فريق بحثي من جامعة سيول الوطنية يطور شريحة فوتونية قابلة للبرمجة للتحكم في سرعة الضوء

أخبار ar.wedoany.com، طور فريق بحثي من كلية الهندسة بجامعة سيول الوطنية شريحة فوتونية متكاملة قابلة للبرمجة تتيح التحكم في سرعة الضوء حسب الطلب، مما يوفر مسارًا جديدًا لمعالجة تحدي "التخزين المؤقت للضوء" في مجال الحوسبة الضوئية.

قاد الفريق البروفيسور نامكيو بارك والبروفيسور سونكيو يو من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات بجامعة سيول الوطنية، بالتعاون مع البروفيسور شيانجي بياو من القسم نفسه، ونشروا نتائج هذا العمل في مجلة "Advanced Science". يهدف البحث إلى مواجهة الطلب المتزايد على القدرة الحاسوبية الناتج عن تطور الذكاء الاصطناعي التوليدي والنماذج الكبيرة، بالإضافة إلى القيود التي تواجهها أشباه الموصلات الإلكترونية التقليدية من حيث استهلاك الطاقة ومعدلات نقل البيانات. ونظرًا لثبات سرعة الضوء، فإن كيفية تحقيق التخزين المؤقت للإشارات الضوئية على الشريحة تمثل تحديًا أساسيًا طويل الأمد لتقنيات الحوسبة الضوئية.

اقترح الفريق تصميم شريحة فوتونية متكاملة قابلة للبرمجة تتيح التحكم بحرية في سرعة انتشار الإشارات الضوئية وشكل الموجة. وبناءً على هذا التصميم، تمكن الفريق من تحقيق تحكم في "الضوء البطيء" بدرجة حرية أعلى مقارنة بالحلول الحالية.

في الأجهزة التقليدية القائمة على الشفافية المستحثة بواسطة الرنانات المقترنة (CRIT)، تكون خصائص التشغيل ثابتة بعد التصنيع، ولا يمكن إعادة تهيئتها لتحقيق تأخيرات زمنية مختلفة أو نطاقات ترددية تشغيلية مختلفة. لتجاوز هذا القيد، قام الفريق البحثي بتوحيد النمط الساطع والنمط المظلم في نظام CRIT في درجة حرية واحدة قابلة للتحكم، وأدخل مجموعتين من المقارنات الحلقية القابلة للتحكم، مما أسس معايير تصميم جديدة للشريحة الفوتونية المتكاملة القابلة للبرمجة. من خلال هذا الهيكل، تمكن الفريق من تحقيق التحكم في تأخير المسار الضوئي حسب الطلب، وأثبت أن تأثير التداخل بين النمط الساطع والنمط المظلم يمكن استخدامه كمعامل تصميم متكامل موحد، مما يزيد بشكل كبير من درجة حرية التصميم.

أكد الفريق البحثي أنه بمساعدة المقارنات الحلقية المزدوجة، يمكن التحكم نظريًا وبشكل مستقل في عرض النطاق الترددي، وشكل الموجة، وخصائص التأخير والنفاذية للإشارة. كما أظهرت نتائج المحاكاة العددية أن الشريحة يمكنها تعديل سرعة انتشار النبضات الضوئية ديناميكيًا في الوقت الفعلي أثناء التشغيل، والتحكم بحرية في تأخير الإشارة الضوئية دون التضحية بأداء معالجة الإشارة، وإجراء تحويل للطيف الضوئي. تحقق الفريق أيضًا من خلال محاكاة كهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد من إمكانية تصنيع جهاز CRIT هذا على منصة شريحة فوتونية متكاملة من نيتريد السيليكون (Si₃N₄)، وأنه قادر على العمل بشكل مستقر حتى بعد الأخذ في الاعتبار عوامل التداخل العملية مثل فقدان المواد، وانحراف عامل الجودة للرنان، والتشتت الخلفي، وتقلبات معامل الاقتران، وأخطاء الطور في المقارنات الحلقية، والتداخل الحراري.

تدمج منصة الشريحة الفوتونية المتكاملة القابلة للبرمجة التي تم تطويرها في هذه الدراسة الوظائف الأساسية مثل مزامنة التوقيت الزمني للإشارات، وخطوط التأخير المتغيرة، والتخزين المؤقت للضوء، وتحويل الطيف في بنية شريحة واحدة. لا يقتصر نهج التصميم هذا على نظام CRIT، بل يمكن توسيعه ليشمل جميع الدوائر الفوتونية القائمة على الرنانات، مما يجعله مرشحًا ليكون تقنية أساسية من الجيل التالي لمعالجة الإشارات الضوئية التي تتيح التحكم المرن في نقل الضوء. في حال تسويق هذه الشريحة، فمن المتوقع أن تقلل من استهلاك الطاقة في مراكز البيانات وخوادم الذكاء الاصطناعي، وتعزز كفاءة معالجة البيانات.

صرح البروفيسور نامكيو بارك، المؤلف المشارك للمراسلة في الورقة البحثية، أن الفريق سيواصل توسيع نطاق هذا النهج ليشمل الشرائح الفوتونية المتكاملة القابلة للبرمجة واسعة النطاق، بالاعتماد على تقنيات السيليكون فوتونيك والذكاء الاصطناعي الفوتوني. وأضاف الدكتور سيونغكيون بارك، المؤلف الأول المشارك، وطالب الدكتوراه بيومجون تشاي، أن هذه الدراسة جعلتهم يدركون أن إعادة تفسير الآليات الفيزيائية التقليدية للرنانات الضوئية من منظور مختلف يمكن أن يكشف عن وظائف جديدة للشرائح الفوتونية المتكاملة، وسيعملون في مرحلة لاحقة على تصنيع الأجهزة الفعلية والتحقق التجريبي منها.