تانتالات الليثيوم (LTOI) عالي السرعةمُعدِّل كهروضوئي
يستمر حجم البيانات المتداولة عالميًا في النمو، مدفوعًا بالانتشار الواسع للتقنيات الحديثة مثل الجيل الخامس (5G) والذكاء الاصطناعي، مما يفرض تحديات كبيرة على أجهزة الإرسال والاستقبال في جميع مستويات الشبكات الضوئية. فعلى وجه التحديد، تتطلب تقنية المُعدِّلات الكهروضوئية من الجيل التالي زيادةً كبيرة في معدلات نقل البيانات لتصل إلى 200 جيجابت في الثانية في قناة واحدة، مع خفض استهلاك الطاقة والتكاليف. وقد شاع استخدام تقنية الفوتونات السيليكونية في سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية خلال السنوات القليلة الماضية، ويعود ذلك أساسًا إلى إمكانية إنتاجها بكميات كبيرة باستخدام عملية CMOS المتطورة. ومع ذلك، تواجه مُعدِّلات SOI الكهروضوئية، التي تعتمد على تشتت حاملات الشحنة، تحديات كبيرة في عرض النطاق الترددي، واستهلاك الطاقة، وامتصاص حاملات الشحنة الحرة، وعدم خطية التعديل. وتشمل التقنيات الأخرى في هذا المجال فوسفيد الإنديوم (InP)، وأغشية نيوبات الليثيوم الرقيقة (LNOI)، والبوليمرات الكهروضوئية، وحلول التكامل غير المتجانسة متعددة المنصات. يُعتبر LNOI الحل الأمثل لتحقيق أفضل أداء في التعديل فائق السرعة ومنخفض الطاقة، إلا أنه يواجه حاليًا بعض التحديات فيما يتعلق بعملية الإنتاج الضخم والتكلفة. وقد أطلق الفريق مؤخرًا منصة ضوئية متكاملة من تانتالات الليثيوم الرقيقة (LTOI) تتميز بخصائص كهروضوئية ممتازة وإمكانية تصنيعها على نطاق واسع، ومن المتوقع أن تضاهي أو حتى تتجاوز أداء منصات نيوبات الليثيوم والسيليكون البصرية في العديد من التطبيقات. ومع ذلك، لا يزال الجهاز الأساسي لـالاتصالات الضوئيةلم يتم التحقق من مُعدِّل الكهروضوئي فائق السرعة في LTOI.
في هذه الدراسة، قام الباحثون أولاً بتصميم مُعدِّل كهروضوئي من نوع LTOI، والذي يظهر هيكله في الشكل 1. ومن خلال تصميم هيكل كل طبقة من تانتالات الليثيوم على العازل ومعايير قطب الميكروويف، تم تحقيق مطابقة سرعة انتشار موجات الميكروويف والضوء فيمُعدِّل كهروضوئيوقد تحقق ذلك. وفيما يتعلق بتقليل فقد الطاقة في قطب الميكروويف، اقترح الباحثون في هذا العمل لأول مرة استخدام الفضة كمادة قطب ذات موصلية أفضل، وقد أظهر قطب الفضة أنه يقلل فقد الطاقة في الميكروويف بنسبة 82% مقارنة بقطب الذهب المستخدم على نطاق واسع.
الشكل 1: بنية مُعدِّل LTOI الكهروضوئي، تصميم مطابقة الطور، اختبار فقدان قطب الميكروويف.
يوضح الشكل 2 الجهاز التجريبي ونتائج مُعدِّل LTOI الكهروضوئي لـتم تعديل الشدةالكشف المباشر (IMDD) في أنظمة الاتصالات الضوئية. تُظهر التجارب أن مُعدِّل LTOI الكهروضوئي قادر على إرسال إشارات PAM8 بمعدل إشارة 176 جيجابود مع معدل خطأ بت مُقاس يبلغ 3.8 × 10⁻²، وهو أقل من عتبة تصحيح الخطأ الأمامي SD-FEC البالغة 25%. بالنسبة لكلٍّ من PAM4 (200 جيجابود) وPAM2 (208 جيجابود)، كان معدل خطأ البت أقل بكثير من عتبة تصحيح الخطأ الأمامي SD-FEC البالغة 15% وHD-FEC البالغة 7%. تُوضِّح نتائج اختبار العين والمخطط البياني في الشكل 3 بوضوح إمكانية استخدام مُعدِّل LTOI الكهروضوئي في أنظمة الاتصالات عالية السرعة، حيث يتميز بخطية عالية ومعدل خطأ بت منخفض.
الشكل 2: تجربة باستخدام مُعدِّل كهروضوئي LTOI لـتعديل الشدةالكشف المباشر (IMDD) في نظام الاتصالات الضوئية (أ) الجهاز التجريبي؛ (ب) معدل خطأ البت المقاس (BER) لإشارات PAM8 (أحمر)، وPAM4 (أخضر)، وPAM2 (أزرق) كدالة لمعدل الإشارة؛ (ج) معدل المعلومات القابلة للاستخدام المستخرج (AIR، خط متقطع) ومعدل البيانات الصافي المرتبط به (NDR، خط متصل) للقياسات ذات قيم معدل خطأ البت الأقل من حد SD-FEC بنسبة 25%؛ (د) خرائط العين والرسوم البيانية الإحصائية تحت تعديل PAM2، وPAM4، وPAM8.
يُقدّم هذا العمل أول مُعدِّل كهروضوئي عالي السرعة بتقنية LTOI بعرض نطاق ترددي 3 ديسيبل يبلغ 110 جيجاهرتز. في تجارب نقل البيانات بتقنية IMDD (الكشف المباشر عن تعديل الشدة)، حقق الجهاز معدل بيانات صافي أحادي الموجة يبلغ 405 جيجابت/ثانية، وهو ما يُضاهي أفضل أداء للمنصات الكهروضوئية الحالية مثل مُعدِّلات LNOI ومُعدِّلات البلازما. في المستقبل، سيتم استخدام تقنيات أكثر تعقيدًا.مُعدِّل معدل الذكاءباستخدام تصميمات أو تقنيات متقدمة لتصحيح أخطاء الإشارة، أو ركائز ذات فقد منخفض في الموجات الميكروية مثل ركائز الكوارتز، من المتوقع أن تحقق أجهزة تانتالات الليثيوم معدلات اتصال تبلغ 2 تيرابت/ثانية أو أعلى. وبفضل المزايا الخاصة لتقنية تانتالات الليثيوم على العازل (LTOI)، مثل انخفاض الانكسار المزدوج وتأثير الحجم الناتج عن استخدامها الواسع في أسواق مرشحات الترددات الراديوية الأخرى، ستوفر تقنية الفوتونيات المصنوعة من تانتالات الليثيوم حلولاً منخفضة التكلفة واستهلاك الطاقة وعالية السرعة للغاية لشبكات الاتصالات الضوئية عالية السرعة وأنظمة الفوتونيات الميكروية من الجيل التالي.
تاريخ النشر: 11 ديسمبر 2024