تنتاليات الليثيوم (LTOI) عالية السرعةالمغير الكهروضوئية
تستمر حركة البيانات العالمية في النمو، مدفوعة بالاعتماد الواسع النطاق للتقنيات الجديدة مثل الجيل الخامس والذكاء الاصطناعي (AI)، مما يشكل تحديات كبيرة لأجهزة الإرسال والاستقبال على جميع مستويات الشبكات الضوئية. وعلى وجه التحديد، يتطلب الجيل القادم من تقنية المغير الكهروضوئي زيادة كبيرة في معدلات نقل البيانات إلى 200 جيجابت في الثانية في قناة واحدة مع تقليل استهلاك الطاقة والتكاليف. في السنوات القليلة الماضية، تم استخدام تكنولوجيا ضوئيات السيليكون على نطاق واسع في سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، ويرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أنه يمكن إنتاج ضوئيات السيليكون بكميات كبيرة باستخدام عملية CMOS الناضجة. ومع ذلك، تواجه المعدِّلات الكهربائية الضوئية SOI التي تعتمد على تشتت الموجة الحاملة تحديات كبيرة في عرض النطاق الترددي واستهلاك الطاقة وامتصاص الموجة الحاملة الحرة وعدم خطية التعديل. تشمل مسارات التكنولوجيا الأخرى في الصناعة InP، وNiobate الليثيوم الرقيق LNOI، والبوليمرات الكهربائية الضوئية، وغيرها من حلول التكامل غير المتجانسة متعددة المنصات. يعتبر LNOI هو الحل الذي يمكنه تحقيق أفضل أداء في تعديل السرعة العالية جدًا والطاقة المنخفضة، ومع ذلك، فإنه يواجه حاليًا بعض التحديات من حيث عملية الإنتاج الضخم والتكلفة. أطلق الفريق مؤخرًا منصة ضوئية متكاملة من تنتاليات الليثيوم الرقيقة (LTOI) ذات خصائص كهروضوئية ممتازة وتصنيع واسع النطاق، والتي من المتوقع أن تتطابق أو حتى تتجاوز أداء منصات نيوبات الليثيوم والسيليكون الضوئية في العديد من التطبيقات. ومع ذلك، حتى الآن، الجهاز الأساسي لالاتصالات البصرية، المغير الكهروضوئي فائق السرعة، لم يتم التحقق منه في LTOI.
في هذه الدراسة، قام الباحثون أولاً بتصميم المغير الكهروضوئي LTOI، والذي يظهر هيكله في الشكل 1. من خلال تصميم هيكل كل طبقة من تنتاليات الليثيوم على العازل ومعلمات قطب الميكروويف، يتم نشر الانتشار مطابقة سرعة الميكروويف والموجة الضوئية فيالمغير الكهروضوئييتحقق. وفيما يتعلق بتقليل فقدان قطب الميكروويف، اقترح الباحثون في هذا العمل لأول مرة استخدام الفضة كمادة إلكترود ذات موصلية أفضل، وقد تبين أن قطب الفضة يقلل من فقدان الميكروويف إلى 82٪ مقارنة بـ قطب الذهب المستخدم على نطاق واسع.
تين. 1 هيكل المغير الكهروضوئي LTOI، تصميم مطابقة الطور، اختبار فقدان القطب الكهربائي بالميكروويف.
تين. يوضح الشكل 2 الجهاز التجريبي ونتائج المغير الكهروضوئي LTOI لـكثافة التضمينالكشف المباشر (IMDD) في أنظمة الاتصالات البصرية. تظهر التجارب أن المغير الكهروضوئي LTOI يمكنه إرسال إشارات PAM8 بمعدل إشارة يبلغ 176 جيجابايت مع معدل خطأ في البت (BER) يبلغ 3.8×10⁻² أقل من عتبة SD-FEC البالغة 25%. بالنسبة لكل من 200 جيجا بايت PAM4 و208 جيجا بايت PAM2، كان BER أقل بكثير من عتبة 15% SD-FEC و7% HD-FEC. تظهر نتائج اختبار العين والرسم البياني في الشكل 3 بصريًا أنه يمكن استخدام المغير الكهروضوئي LTOI في أنظمة الاتصالات عالية السرعة ذات الخطية العالية ومعدل خطأ البت المنخفض.
تين. 2 تجربة استخدام المغير الكهروضوئي LTOI لـشدة التضمينالكشف المباشر (IMDD) في نظام الاتصالات البصرية (أ) جهاز تجريبي؛ ( ب ) معدل خطأ البتات المقاس (BER) لإشارات PAM8 (الأحمر) وPAM4 (الأخضر) وPAM2 (الأزرق) كدالة لمعدل الإشارة؛ (ج) معدل المعلومات المستخرج القابل للاستخدام (AIR، خط متقطع) ومعدل البيانات الصافي المرتبط به (NDR، خط متصل) للقياسات ذات قيم معدل خطأ البتات التي تقل عن حد SD-FEC البالغ 25%؛ ( د ) خرائط العين والرسوم البيانية الإحصائية تحت تعديل PAM2، PAM4، PAM8.
يوضح هذا العمل أول مُعدِّل كهروضوئي عالي السرعة LTOI مع عرض نطاق ترددي قدره 3 ديسيبل يبلغ 110 جيجاهرتز. في تجارب نقل IMDD للكشف المباشر عن تعديل الكثافة، يحقق الجهاز معدل بيانات صافي حامل واحد يبلغ 405 جيجابت/ثانية، وهو ما يشبه أفضل أداء للمنصات الكهروضوئية الحالية مثل LNOI ومعدلات البلازما. في المستقبل، وذلك باستخدام أكثر تعقيدامعدل الذكاءالتصميمات أو تقنيات تصحيح خطأ الإشارة الأكثر تقدمًا، أو استخدام ركائز منخفضة لفقد الموجات الميكروية مثل ركائز الكوارتز، من المتوقع أن تحقق أجهزة تنتاليات الليثيوم معدلات اتصال تبلغ 2 تيرابت/ثانية أو أعلى. إلى جانب المزايا المحددة لـ LTOI، مثل انخفاض الانكسار الثنائي وتأثير الحجم بسبب تطبيقه على نطاق واسع في أسواق مرشحات الترددات اللاسلكية الأخرى، ستوفر تقنية الضوئيات تنتاليات الليثيوم حلولًا منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة وفائقة السرعة للجيل التالي من الترددات العالية. - شبكات الاتصالات الضوئية السريعة وأنظمة الضوئيات بالموجات الدقيقة.
وقت النشر: 11 ديسمبر 2024