تانتالات الليثيوم (LTOI) عالية السرعةمعدِّل كهروضوئي
يستمر نمو حركة البيانات العالمية، مدفوعًا بالاعتماد الواسع النطاق على التقنيات الجديدة مثل الجيل الخامس والذكاء الاصطناعي (AI)، مما يشكل تحديات كبيرة لأجهزة الإرسال والاستقبال على جميع مستويات الشبكات الضوئية. على وجه التحديد، تتطلب تقنية الجيل التالي من المُعدِّل الكهروضوئي زيادة كبيرة في معدلات نقل البيانات إلى 200 جيجابت في الثانية في قناة واحدة مع تقليل استهلاك الطاقة والتكاليف. في السنوات القليلة الماضية، استُخدمت تقنية فوتونيات السيليكون على نطاق واسع في سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، ويرجع ذلك أساسًا إلى إمكانية إنتاج فوتونيات السيليكون بكميات كبيرة باستخدام عملية CMOS الناضجة. ومع ذلك، تواجه المُعدِّلات الكهروضوئية SOI التي تعتمد على تشتت الناقل تحديات كبيرة في عرض النطاق الترددي واستهلاك الطاقة وامتصاص الناقل الحر وعدم خطية التعديل. تشمل مسارات التكنولوجيا الأخرى في الصناعة InP، ونيوبات الليثيوم الرقيق LNOI، والبوليمرات الكهروضوئية، وغيرها من حلول التكامل غير المتجانسة متعددة المنصات. يُعتبر LNOI الحل الأمثل لتحقيق أفضل أداء في تعديل السرعة الفائقة والطاقة المنخفضة، إلا أنه يواجه حاليًا بعض التحديات من حيث عملية الإنتاج الضخم والتكلفة. أطلق الفريق مؤخرًا منصة فوتونية متكاملة من تانتالات الليثيوم الرقيقة (LTOI) تتميز بخصائص كهروضوئية ممتازة وتصنيع واسع النطاق، ومن المتوقع أن تُضاهي، أو حتى تتجاوز، أداء منصات نيوبات الليثيوم والسيليكون البصرية في العديد من التطبيقات. ومع ذلك، حتى الآن، لا يزال الجهاز الأساسي لـالاتصالات البصرية، المعدل الكهروضوئي عالي السرعة للغاية، لم يتم التحقق منه في LTOI.
في هذه الدراسة، صمم الباحثون أولاً المُعدِّل الكهروضوئي LTOI، والذي يظهر هيكله في الشكل 1. ومن خلال تصميم هيكل كل طبقة من تانتالات الليثيوم على العازل ومعلمات قطب الميكروويف، تم تحديد سرعة انتشار الموجات الميكروويف والضوء فيمعدِّل كهروضوئيتم تحقيق ذلك. فيما يتعلق بتقليل فقدان قطب الميكروويف، اقترح الباحثون في هذا العمل لأول مرة استخدام الفضة كمادة قطب ذات موصلية أفضل، وقد ثبت أن قطب الفضة يقلل فقدان الميكروويف بنسبة 82% مقارنةً بقطب الذهب المستخدم على نطاق واسع.
الشكل 1. هيكل المغير الكهروضوئي LTOI، تصميم مطابقة الطور، اختبار فقدان قطب الميكروويف.
يوضح الشكل 2 الجهاز التجريبي ونتائج المُعدِّل الكهروضوئي LTOI لـشدة معدلةالكشف المباشر (IMDD) في أنظمة الاتصالات الضوئية. تُظهر التجارب أن المُعدِّل الكهروضوئي LTOI قادر على إرسال إشارات PAM8 بمعدل إشارة يبلغ 176 جيجا بايت في الثانية، مع معدل خطأ في البتات (BER) مُقاس قدره 3.8×10⁻² أقل من عتبة 25% SD-FEC. لكلٍّ من PAM4 بمعدل 200 جيجا بايت في الثانية وPAM2 بمعدل 208 جيجا بايت في الثانية، كان معدل الخطأ في البتات (BER) أقل بكثير من عتبة 15% SD-FEC و7% HD-FEC. تُظهر نتائج اختبار العين والرسم البياني في الشكل 3 بصريًا إمكانية استخدام المُعدِّل الكهروضوئي LTOI في أنظمة الاتصالات عالية السرعة ذات الخطية العالية ومعدل خطأ البت المنخفض.
الشكل 2 تجربة باستخدام معدل ضوئي كهربائي LTOI لـشدة معدلةالكشف المباشر (IMDD) في نظام الاتصالات البصرية (أ) جهاز تجريبي؛ (ب) معدل خطأ البت المقاس (BER) لإشارات PAM8 (الأحمر)، وPAM4 (الأخضر)، وPAM2 (الأزرق) كدالة لمعدل الإشارة؛ (ج) معدل المعلومات القابلة للاستخدام المستخرج (AIR، خط متقطع) ومعدل البيانات الصافي المرتبط (NDR، خط متصل) للقياسات بقيم معدل خطأ البت أقل من حد SD-FEC بنسبة 25٪؛ (د) خرائط العين والمدرجات الإحصائية تحت تعديل PAM2، وPAM4، وPAM8.
يُظهر هذا العمل أول مُعدّل كهروضوئي عالي السرعة بتقنية LTOI بعرض نطاق 110 جيجاهرتز يبلغ 3 ديسيبل. في تجارب إرسال IMDD للكشف المباشر عن تعديل الشدة، يحقق الجهاز معدل بيانات صافية لحامل واحد يبلغ 405 جيجابت/ثانية، وهو ما يُضاهي أفضل أداء للمنصات الكهروضوئية الحالية مثل LNOI ومُعدِّلات البلازما. في المستقبل، باستخدام أنظمة أكثر تعقيدًا،معدل الذكاءباستخدام تصاميم أو تقنيات تصحيح أخطاء الإشارة الأكثر تطورًا، أو باستخدام ركائز ذات فقد أقل للموجات الدقيقة مثل ركائز الكوارتز، من المتوقع أن تحقق أجهزة تانتالات الليثيوم معدلات اتصال تبلغ 2 تيرابت/ثانية أو أكثر. إلى جانب مزايا تقنية LTOI الخاصة، مثل انخفاض الانكسار وتأثير المقياس الناتج عن استخدامها على نطاق واسع في أسواق مرشحات الترددات الراديوية الأخرى، ستوفر تقنية فوتونيات تانتالات الليثيوم حلولاً منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة وعالية السرعة لشبكات الاتصالات البصرية عالية السرعة من الجيل التالي وأنظمة فوتونيات الموجات الدقيقة.
وقت النشر: ١١ ديسمبر ٢٠٢٤