الوطنية للعلوم..

المصادر:

1- هنا

2- هنا

3-Faist, Jerome; Federico Capasso; Deborah L. Sivco; Carlo Sirtori; Albert L. Hutchinson; Alfred Y. Cho (April 1994). "Quantum Cascade Laser" (abstract). Science. 264 (5158): 553–556. Bibcode:1994Sci...264..553F. doi:10.1126/science.264.5158.553. PMID 17732739. Retrieved 2007-02-18.

4-  Kazarinov, R.F; Suris, R.A. (April 1971). "Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice". Fizika I Tekhnika Poluprovodnikov. 5 (4): 797–800.