تمكن نوع جديد من أجهزة مضاعفة ترددات التيراهيرتز من مضاعفة سعة البيانات وتعزيز اتصالات الجيل السادس بشكل كبير مع نطاق ترددي غير مسبوق وفقدان منخفض للبيانات.
قدّم باحثون مُضاعِف تيراهرتز فائق الاتساع، يُضاعِف سعة البيانات ويُحدث نقلة نوعية في تقنية الجيل السادس وما بعدها. (مصدر الصورة: جيتي إيماجز)
يعد الجيل القادم من الاتصالات اللاسلكية، والذي تمثله تقنية التيراهيرتز، بإحداث ثورة في نقل البيانات.
تعمل هذه الأنظمة بترددات تيراهرتز، مما يوفر نطاقًا تردديًا لا مثيل له لنقل البيانات والاتصالات بسرعة فائقة. ومع ذلك، لتحقيق هذه الإمكانات على أكمل وجه، لا بد من التغلب على تحديات تقنية كبيرة، لا سيما في إدارة الطيف الترددي المتاح والاستفادة منه بفعالية.
وقد واجه التقدم الرائد هذا التحدي: أول جهاز متعدد الإرسال لاستقطاب التيراهيرتز المتكامل ذو النطاق العريض للغاية والذي تم تنفيذه على منصة سيليكون خالية من الركيزة.
يستهدف هذا التصميم المبتكر نطاق J دون تيراهرتز (220-330 جيجاهرتز)، ويهدف إلى إحداث نقلة نوعية في الاتصالات لشبكات الجيل السادس وما بعدها. يضاعف الجهاز سعة البيانات بفعالية مع الحفاظ على معدل فقدان منخفض، مما يمهد الطريق لشبكات لاسلكية عالية السرعة فعّالة وموثوقة.
ويضم الفريق الذي يقف وراء هذا الإنجاز البروفيسور ويثاوات ويثاياتشومانكول من كلية الهندسة الكهربائية والميكانيكية بجامعة أديلايد، والدكتور ويجي جاو، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أوساكا، والبروفيسور ماسايوكي فوجيتا.
صرح البروفيسور ويذاياتشومانكول قائلاً: "يتيح مُضاعِف الاستقطاب المُقترح نقل تدفقات بيانات متعددة في وقت واحد ضمن نطاق التردد نفسه، مما يُضاعف سعة البيانات بشكل فعال". يُعدّ النطاق الترددي النسبي الذي يحققه الجهاز غير مسبوق في أي نطاق ترددي، مما يُمثل قفزة نوعية في مجال مُضاعِفات البيانات المُتكاملة.
تعتبر أجهزة مضاعفة الاستقطاب ضرورية في الاتصالات الحديثة لأنها تمكن إشارات متعددة من مشاركة نفس نطاق التردد، مما يعزز سعة القناة بشكل كبير.
يحقق الجهاز الجديد ذلك باستخدام مُقرِّنات اتجاهية مخروطية وتغليف وسطي فعال متباين الخواص. تُعزز هذه المكونات ازدواجية انكسار الاستقطاب، مما يُؤدي إلى نسبة انطفاء استقطاب عالية (PER) وعرض نطاق ترددي واسع، وهي خصائص أساسية لأنظمة اتصالات تيراهرتز الفعّالة.
بخلاف التصاميم التقليدية التي تعتمد على موجهات موجية غير متماثلة معقدة ومعتمدة على التردد، يستخدم جهاز الإرسال المتعدد الجديد غلافًا متباين الخواص مع اعتماد طفيف على التردد. ويستفيد هذا النهج استفادة كاملة من عرض النطاق الترددي الواسع الذي توفره الموصلات المخروطية.
النتيجة هي عرض نطاق ترددي جزئي يقارب 40%، ومتوسط معدل PER يتجاوز 20 ديسيبل، وحد أدنى لخسارة الإدخال يبلغ حوالي 1 ديسيبل. تتفوق مقاييس الأداء هذه بشكل كبير على مقاييس التصميمات البصرية والموجات الدقيقة الحالية، والتي غالبًا ما تعاني من ضيق عرض النطاق الترددي وارتفاع الخسارة.
لا يقتصر عمل فريق البحث على تعزيز كفاءة أنظمة التيراهرتز فحسب، بل يُمهّد أيضًا لعصر جديد في الاتصالات اللاسلكية. وأشار الدكتور جاو إلى أن "هذا الابتكار يُعدّ دافعًا رئيسيًا لإطلاق العنان لإمكانات اتصالات التيراهرتز". تشمل التطبيقات بث الفيديو عالي الدقة، والواقع المعزز، وشبكات الهاتف المحمول من الجيل التالي، مثل الجيل السادس (6G).
تواجه حلول إدارة استقطاب التيراهرتز التقليدية، مثل محولات الوضع المتعامد (OMTs) القائمة على موجهات موجات معدنية مستطيلة، قيودًا كبيرة. إذ تشهد الموجهات المعدنية خسائر أومية متزايدة عند الترددات العالية، كما أن عمليات تصنيعها معقدة بسبب المتطلبات الهندسية الصارمة.
توفر أجهزة مضاعفة الاستقطاب الضوئي، بما في ذلك تلك التي تستخدم مقاييس التداخل Mach-Zehnder أو البلورات الفوتونية، قابلية تكامل أفضل وخسائر أقل ولكنها غالبًا ما تتطلب مقايضات بين النطاق الترددي والاكتناز وتعقيد التصنيع.
تُستخدم المُقرنات الاتجاهية على نطاق واسع في الأنظمة البصرية، وتتطلب استقطابًا ثنائي الانكسار قويًا لتحقيق حجم صغير ومعامل انكسار عالٍ. ومع ذلك، فهي محدودة بنطاق ترددي ضيق وحساسية لتفاوتات التصنيع.
يجمع مُضاعِف الإرسال الجديد بين مزايا المُقرِّنات الاتجاهية المخروطية وتغليف الوسائط الفعّال، مُتغلبًا على هذه القيود. يُظهر التغليف المُتباين الخواص ازدواجية انكسار ملحوظة، مما يضمن مُعدل انكسار عالٍ عبر نطاق ترددي واسع. يُمثل هذا المبدأ التصميمي انحرافًا عن الطرق التقليدية، مُوفرًا حلاً عمليًا وقابلًا للتطوير لدمج ترددات التيراهيرتز.
أكدت الاختبارات التجريبية للمُضاعِف أداءه الاستثنائي. يعمل الجهاز بكفاءة في نطاق 225-330 جيجاهرتز، محققًا عرض نطاق جزئي بنسبة 37.8% مع الحفاظ على نسبة كفاءة في الأداء (PER) أعلى من 20 ديسيبل. حجمه الصغير وتوافقه مع عمليات التصنيع القياسية يجعله مناسبًا للإنتاج بكميات كبيرة.
وأضاف الدكتور جاو قائلاً: "إن هذا الابتكار لا يعزز كفاءة أنظمة الاتصالات التيراهيرتز فحسب، بل يمهد الطريق أيضاً لشبكات لاسلكية عالية السرعة أكثر قوة وموثوقية".
تتجاوز التطبيقات المحتملة لهذه التقنية أنظمة الاتصالات. فمن خلال تحسين استخدام الطيف، يمكن لمضاعف الإرسال دفع عجلة التقدم في مجالات مثل الرادار والتصوير وإنترنت الأشياء. وصرح البروفيسور ويذاياتشومانكول: "خلال عقد من الزمن، نتوقع اعتماد تقنيات التيراهيرتز هذه ودمجها على نطاق واسع في مختلف الصناعات".
يمكن أيضًا دمج المُضاعِف بسلاسة مع أجهزة تشكيل الحزمة السابقة التي طورها الفريق، مما يُتيح وظائف اتصال متقدمة على منصة موحدة. يُبرز هذا التوافق تنوع منصة الدليل الموجي العازل متوسطة الغلاف وقابليتها للتوسع.
نُشرت نتائج بحث الفريق في مجلة Laser & Photonic Reviews، مؤكدةً أهميتها في تطوير تقنية التيراهرتز الفوتونية. وصرح البروفيسور فوجيتا قائلاً: "من خلال تجاوز العوائق التقنية الحرجة، من المتوقع أن يُحفّز هذا الابتكار الاهتمامَ والنشاطَ البحثي في هذا المجال".
ويتوقع الباحثون أن عملهم سوف يلهم تطبيقات جديدة وتحسينات تكنولوجية أخرى في السنوات القادمة، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى ظهور نماذج أولية ومنتجات تجارية.
يمثل هذا المُضاعِف خطوةً هامةً نحو إطلاق العنان لإمكانات اتصالات التيراهرتز. فهو يضع معيارًا جديدًا لأجهزة التيراهرتز المُدمجة بمقاييس أداء غير مسبوقة.
ومع استمرار نمو الطلب على شبكات الاتصالات عالية السرعة وعالية السعة، فإن مثل هذه الابتكارات ستلعب دوراً حاسماً في تشكيل مستقبل التكنولوجيا اللاسلكية.
وقت النشر: ١٦ ديسمبر ٢٠٢٤