من أجل اتصالات متماسكة عالية السرعة، مُعدِّل معدل الذكاء الإلكتروني الضوئي المدمج القائم على السيليكون

الإلكترونيات الضوئية المدمجة القائمة على السيليكونمعدل الذكاءللاتصالات المتماسكة عالية السرعة
أدى الطلب المتزايد على معدلات نقل بيانات أعلى وأجهزة إرسال واستقبال أكثر كفاءة في استخدام الطاقة في مراكز البيانات إلى تطوير أجهزة مدمجة عالية الأداءالمغيرون البصرية. أصبحت التكنولوجيا الإلكترونية الضوئية القائمة على السيليكون (SiPh) منصة واعدة لدمج المكونات الضوئية المختلفة في شريحة واحدة، مما يتيح حلولاً مدمجة وفعالة من حيث التكلفة. سوف تستكشف هذه المقالة مُعدِّل معدل الذكاء السيليكوني المكبوت الجديد المعتمد على GeSi EAMs، والذي يمكن أن يعمل بتردد يصل إلى 75 جيجا بايت.
تصميم الجهاز وخصائصه
يعتمد مُعدِّل معدل الذكاء المقترح هيكلًا مدمجًا ثلاثي الأذرع، كما هو موضح في الشكل 1 (أ). يتكون من ثلاثة GeSi EAM وثلاثة مبدلات طور بصرية حرارية، تتبنى تكوينًا متماثلًا. يقترن ضوء الإدخال بالشريحة من خلال قارنة التوصيل الشبكية (GC) ويتم تقسيمها بالتساوي إلى ثلاثة مسارات من خلال مقياس تداخل متعدد الأوضاع 1 × 3 (MMI). بعد المرور عبر المغير ومبدل الطور، يتم إعادة تجميع الضوء بواسطة 1 × 3 MMI آخر ومن ثم يقترن بألياف أحادية الوضع (SSMF).

الشكل 1: (أ) صورة مجهرية لمعدِّل معدل الذكاء؛ ( ب ) - ( د ) EO S21 وطيف نسبة الانقراض ونفاذية GeSi EAM واحدة ؛ ( هـ ) رسم تخطيطي لمُعدِّل معدل الذكاء والمرحلة البصرية المقابلة لمبدل الطور؛ ( و ) تمثيل قمع الموجة الحاملة على المستوى المعقد. كما هو مبين في الشكل 1 (ب)، يتمتع GeSi EAM بنطاق ترددي كهربائي ضوئي واسع. قام الشكل 1 (ب) بقياس المعلمة S21 لهيكل اختبار GeSi EAM واحد باستخدام محلل المكونات البصرية (LCA) بتردد 67 جيجا هرتز. يوضح الشكلان 1 (ج) و 1 (د) على التوالي أطياف نسبة الانقراض الثابتة (ER) عند الفولتية المختلفة للتيار المستمر والإرسال بطول موجة يبلغ 1555 نانومتر.
كما هو مبين في الشكل 1 (هـ)، فإن الميزة الرئيسية لهذا التصميم هي القدرة على قمع الموجات الحاملة الضوئية عن طريق ضبط ناقل الطور المتكامل في الذراع الأوسط. فرق الطور بين الذراعين العلوي والسفلي هو π/2، ويستخدم للضبط المعقد، في حين أن فرق الطور بين الذراع الأوسط هو -3 π/4. يسمح هذا التكوين بالتداخل المدمر على الموجة الحاملة، كما هو موضح في المستوى المعقد في الشكل 1 (و).
الإعداد التجريبي والنتائج
يظهر الإعداد التجريبي عالي السرعة في الشكل 2 (أ). يتم استخدام مولد الموجي التعسفي (Keysight M8194A) كمصدر للإشارة، ويتم استخدام مضخمي التردد اللاسلكي المتطابقين بطور 60 جيجا هرتز (مع المحملات المتحيزة المدمجة) كمشغلات معدلة. يبلغ جهد التحيز لـ GeSi EAM -2.5 فولت، ويتم استخدام كبل RF مطابق للطور لتقليل عدم تطابق الطور الكهربائي بين قنوات I وQ.
الشكل 2: (أ) الإعداد التجريبي عالي السرعة، (ب) قمع الموجة الحاملة عند 70 جيجابود، (ج) معدل الخطأ ومعدل البيانات، (د) الكوكبة عند 70 جيجابود. استخدم ليزر تجويف خارجي تجاري (ECL) بعرض خط يبلغ 100 كيلو هرتز، وطول موجة يبلغ 1555 نانومتر، وقوة 12 ديسيبل متر كحامل بصري. بعد التعديل، يتم تضخيم الإشارة الضوئية باستخداممضخم الألياف المشبع بالإربيوم(EDFA) للتعويض عن خسائر الاقتران على الرقاقة وخسائر إدخال المغير.
عند الطرف المتلقي، يقوم محلل الطيف البصري (OSA) بمراقبة طيف الإشارة وقمع الموجة الحاملة، كما هو موضح في الشكل 2 (ب) لإشارة 70 جيجا بايت. استخدم جهاز استقبال متماسك مزدوج الاستقطاب لاستقبال الإشارات، والذي يتكون من خلاط بصري 90 درجة وأربعةالثنائيات الضوئية المتوازنة بتردد 40 جيجاهرتز، وهو متصل براسم الذبذبات في الوقت الحقيقي (RTO) بتردد 33 جيجا هرتز و 80 GSa / s (Keysight DSOZ634A). يتم استخدام مصدر ECL الثاني بعرض خط يبلغ 100 كيلو هرتز كمذبذب محلي (LO). نظرًا لأن جهاز الإرسال يعمل تحت ظروف الاستقطاب الفردي، يتم استخدام قناتين إلكترونيتين فقط للتحويل من التناظري إلى الرقمي (ADC). يتم تسجيل البيانات على RTO ومعالجتها باستخدام معالج الإشارات الرقمية غير المتصل بالإنترنت (DSP).
كما هو مبين في الشكل 2 (ج)، تم اختبار معدل الذكاء باستخدام تنسيق تعديل QPSK من 40 جيجاود إلى 75 جيجاود. تشير النتائج إلى أنه في ظل ظروف تصحيح الأخطاء الصعبة (HD-FEC) بنسبة 7%، يمكن أن يصل المعدل إلى 140 جيجابت/ثانية؛ في حالة تصحيح الخطأ إلى الأمام بنسبة 20% (SD-FEC)، يمكن أن تصل السرعة إلى 150 جيجابت/ثانية. يظهر مخطط الكوكبة عند 70 جيجا بود في الشكل 2 (د). والنتيجة محدودة بعرض نطاق راسم الذبذبات البالغ 33 جيجا هرتز، وهو ما يعادل عرض نطاق إشارة يبلغ حوالي 66 جيجا بود.

كما هو مبين في الشكل 2 (ب)، يمكن لهيكل الأذرع الثلاثة أن يثبط بشكل فعال الموجات الحاملة الضوئية بمعدل طمس يتجاوز 30 ديسيبل. لا يتطلب هذا الهيكل قمعًا كاملاً للموجة الحاملة ويمكن استخدامه أيضًا في أجهزة الاستقبال التي تتطلب نغمات حاملة لاستعادة الإشارات، مثل أجهزة استقبال Kramer Kronig (KK). يمكن تعديل الناقل من خلال ناقل طور الذراع المركزي لتحقيق نسبة الناقل إلى النطاق الجانبي (CSR) المطلوبة.
المزايا والتطبيقات
بالمقارنة مع معدّلات Mach Zehnder التقليدية (المغيرون MZM) وغيرها من معدّلات الذكاء الضوئية الإلكترونية القائمة على السيليكون، فإن مُعدِّل معدل الذكاء السيليكوني المقترح له مزايا متعددة. أولاً، إنه صغير الحجم، أصغر بـ 10 مرات من معدّلات معدل الذكاء المستندة إليهمعدّلات ماخ زيندر(باستثناء منصات الترابط)، وبالتالي زيادة كثافة التكامل وتقليل مساحة الرقاقة. ثانيًا، لا يتطلب تصميم القطب الكهربائي المكدس استخدام مقاومات طرفية، مما يقلل من سعة الجهاز والطاقة لكل بت. ثالثًا، تعمل قدرة قمع الناقل على زيادة تقليل طاقة النقل إلى الحد الأقصى، مما يزيد من تحسين كفاءة الطاقة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن عرض النطاق الترددي البصري لـ GeSi EAM واسع جدًا (أكثر من 30 نانومتر)، مما يلغي الحاجة إلى دوائر ومعالجات التحكم في ردود الفعل متعددة القنوات لتحقيق الاستقرار والمزامنة لرنين أجهزة تعديل الموجات الميكروية (MRMs)، وبالتالي تبسيط التصميم.
يُعد مُعدِّل معدل الذكاء المدمج والفعال هذا مناسبًا للغاية للجيل التالي وعدد القنوات المرتفع وأجهزة الإرسال والاستقبال الصغيرة المتماسكة في مراكز البيانات، مما يتيح سعة أعلى واتصالات بصرية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
يُظهر مُعدِّل IQ السيليكوني المُقمع للناقل أداءً ممتازًا، مع معدل نقل بيانات يصل إلى 150 جيجابت/ثانية في ظل ظروف SD-FEC بنسبة 20%. يتمتع هيكله المدمج المكون من 3 أذرع والمعتمد على GeSi EAM بمزايا كبيرة من حيث البصمة وكفاءة الطاقة وبساطة التصميم. يتمتع هذا المغير بالقدرة على قمع أو ضبط الموجة الحاملة الضوئية ويمكن دمجه مع الكشف المتماسك وأنظمة الكشف Kramer Kronig (KK) لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة المدمجة متعددة الخطوط. تدفع الإنجازات المثبتة إلى تحقيق أجهزة إرسال واستقبال بصرية متكاملة وفعالة للغاية لتلبية الطلب المتزايد على اتصالات البيانات ذات السعة العالية في مراكز البيانات والمجالات الأخرى.