اختراق! حقق LED بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة معدل نقل بيانات قياسياً بلغ 1.5 جيجابت في الثانية

قام باحثون من معهد فرديناند براون في برلين، وهو معهد لايبنيتز للتكنولوجيا عالية التردد (FBH)، وكذلك من معهد الفوتونيات بجامعة ستراثكلايد في المملكة المتحدة ومركز أبحاث LiFi بجامعة كامبريدج، باستخدام صمامات ثنائية باعثة للضوء جديدة تعمل بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة (far-UVC)، بتحقيق معدل نقل بيانات وصل إلى 1.5 جيجابت/ثانية. وقد طورت هذه الأجهزة من قبل FBH، مسجلةً رقماً قياسياً جديداً في مجال الاتصالات الضوئية اللاسلكية عند أطوال موجية تقل عن 235 نانومتر.

تتمتع تقنية الأشعة فوق البنفسجية البعيدة بمزايا فريدة في الاتصالات الخارجية: ففي هذا النطاق الطيفي، يكاد ضوء الشمس لا يُحدث إشارات خلفية. ولذلك، يُتوقع أن تتيح هذه التقنية إنشاء روابط اتصالات ضوئية خارجية موثوقة، وتكمّل الاتصالات الراديوية في الحالات التي تبلغ فيها هذه الأخيرة حدود أدائها. إذ تعتمد السيارات ذاتية القيادة والطائرات بدون طيار والآلات الصناعية المتصلة والروبوتات وتطبيقات الدفاع المدني على اتصالات لاسلكية موثوقة للبيانات. وفي الوقت نفسه، تتنافس المزيد من الأنظمة على الموارد المحدودة للترددات.

يمكن للاتصالات الضوئية اللاسلكية أن تُكمِّل بشكل فعال تقنيات الاتصالات الراديوية. غير أن الأنظمة التي تعتمد الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء تواجه تحدياً كبيراً في البيئات الخارجية: فالشمس أيضاً تُصدر إشعاعات ضمن هذه الأطوال الموجية. وقد يؤدي الإشعاع الشمسي الخلفي إلى تشويش الإشارات الضوئية، مما يجعل نقل البيانات الموثوق به أمراً صعباً. ولذلك، غالباً ما تتطلب مثل هذه الأنظمة محاذاة دقيقة لأشعة الليزر.

الاتصالات باستخدام الأشعة فوق البنفسجية القريبة لا تتأثر بالإشعاع الشمسي الخلفي

في نطاق الأطوال الموجية الأقل من 280 نانومتر، وبسبب امتصاص الغلاف الجوي العلوي للإشعاع الشمسي، لا يصل سوى القليل جداً من هذا الإشعاع إلى سطح الأرض. لذلك، فإن الاتصالات الضوئية اللاسلكية التي تعتمد الأشعة فوق البنفسجية القريبة تكاد تكون محصنة ضد الإشارات الخلفية الشمسية. وفي هذه التجربة، استخدم الباحثون أشعة فوق بنفسجية بعيدة بطول موجي أقل من 235 نانومتر. ويُمتص هذا النوع من الإشعاع بشدة من قبل الطبقة الخارجية غير النشطة من الجلد، كما أن عمق اختراقه إلى الأنسجة الحية أقل بكثير مقارنةً بالإشعاع فوق البنفسجي ذي الأطوال الموجية الأطول. ولذلك، تُعتبر هذه الأشعة آمنة من حيث الصحة البشرية، ومناسبة للتطبيقات التي تتطلب العمل بالقرب من البشر.

تحسين صمامات LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة لتحقيق معدلات نقل بيانات ذات إمكانات عملية

قال الدكتور يان روشيل، العالم البارز في FBH: “قمنا بتحسين صمامات LED خصيصاً لتطبيقات الاتصالات الضوئية ضمن هذا النطاق الطيفي. وتتميز هذه الأجهزة بقدرة إخراج ضوئي مرتفعة مقارنةً بالدراسات الدولية الأخرى، كما أنها تدعم تعديلات سريعة للغاية، مما يجعلها مثالية لتبادل البيانات الضوئية داخل المباني وخارجها.” ولتحقيق ذلك، قسّم فريق FBH سطح الانبعاث الضوئي لصمامات LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة إلى عدد كبير من المناطق الصغيرة. وهذا التصميم يقلل سعة الوصلة ويُعزّز كثافة التيار، مما يسمح لهذه الصمامات بتحقيق عرض نطاق تعديل أعلى مقارنةً بالأجهزة التقليدية ذات مساحة انبعاث أكبر.

صمام LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة مزوّد بعدسة وعاكس

قام باحثون من جامعة ستراثكلايد وجامعة كامبريدج ببناء واختبار نظام اتصالات ضوئية لاسلكية باستخدام هذه الصمامات. وفي ظل وجود خط رؤية مباشر بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، حقق النظام معدل نقل بيانات وصل إلى 1.5 جيجابت/ثانية على مسافة 30 سم. وقد سجلت هذه القياسات، التي أُجريت في ظروف إضاءة داخلية، رقماً قياسياً جديداً لمعدلات نقل البيانات في مثل هذه الاتصالات الضوئية ذات الأطوال الموجية القصيرة.

أُجري هذا العمل ضمن إطار مشروع TITAN التابع لمركز الأبحاث الوطني للاتصالات في المملكة المتحدة، والذي تقوده جامعة كامبريدج ويموله مجلس البحث في الهندسة والعلوم الطبيعية (EPSRC). وقد عرض الباحثون مؤخراً نتائجهم في ندوة دولية حول أنظمة الاتصالات والشبكات ومعالجة الإشارات الرقمية. (DOI للورقة البحثية: 10.1109/CSNDSP68462.2026.11654373)

الخطوة التالية: تحقيق اتصالات خارج الخط الرؤية لمسافات أطول

قد تمتلك تقنية الأشعة فوق البنفسجية البعيدة ميزة أخرى أيضاً. إذ إن جزيئات الهواء تُحدث تشتتاً للضوء، وهو ظاهرة تُعرف باسم تشتت رايلي، وتزداد شدتها كلما قلّ طول الموجة. لذلك، حتى إذا لم يكن هناك محاذاة مباشرة بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، أو إذا حجبت العوائق الطريق المباشر بينهما، فقد تصل بعض الإشارات الضوئية إلى جهاز الاستقبال. وهذه الخاصية تجعل الأشعة فوق البنفسجية القريبة ملائمة بشكل خاص لدراسة ما يُعرف بالاتصالات خارج الخط الرؤية. ويسعى الباحثون حالياً إلى تحديد مدى استفادة صمامات LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة من هذه الخاصية. كما يخططون لإجراء مزيد من التحسينات على أجهزة الإرسال والاستقبال، بهدف تحقيق مسافات نقل أطول ذات قيمة عملية، ودراسة تأثير الظروف البيئية على مسار الإشارة. وقال روشيل: “إن تحقيق معدلات نقل بيانات ذات أهمية عملية يُعد خطوة أولى مهمة. وسنعمل لاحقاً على تحديد المسافات الفعلية التي يمكن استخدام الاتصالات بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة فيها، وكذلك الظروف البيئية المناسبة، خاصةً لدراسة مدى فعالية هذه التقنية في غياب خط الرؤية المباشر.”

قيمة البحث

بالنظر إلى النص بأكمله، فإن الأمر الذي يستحق الاهتمام ليس فقط معدل الـ1.5 جيجابت/ثانية، بل أيضاً القيمة المحتملة لصمامات LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة في مجال الاتصالات الضوئية اللاسلكية ذات الأطوال الموجية القصيرة.

هناك نقطتان يجب الانتباه إليهما بشكل خاص:

من منظور صناعة صمامات LED للأشعة فوق البنفسجية، تكمن الأهمية الرئيسية لهذا البحث في: تحسين قدرة صمامات LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة على التعديل عالي السرعة من خلال تحسين بنية الجهاز، واستكشاف آفاق جديدة لاستخدام الأشعة فوق البنفسجية القريبة في الاتصالات الضوئية اللاسلكية. إذ يوفر هذا البحث دليلاً تجريبياً لتوسيع نطاق استخدام صمامات LED للأشعة فوق البنفسجية البعيدة من التطبيقات التقليدية مثل التعقيم إلى الاتصالات الضوئية عالية السرعة، إلا أن هناك عدة مشكلات هندسية لا تزال بحاجة إلى حل قبل الوصول إلى منتجات اتصالات تجارية ناضجة.

المصدر: csa-uv