فالنمو الهائل في حركة البيانات، الذي يحركه الحوسبة السحابية، وخدمات التصفيق، وشبكة المعلومات الإلكترونية، قد دفع نظم الاتصالات الإلكترونية التقليدية إلى حدودها المادية، كما أن شبكات التبادل الإلكتروني المكونية والتكافلات الإلكترونية لا يمكن أن تواكب الطلب على ارتفاع عرض النطاق الترددي وانخفاض مستوى الكفاءة، مع إدارة استهلاك الطاقة، وقد برزت الصور الفوتوغرافية للوصلات الضوئية كحل محوري، مما أدى إلى تضفي السرعة والكفاءة في الاتصالات الإلكترونية

ما هو "سيليكون" في علم النفس؟

والصور الضوئية للسيليكون هي منصة تكنولوجية تدمج المهام الضوئية - مثل توليد الضوء، والتعديل، والطرق، والكشف - على أحد فروع النسيكون باستخدام عمليات التلفيق التكميلية لمركبات أكسيد المعادن - الشبه السام، والفكرة الأساسية هي استخدام الضوء (الفوتونز) بدلاً من الإلكترونات لنقل المعلومات، التي توفر مزايا متأصلة في سرعة واتباع الترددات، وكفاءة استخدام الطاقة.

وتشمل العناصر البصرية الرئيسية التي بنيت على السيليكون ما يلي:

  • Waveguides:] Structures that confine and direct light along pathways on theرقاقة.
  • Modulators:] Devices that encode data into an optical carrier by varying the intensity or phase of light.
  • Photodetectors:] Sensors that convert incoming optical signals back into electrical signals.
  • MUX/DEMUX filters:] components that combine or separate different wavelengths (DWDM channels).
  • زوجين أو مقسمين: ] عناصر سلبية تُسلّط الضوء بين الألياف والرقاقة.

ونظراً لأن صور النسيج تُستخدم في نفس أدوات الصنع وسلاسل الإمداد المستخدمة في الكترونيا الدقيقة، فإنها تستفيد من عقود من الاستثمار في البنية التحتية للصناعة، وهذا التوافق يسمح بإنتاج كميات كبيرة من المواد ذات تكاليف أقل لكل وحدة مقارنة بتكنولوجيات المكونات البصرية القديمة القائمة على فوسفيت الليثيوم أو الفوديوم.() وتتمتع الشركات مثل [مركز البحوث] بصور فونتوغرافية [Fnic:1]

الفوائد الرئيسية للصور المتحركة

معدلات نقل البيانات المرتفعة

ويؤيّد الموقع الشبكي " سيليكون " معدلات البيانات التي تتجاوز بكثير الروابط التقليدية بين النحاس، إذ أن المرسلين التجاريين الذين يُستخدمون على أساس الصور الضوئية للسيليكون يحققون بالفعل 100 غمبر، و200 غبض، و400 غبض للطريق باستخدام نماذج متقدمة من الوصلات الرقمية مثل PAM4.

تخفيض استهلاك الطاقة

ومن أكثر المزايا إلحاحاً للصور الضوئية للسيليكون كفاءة الطاقة، إذ أن الوصلات الضوئية تستهلك قدراً أقل بكثير من الطاقة في كل جزء مقارنة بالوصلات الكهربائية، ويرجع ذلك أساساً إلى أن الإشارات الخفيفة لا تعاني من خسائر مقاومة تولد حرارة في أسلاك النحاس، وفي حالة وجود وصلة نموذجية بين مراكز البيانات، فإن مرسل الصور للسيليكون يعمل في ما يقرب من 5 إلى 10 بي جي/بت، بينما تقاربت التصاً متطوراً

الاتفاق وقابلية الارتحال

فصور السيليكون تتيح درجة عالية من التصغير، ونظرا لأن المكونات الضوئية مصنّعة باستخدام التقنيات الليثيوغرافية، يمكن جعلها أوامر أصغر حجما من نظيراتها البصرية المتميزة، كما أن جهازا مستعملا بصريا كاملا، بما في ذلك الليزر والناموسيات والآلات الحاسبية، يمكن إدماجه في رقاقة واحدة لا تقاس إلا بضعة مليمترات مربعة، مما يتيح لمصممي الشبكة أن يحزموا أكثر منا موانئها.

التصنيع الضار بالتكاليف

ومن خلال البناء على مرافق الاختلاق الحالية للجنة الرصد والتحقق والتفتيش، تتفادى الصور الضوئية للسيليكون الحاجة إلى خطوط تصنيع متقنة باهظة التكلفة، كما أن أدوات تجهيز الشوائب ذات ال ٣٠٠ مم التي تجعل المشغلات تعمل بالمنتجات الدقيقة وشرائح الذاكرة يمكن استخدامها لإنتاج دوائر متكاملة مجهزة بالصور، مما يؤدي إلى خفض التكلفة لكل عنصر ويتيح سرعة توسيع نطاق الإنتاج.

التوافق مع الإلكترونيات

ويمكن إدماج صور السيليكون في الدوائر الإلكترونية على نفس الدرجة من الترميز، إما بصورة احتكارية أو من خلال تقنيات التغليف المتقدمة مثل 2.5D و3D، وهذا الإدماج المشترك يتيح التقارب بين المكونات الضوئية والوصلات الإلكترونية، ويقلل من القدرة الطفيلية ويحسن سلامة الإشارات.

التطبيقات التحويلية

مراكز البيانات

مراكز البيانات هي أكبر وأسرع سوق للصور الضوئية للسيليكون، حيث يقوم المشغلون بالضغط الفائق ببناء القدرة على التدريب على تكنولوجيا المعلومات، وتسيل الفيديو، وخدمات السحب، والحاجة إلى وجود شبكات عالية النطاق، وربط بين القوى المنخفضة، كما أن أجهزة نقل الكثافة الضوئية تعمل بالفعل على نطاق 100 جي بي إي و400 جي بي إي في المرافق.

الاتصالات السلكية واللاسلكية

ويقوم مقدمو خدمات الاتصالات بنشر صور للسيليكون لنظم النقل التابعة لإدارة الجمارك، وشبكات الوصول البصرية، ووصلات النقل ذات الترددات الأمامية/الخلفية 5G، وتخفض القدرة على إدماج مهام متعددة على رقاقة واحدة من البصمات واستهلاك الطاقة في محطات طرفية ذات خط مرئي ووحدات شبكية بصرية، وتسمح الشبكات المتروية والخطوط الضوئية ذات الفتحة الطويلة بتقديم خدمات متجانسة تبلغ 800 جهاز إرسال متجانسة تدعم 400 جهاز من أجهزة الإرسال

الحاسوب العالي الأداء

وتحتاج مجموعات الحواسيب العالية الأداء إلى درجة منخفضة للغاية من حيث التواتر وارتفاع نطاق التردد بين أجهزة القياس والتخزين والمعجلات، وتواجه الاتصالات الكهربائية تحديات في مجال سلامة الإشارات في مسافات تتجاوز بضعة أمتار، مما يجعل الروابط البصرية ضرورية بالنسبة لإمكانية تصعيد النظام، وتوفر الصور الضوئية للفرقة الميكانيكية الخفية السعة والعاملة في مجال الطاقة والتي لا تحتاج إلى ربط آلاف الأزواج.

نظم الاستشعار وشبكة المعلومات المحلية

وفيما عدا أوقات الاتصالات، نجد الصور الضوئية للسيليكون تطبيقات في نظم الاستشعار والقياس، ومثال بارز على ذلك هو " ليدار " (Light Detection and Ranging) بالنسبة للمركبات المستقلة، ويمكن أن تخلق الصور الضوئية للتقنيات الاصطناعية ونظماً ذات قدرة على الحساسية العالية في مجال الغازات المسدودة، تعتمد على صفائف متحركة دون أجزاء متحركة، وتعطيات تشخيصية، وعامل للصور متماثلة في التكلفة، وعاملات التصوير الضوئية.

التحديات والحدود

الخسائر في الأزواج والتعبئة

وما زال التحدي التقني يتمثل في التقريب بين الألياف الضوئية الوحيدة والألوحة الموجية السيليكونية، كما أن مقياس الوسط الميداني للألياف الموحدة ذات الحركة الواحدة (نحو 10 ميكروم) أكبر بكثير من مستوى الموجات اللاسيكولوجية (0.5 ميكروغرام)، مما أدى إلى خسائر ما لم يستخدم الأزواج المتفوقون أو المحولات ذات الحجم المنخفض للتواؤم.

درجة الحرارة

وتظهر عناصر التصوير الضوئي السيليكون تغيرات في الرقم القياسي للانحلال المعتمد على درجة الحرارة، مما قد يسبب تحولات في موجة التشغيل للمستنبطات والمرشحات، وفي العديد من التطبيقات، يلزم أيضا التحكم في درجة الحرارة باستخدام أجهزة التبريد الحرارية للحفاظ على الأداء الثابت، وإضافة استهلاك الطاقة والتكلفة، كما أن التصميمات الحرارية التي تعوض فيها درجة الحرارة باستخدام مواد التصفير ذات معامل حرارة معاكسة، هي عوامل تخفف من درجة الحرارة.

تكامل لازر

وسيظل الساتل السيليكون نفسه من مسببات الضوء السيئة بسبب فصيلته غير المباشرة، ولذلك فإن مصدر الليزر يوفر عادة من مادة من طراز III-V مثل فوسفيد الأوندي أو أريسينيد الغاليوم، وتُستخدم تقنيات التكامل الهجينية، بما في ذلك ربط النسيج بالرقبة ونقلها، لإرفاق رقائق الليزر على منصة التصوير بالسيليكون.

الاتجاهات المستقبلية

الأفيونيات المكبوطة

ومن بين أكثر التطورات المتوقعة في الصور الضوئية للسيليكون الانتقال إلى الصور المجهزة بالصورة المشتركة، حيث تدمج المحركات الضوئية مباشرة في نفس المجموعة التي يقدم بها جهاز التبديل أو المجهز، وتزيل المحركات البصرية القريبة من السيليكون الحاجة إلى آثار كهربائية طويلة من الشريحة إلى اللوحة الأمامية، وتخفض استهلاك الطاقة الكهربائية، وتحسن شبكات الإشارات.

Quantum Photonics

كما يجري استكشاف صور السيليكون في مجال الحواسيب الكمية والاتصالات الكمية، ويمكن توليد الكوابت الفوتونية والتلاعب بها والكشف عنها على رقاقة السيليكون، مما يتيح تجهيزات المعلومات الكمية، ويمكن للدوائر المتكاملة التصويرية أن تنفذ بوابات كمية، وتوليد التشابك، وبروتوكولات التوزيع الرئيسية الكمي (QKD) مع وجود صور لا تزال تستخدم في مرحلة البحث،

AI Optical Interconnects

فالنمو السريع لحجم العمل الاستخبارية الاصطناعية، ولا سيما نماذج اللغات الكبيرة والشبكات العصبية العميقة، يلقي أعباء هائلة على موارد الحواسيب والشبكات، وتتطلب مجموعات التدريب في مجال الطاقة جميع عمليات التلقيح وغيرها من العمليات الجماعية التي تنقل كميات كبيرة من البيانات بين آلاف المعجلات، ويمكن للوصلات البصرية القائمة على الصور الفوتوغرافية للسيليكون أن توفر النطاق الترددي وكفاءة الطاقة اللازمة لتمكين هذه العمليات من تبادل الصور.

خاتمة

ويعاد تشكيل صور السيليكون من جديد في شكل مشهد الاتصالات البصرية عن طريق الجمع بين سرعة الضوء وزوارقه وبين اقتصاديات التصنيع في الإلكترونيات السيليكونية، وتصبح معدلات البيانات العالية المستوى، وانخفاض استهلاك الطاقة، وعامل الشكل التعاقدي، والإنتاج الفعال من حيث التكلفة، والتكامل غير المتجانس مع الإلكترونيات، وهي تكنولوجيا أساسية لمراكز البيانات الحديثة، وشبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية، وتحديات سرعة الربط بين الصور، والابتكارات المتقدمة.