مضخم ليزري جديد يحدث طفرة في الإنترنت والطب: سرعة نقل بيانات أعلى بـ10 مرات

طوّر علماء فيزيائيون نوعا جديدا من مضخمات الليزر قادرا على نقل البيانات بسرعة تعادل عشرة أضعاف الأنظمة الحالية المعتمدة على الألياف الضوئية، وهو إنجاز قد يُحدث تحولا جذريا في سرعة الإنترنت وتطبيقات التشخيص والعلاج الطبي.
تُستخدم مضخمات الليزر عادةً لزيادة كثافة حزم الضوء، أما هذا المضخم الثوري، فحقق هذه الزيادة الهائلة في السرعة من خلال توسيع نطاق الأطوال الموجية أو النطاق الترددي (Bandwidth) الذي يمكن عبره نقل المعلومات.
- تدفق البيانات يزداد باستمرار ... والتقنية تواجه التحدي.
مع التوسع الكبير في استخدام خدمات البث الذكية والأجهزة المتصلة والذكاء الاصطناعي التوليدي، توقعت شركة نوكيا في تقريرها العالمي لحركة مرور الشبكات أن يتضاعف حجم البيانات المنقولة بحلول عام 2030. وبسبب هذه الزيادة الهائلة، أصبحت الحاجة إلى تقنيات نقل بيانات أكثر كفاءة أمرا ملحّا.
تعتمد الأنظمة الحالية على إرسال نبضات ضوئية عبر ألياف زجاجية دقيقة، وتحدد سعة هذه الأنظمة – أي كمية البيانات المنقولة – بواسطة عرض النطاق الترددي للمضخمات المستخدمة، وهنا يأتي دور الابتكار الجديد.
- كيف تعمل مضخمات الليزر؟ ولماذا هذا الابتكار مختلف؟
تعتمد المضخمات التقليدية على ظاهرة "الانبعاث المستحث"، حيث يؤدي فوتون وارد إلى تحفيز إصدار فوتون آخر بالطاقة والاتجاه نفسه، ما يزيد من قوة الإشارة.
أما المضخم الجديد فيعتمد على تقنية "التضخيم البصري عالي الكفاءة"، والتي نُشرت تفاصيلها في مجلة Nature بتاريخ 9 أبريل.
قال البروفيسور بيتر أندريكسون، أستاذ الفوتونيات في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا بالسويد: "تتمتع المضخمات الحالية المستخدمة في الاتصالات البصرية بعرض نطاق يبلغ نحو 30 نانومترا، بينما يحقق مضخمنا عرض نطاق يبلغ 300 نانومتر، ما يسمح بنقل بيانات أكثر بعشر مرات في الثانية الواحدة."
- هندسة دقيقة: مضخم صغير بمزايا هائلة
تم تصنيع المضخم من مادة نتريد السيليكون، وهي مادة سيراميكية صلبة مقاومة للحرارة. ويتميز التصميم باستخدام موجّهات حلزونية الشكل تعمل على توجيه نبضات الليزر بكفاءة عالية، ما يُسهم في تنقية الإشارة من التشويش أو الشذوذات.
وقد تم تصغير حجم هذه التقنية بحيث يمكن دمج عدة مضخمات على رقاقة إلكترونية واحدة، مما يفتح الباب أمام ابتكارات بصرية محمولة وعالية الأداء.
- لماذا الموجّهات الحلزونية؟
اختار الباحثون التصميم الحلزوني للموجّهات لأنه يسمح بإنشاء مسارات ضوئية أطول ضمن مساحة صغيرة، مما يُعزّز ظواهر مفيدة مثل المزج الموجي الرباعي، هذه الظاهرة تحدث عند تفاعل ترددين بصريين أو أكثر، ما يؤدي إلى تضخيم الإشارة مع تقليل الضوضاء أو التشويش الخارجي.
رغم أن سرعة الضوء لا تتغير، فإن القدرة على نقل بيانات أكثر في الوقت ذاته تُحقق زيادة فعّالة في الكفاءة.
- نطاق واسع للترددات ... وإمكانات متعددة للتطبيق
يعمل المضخم الجديد ضمن نطاق الأطوال الموجية بين 1400 و1700 نانومتر، وهو ما يُعرف بالمدى تحت الأحمر قصير الموجة. ويعتزم الباحثون اختبار التقنية في نطاقات أخرى، تشمل الضوء المرئي (400 إلى 700 نانومتر) والأشعة تحت الحمراء الأوسع (2000 إلى 4000 نانومتر).
هذا الاتساع في نطاق الترددات يفتح الباب أمام تطبيقات متنوعة منها:
التصوير الطبي
الهولوجرافيا (التصوير التجسيمي)
التحليل الطيفي
المجهر الضوئي
- مستقبل الليزر في الطب والتكنولوجيا
قال أندريكسون إن تعديلات بسيطة على التصميم ستسمح بتضخيم الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء أيضا، ما يتيح استخدام المضخم في أنظمة الليزر الخاصة بالتشخيص والعلاج الطبي.
وأضاف: "إن عرض النطاق الكبير يتيح تحليلات وتصويرًا أكثر دقة للأنسجة والأعضاء، ما يُسهّل الاكتشاف المبكر للأمراض."
تمثل هذه التقنية إنجازا فريدا في مجال الاتصالات البصرية والتكنولوجيا الطبية. فبفضل مضخم الليزر الجديد، يمكننا تصور مستقبل يُنقل فيه الإنترنت بسرعة تفوق ما نعرفه اليوم بعشر مرات، وتتطور فيه تقنيات التشخيص الطبي إلى مستويات غير مسبوقة من الدقة والسرعة.

المصدر:   interestingengineering