شريحة زجاجية مبتكرة تحافظ على الضوء في دائرة مستمرة لتقليل استهلاك الطاقة

تمكن مهندسون من إثبات أن حلقة صغيرة محفورة في شريحة زجاجية يمكن أن تحافظ على دوران الضوء لفترة أطول بكثير من الأجهزة المماثلة، ما يركز الطاقة داخل مساحة أرفع من شعرة الإنسان ويمهد الطريق لمستشعرات وأجهزة ضوئية أكثر كفاءة وصغرًا.

الضوء يظل في الحلقة

داخل الحلقة البيضاوية الدقيقة المنحوتة على الشريحة، ظل شعاع الليزر يدور مرارًا بدلاً من التسرب عند كل منعطف.
من خلال تحليل الانخفاضات الدقيقة في الإشارة الناتجة عن هذه الدورة، ربط الباحث Bright Lu من University of Colorado Boulder الضوء طويل العمر بانخفاض فقد الانحناء داخل الحلقة.

توجه الانحناءات الرقيقة الفوتونات بلطف خلال كل دورة دون الارتداد المفاجئ الذي عادة ما يدفع الضوء للخارج، مما حافظ على بقاء جزء أكبر من الضوء الأصلي عند كل دورة.

حلقات الضوء على شكل مضمار السباق

تحتوي الشريحة على ما يُعرف بالمُقَيّم الدقيق (microresonator)، وهو حلقة تعيد تدوير الضوء مرات عديدة، ليزداد شدة الضوء دون الحاجة لمصدر ليزر خارجي قوي.
عند شدة أعلى، يمكن للضوء أن يحفز استجابة غير خطية في المادة، ما يتيح التحويل الترددي والحساسية.

وقال Lu «عملنا يركز على استخدام طاقة ضوئية أقل مع هذه المقيمات لتطبيقات مستقبلية» .

أهمية الانحناءات الناعمة

تتسبب الزوايا الحادة في دفع الضوء للخارج، ويحدث أسوأ فقد عادة عند التقاء المسار المستقيم بالمنعطف. لتجنب ذلك، استخدم الفريق منحنيات Euler التي تتغير فيها درجة الانحناء تدريجيًا عند كل منعطف.

وأوضح البروفيسور Wounjhang Park «تقلل هذه المنحنيات من فقد الانحناء وتسمح للضوء بالبقاء داخل الحلقة، مع الحفاظ على حجم الشريحة الصغير».

اختيار الزجاج المناسب

كان اختيار المادة بنفس أهمية الشكل، إذ يجب أن يظل القلب الزجاجي شفافًا حتى عند شدة الضوء العالية.
اختار الفريق زجاجًا من نوع الكالكوجينيد (chalcogenide) لمرونته البصرية واستجابته غير الخطية تحت الطاقة العالية.

وأكد Park: «هذه المواد ممتازة في الفوتونيك بفضل شفافيتها العالية واستجابتها غير الخطية»، ومع ذلك، فإن معالجة الزجاج صعبة؛ أي خشونة تزيد من التشتت وتضعف الأداء.

بناء الدوائر النانوية

للتعامل مع الغبار والخشونة التي يمكن أن تضر بالدوائر الضوئية، بنى الفريق الحلقات في غرفة نظيفة، مستخدمين تقنية litography بالأشعة الإلكترونية لرسم الحواف بدقة فائقة، وهو أمر ضروري لتقليل التشتت الضوئي.

قياس الكفاءة البصرية

بعد التصنيع، بحث الفريق عن الرنين الضوئي، وهو نمط يعزز الضوء داخل الحلقة، شكل الرنين كان مؤشرًا على جودة الجهاز، إذ سمح بفصل فقد الطاقة عن الحرارة وتقدير الحد الأقصى لتشغيل الشريحة.

وصل عامل الجودة (Q-factor) في التجارب إلى حوالي 4.5 مليون، ما يعني أن الضوء ظل محتجزًا لفترة طويلة جدًا قبل التسرب، مع امتصاص ضئيل جدًا من الزجاج نفسه.

الحرارة والاستقرار

حتى الفقدان الطفيف للضوء يسبب تسخين الزجاج وتحريك نقطة الرنين، ما يغير طول موجة الإشارة، انخفاض الفقد ساعد الجهاز على البقاء مستقرًا مع تقليل التحولات الحرارية.

من المختبر إلى التصنيع

تكرار هذه الحلقات الصغيرة على نطاق واسع يتطلب دقة عالية وتكرار عمليات الإنتاج، وهدف الفريق هو تصميم حلقات قابلة للتصنيع بكميات كبيرة دون فقد في الأداء.

خطوات مستقبلية للفوتونيك

بدمج الانحناءات الناعمة، وزجاج الكالكوجينيد، والتحكم الدقيق في التصنيع، استطاع الفريق الحفاظ على دوران الضوء لفترة أطول على الشريحة.
تشمل الخطوات القادمة تقليل خشونة الحواف ودمج المزيد من المكونات على الشريحة، لتصبح المقيمات جاهزة للاستخدام في أجهزة استشعار ميدانية.