تراشه نانوفوتونیکی جدید امواج درهم‌تنیده لیزر را به کانال‌های نوری تفکیک کرد

بسیاری از فناوری‌های نوری مدرن بر پایه ویژگی فیزیکی بنیادینی به نام همدوسی بنا شده‌اند. در یک پرتو لیزر ایده‌آل، فوتون‌ها کاملاً هم‌گام و هماهنگ نوسان می‌کنند و امواجی منظم و پیش‌بینی‌پذیر پدید می‌آورند؛ پدیده‌ای که پایه‌گذار محاسبات نوری، تولید با دقت میکرونی و شبکه‌های فیبر نوری پرسرعت است.[1][2]

با این حال، نور در دنیای واقعی اغلب رفتاری ناهمگون و پیچیده دارد. هنگامی که چند منبع نوری با یکدیگر ترکیب می‌شوند یا پرتوهای خالص از بسترهای متلاطم مانند جو زمین عبور می‌کنند، فاز امواج از هماهنگی خارج می‌شود. حاصل این برهم‌کنش، میدانی درهم‌ریخته و اصطلاحاً «نیمه‌همدوس» است که تفکیک داده‌ها را مختل و وضوح تصویربرداری را به‌شدت مخدوش می‌کند.[2][3]

برای غلبه بر این چالش دیرینه، پژوهشگران دانشگاه استنفورد و مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA) تراشه فوتونیک سیلیکونی ابداع کرده‌اند که اندازه‌ای در حدود یک بند انگشت دارد. این مدار فوتونیکی می‌تواند امواج درهم‌آمیخته را بدون نیاز به پردازش‌های محاسباتی خارجی، به‌طور فیزیکی از یکدیگر تفکیک و به کانال‌هایی مجزا و شفاف هدایت کند.[2][3]

این دستاورد که در ۳۰ اکتبر ۲۰۲۶ در نشریه Nature Photonics منتشر شد، گامی مهم در مهندسی اپتیک به شمار می‌رود. برای نخستین بار دستگاهی ساخته شده که بدون نیاز به الگوریتم‌های سنگین پس‌پردازش، نور نیمه‌همدوس را به پرتوهای سازنده و کاملاً ناهمدوس آن در لحظه تجزیه می‌کند.[1][2]

فیزیک همدوسی و چالش بی‌نظمی امواج

از گذشته، مهندسان اپتیک همدوسی جزئی را نوعی نویز مخرب و اجتناب‌ناپذیر تلقی می‌کردند. تداخل میدان‌های نوری حاصل از لیزرهای مجزا، الگوهای برهم‌نهی پیچیده‌ای ایجاد می‌کند که کیفیت سیگنال اصلی را کاهش داده و دقت تجهیزات حساس اندازه‌گیری را محدود می‌سازد.[1][3]

سیستم‌های متداول برای حل این درهم‌ریختگی، به روش‌های محاسباتی سنگین توموگرافی متوسل می‌شوند. در این شیوه‌ها، حسگرها و دوربین‌ها ابتدا الگوی آشفته نور را ثبت می‌کنند و سپس نرم‌افزارهای خارجی با فرمول‌های ریاضی پرتوهای اولیه را بازسازی می‌نمایند؛ فرآیندی دیجیتال که حافظه، زمان و توان محاسباتی فراوانی می‌طلبد و گلوگاهی جدی در کاربردهای پرسرعت ایجاد می‌کند.[1]

محدودیت بنیادین این بازسازی ریاضی در آن است که نور را در واقعیت تفکیک نمی‌کند. فوتون‌ها در سطح سخت‌افزار همچنان درهم‌آمیخته باقی می‌مانند؛ وضعیتی که مانع از پردازش مستقیم نوری می‌شود و سرعت مدارهای بعدی را که نیازمند سیگنال‌های فیزیکی ایزوله‌شده هستند کاهش می‌دهد.[1]

تراشه فوتونیک سیلیکونی جدید این رویکرد را دگرگون کرده است؛ چرا که امواج نور را مستقیماً درون بستر سخت‌افزاری هدایت و جداسازی می‌کند. به‌جای حدس زدن و شبیه‌سازی مشخصات پرتوهای اولیه در رایانه، تراشه مدهای همدوسی مختلف را به‌صورت فیزیکی به درگاه‌های خروجی جداگانه می‌فرستد و خودِ برهم‌کنش امواج را دست‌نخورده نگه می‌دارد.[1][2]

شبکه فوتونیکی خودپیکربند

تیم مشترک استنفورد و ISTA برای تحقق این جداسازی، ساختار شبکه‌ای دو‌لایه‌ای طراحی کردند که خودپیکربند است. این مدار به‌صورت مجتمع روی برد الکترونیکی پیاده‌سازی شده و اپتیک سیلیکونی تجربی را با الگوریتم‌های کنترلی خودکار برای مدیریت لحظه‌ای جریان فوتون‌ها در هم آمیخته است.[3]

مغز متفکر این ساختار تفکیک‌کننده، آرایه‌ای از تداخل‌سنج‌های ماخ-زندر (Mach-Zehnder) است. این اجزای میکروسکوپی با بهره‌گیری از شکافنده‌های غیرفعال پرتو، نور ورودی را به دو شاخه فیزیکی تقسیم می‌کنند و امکان تنظیم فوق‌العاده دقیق فاز و دامنه امواج نوری عبوری را برای تراشه فراهم می‌آورند.[1][3]

با ورود نور آشفته به تراشه از طریق جفت‌کننده‌های توری، الگوریتم خودمختار به‌طور پیوسته تنظیمات تداخل‌سنج‌ها را دستکاری می‌کند. این مکانیزم پویا نوعی بهینه‌سازی متغیری روی توان خروجی انجام می‌دهد و بدون نیاز به دخالت دست یا کالیبراسیون دستی، کارآمدترین مسیر عبور فوتون‌ها را می‌یابد.[1]

از دیدگاه ریاضی، این مدار نوری در واقع تجزیه مقادیر ویژه (Eigen-decomposition) ماتریس همدوسی نور ورودی را به‌صورت فیزیکی پیاده می‌کند. دستگاه، بردارهای ویژه یا همان مدهای بنیادین همدوسی را شناسایی کرده و آن‌ها را در کانال‌های مستقل می‌نشاند؛ یعنی حل یک مسئله پیچیده جبر خطی تنها با تکیه بر قوانین فیزیک نور.[1]

پل-الکسیس مور، پژوهشگر دوره دکتری و نویسنده همکار این مقاله که در هر دو مرکز استنفورد و ISTA فعالیت داشته، توضیح می‌دهد: «با عبور نور از مدار فوتونیکی، تراشه آن را بی‌درنگ به اجزای سازنده‌اش تجزیه می‌کند و عملاً نور را در خروجی‌های مجزای فیزیکی بازیافت می‌نماید.»[3]

آزمون جداسازی و سنجش استقلال پرتوها

پژوهشگران برای سنجش دقیق کارایی تراشه، نمونه‌برداری نه ورودی از میدان‌های هم‌پوشان حاصل از دو لیزر فروسرخ مستقل را به تراشه تزریق کردند. پرتوی ادغام‌شده دارای همدوسی جزئی بود؛ یعنی نوسان فوتون‌ها لحظاتی همگام می‌شد و بلافاصله برهم می‌خورد، دقیقاً همان نوع سیگنال مغشوشی که تراشه برای مهار آن طراحی شده است.[2][3]

الگوریتم‌های داخلی تراشه بدون هیچ شناخت قبلی از ویژگی‌های منابع لیزری، طول موج دقیق یا شدت نسبی آن‌ها، خواص همدوسی نور ورودی را تشخیص دادند. ساختار سخت‌افزاری با موفقیت فوتون‌ها را دسته‌بندی کرد و دو مد همدوسی پرقدرت را کاملاً متناسب با خاستگاه اولیه‌شان از هم تمیز داد.[2][3]

تیم پژوهشی برای اطمینان از اصالت تفکیک فیزیکی، پرتوهای خروجی جداشده را در قطعه‌ای ثانویه دوباره با یکدیگر ترکیب کردند. هدف این بود که مشخص شود آیا شدت پرتوها با تداخل تشدید می‌شود یا خیر؛ رویدادی که اگر رخ می‌داد نشانه باقی‌ماندن پیوند همدوسی میان آن‌ها بود.[2]

پرتوهای تفکیک‌شده هیچ‌گونه هم‌گامی مجددی از خود نشان ندادند و ثابت کردند که به امواجی کاملاً مستقل و نسبت به یکدیگر ناهمدوس تبدیل شده‌اند. تراشه سیلیکونی فرآیند پیچیده ترکیب امواج را به‌طور تمام‌عیار در سطح سخت‌افزار معکوس کرده بود، و این اثبات کرد که تفکیک حاصل خطای محاسباتی نیست.[2]

با دستیابی به این نتیجه، تیم آزمایشی پیچیده‌تر طراحی کرد و لیزر سومی را نیز به ترکیب ورودی افزود. تراشه حتی با وجود این اغتشاش اضافی توانست ماتریس همدوسی مرتبه ۳ را با موفقیت تفکیک کرده و سه پرتوی ناب و مستقل تحویل دهد؛ امری که نشان‌دهنده ظرفیت ارتقا و مقیاس‌پذیری سیستم است.[1][2]

AI

بازیافت نور در خدمت اپتیک نوین

جداسازی نور در بستر فیزیکی، نحوه مدیریت تداخل و امواج آشفته را از اساس دگرگون می‌سازد. شارل روک-کارم، استادیار ISTA، خاطرنشان می‌کند که این فناوری یک مانع سنتی در مهندسی اپتیک را به منبعی قابل اندازه‌گیری و مفید تبدیل می‌کند و افق‌های تازه‌ای در کاربردهای درگیر با نور نیمه‌همدوس می‌گشاید.[3]

روک-کارم در تشریح عملکرد سیستم گفت: «تراشه قادر است مشخصات همدوسی نور ورودی را شناسایی کند و به‌طور خودکار تشخیص دهد که این ورودی از چند پرتو مجزا ساخته شده است.» این ویژگی، توانایی سامانه را در پردازش خودگردان در محیط‌های پیچیده آشکار می‌کند.[3]

کوچک‌سازی چنین سامانه‌های پیچیده نوری در قالب یک تراشه سیلیکونی، مزایای صنعتی و تولیدی چشمگیری به همراه دارد. اولاو سولگارد، استاد دانشگاه استنفورد، در این باره می‌گوید: «همان‌طور که ادغام قطعات الکترونیکی روی تراشه بازدهی آن‌ها را ارتقا داد، پیاده‌سازی سازوکارهای اپتیک روی مدار مجتمع نیز کیفیت ابزارهای نوری را چند پله بالاتر می‌برد.»[2]

در میکروسکوپ‌های پیشرفته، این فناوری قادر است نویزهای ناشی از پراکندگی نور در بافت را پیش از رسیدن به حسگر به‌طور فیزیکی حذف کند. با پالایش مدهای همدوسی، نسل آینده میکروسکوپ‌ها می‌توانند جزئیات پنهان ساختارهای سلولی را که تاکنون تار یا ناپیدا می‌ماندند آشکار سازند.[2][3]

این دستاورد علاوه بر تصویربرداری زیستی، در ستاره‌شناسی و اخترفیزیک نیز گشایش‌های فراوانی ایجاد خواهد کرد. تلسکوپ‌ها پیوسته با نورهایی مواجه‌اند که در گذر از تلاطم جو زمین دستخوش اعوجاج شده‌اند؛ تعبیه چنین تراشه‌ای می‌تواند سیگنال‌های کیهانی را در لحظه پاکسازی کند و تصاویری شفاف‌تر به دست دهد.[2][3]

فناوری حاضر همچنین می‌تواند مخابرات ماهواره‌ای و پیوندهای نوری بی‌سیم را متحول کند. همگام با افزایش نیاز به پهنای باند جهانی، تفکیک فیزیکی کانال‌های نوری درهم‌تنیده نقشی حیاتی در پایداری ارتباطات پرسرعت در مسافت‌های طولانی و شرایط جوی نامساعد ایفا خواهد کرد.[3]

با اثبات این که تجزیه مقادیر ویژه را می‌توان با فیزیک اپتیک و نه فقط روی کاغذ و رایانه اجرا کرد، تیم استنفورد و ISTA جبهه نوینی در فوتونیک مجتمع گشوده‌اند. این تراشه بندانگشتی نشان می‌دهد که حتی نامنظم‌ترین امواج نوری را نیز می‌توان به کانال‌هایی زلال و کاربردی بدل ساخت.[1][2]