بصريات إلكترونية مدمجة قائمة 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 دفع تطوير أجهزة مدمجة عالية الأداءالمعدلات البصريةأصبحت تقنية الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون (SiPh) منصةً واعدةً لدمج مكونات فوتونية متنوعة على شريحة واحدة، مما يُتيح حلولاً مدمجة وفعالة من حيث التكلفة. تستكشف هذه المقالة مُعدّل IQ جديد من السيليكون مُثبّط للناقل، قائم على مُعدّلات EAM من GeSi، والذي يُمكنه العمل بتردد يصل إلى 75 جيجابود.
تصميم الجهاز وخصائصه
يعتمد مُعدّل IQ المُقترح على بنية ثلاثية الأذرع مدمجة، كما هو موضح في الشكل 1 (أ). يتكون من ثلاثة أذرع GeSi EAM وثلاثة مُحوّلات طور ضوئية حرارية، مُعتمدًا على تكوين مُتناظر. يُوصل ضوء الإدخال بالشريحة عبر مُقرن شبكي (GC)، ويُقسّم بالتساوي إلى ثلاثة مسارات عبر مقياس تداخل متعدد الأوضاع (MMI) 1×3. بعد مروره عبر المُعدّل ومُحوّل الطور، يُعاد دمج الضوء بواسطة مُقرن تداخل متعدد الأوضاع (MMI) 1×3 آخر، ثم يُوصل بألياف أحادية الوضع (SSMF).
الشكل 1: (أ) صورة مجهرية لمُعدِّل IQ؛ (ب) - (د) EO S21، طيف نسبة الانقراض، ونفاذية مُعدّل IQ واحد من GeSi EAM؛ (هـ) رسم تخطيطي لمُعدِّل IQ والطور البصري المقابل لمُحوِّل الطور؛ (و) تمثيل قمع الموجة الحاملة على المستوى المركب. كما هو موضح في الشكل 1 (ب)، يتميز مُعدّل GeSi EAM بعرض نطاق كهروضوئي واسع. قام الشكل 1 (ب) بقياس مُعامل S21 لهيكل اختبار مُعدّل GeSi EAM واحد باستخدام مُحلل مكونات بصرية (LCA) بتردد 67 جيجاهرتز. يُظهر الشكلان 1 (ج) و1 (د) على التوالي أطياف نسبة الانقراض الساكن (ER) عند جهد تيار مستمر مُختلف، والنفاذية عند طول موجي 1555 نانومتر.
كما هو موضح في الشكل 1 (هـ)، فإن الميزة الرئيسية لهذا التصميم هي القدرة على تثبيط الموجات الحاملة الضوئية عن طريق ضبط مُحوِّل الطور المُدمج في الذراع الأوسط. يبلغ فرق الطور بين الذراعين العلوي والسفلي π/2، ويُستخدم للضبط المُعقَّد، بينما يبلغ فرق الطور بين الذراع الأوسط -3 π/4. يسمح هذا التكوين بحدوث تداخل مُدمِّر للموجة الحاملة، كما هو موضح في المستوى المُعقَّد في الشكل 1 (و).
الإعداد التجريبي والنتائج
يوضح الشكل 2 (أ) التركيب التجريبي عالي السرعة. يُستخدم مولد موجة عشوائي (Keysight M8194A) كمصدر للإشارة، ومضخما تردد لاسلكي متطابقان الطور بتردد 60 جيجاهرتز (مع وصلات تحيز مدمجة) كمشغلات للمُعدِّل. جهد تحيز GeSi EAM هو -2.5 فولت، ويُستخدم كابل تردد لاسلكي متطابق الطور لتقليل عدم تطابق الطور الكهربائي بين قناتي I وQ.
الشكل 2: (أ) إعداد تجريبي عالي السرعة، (ب) قمع الموجة الحاملة عند 70 جيجابود، (ج) معدل الخطأ ومعدل البيانات، (د) كوكبة عند 70 جيجابود. استخدم ليزر تجويف خارجي تجاري (ECL) بعرض خطي 100 كيلوهرتز، وطول موجي 1555 نانومتر، وقوة 12 ديسيبل ميلي واط كحامل ضوئي. بعد التعديل، تُضخَّم الإشارة الضوئية باستخداممضخم الألياف المشبع بالإربيوم(EDFA) للتعويض عن خسائر اقتران الشريحة وخسائر إدراج المُعدِّل.
في الطرف المستقبل، يراقب محلل الطيف البصري (OSA) طيف الإشارة وقمع الموجة الحاملة، كما هو موضح في الشكل 2 (ب) لإشارة 70 جيجابود. استخدم جهاز استقبال متماسك ثنائي الاستقطاب لاستقبال الإشارات، والذي يتكون من خلاط بصري بزاوية 90 درجة وأربعةالثنائيات الضوئية المتوازنة 40 جيجاهرتز، وهو متصل بمنظار ذبذبات آني (RTO) بتردد 33 جيجاهرتز وسرعة 80 جيجا سات/ثانية (Keysight DSOZ634A). يُستخدم مصدر ECL الثاني بعرض خطي 100 كيلوهرتز كمذبذب محلي (LO). نظرًا لعمل جهاز الإرسال في ظروف استقطاب أحادي، تُستخدم قناتان إلكترونيتان فقط للتحويل من تناظري إلى رقمي (ADC). تُسجل البيانات على منظار الذبذبات آني وتُعالج باستخدام معالج إشارة رقمية غير متصل بالإنترنت (DSP).
كما هو موضح في الشكل 2 (ج)، تم اختبار مُعدّل IQ باستخدام صيغة تعديل QPSK بتردد يتراوح بين 40 و75 جيجابود. تشير النتائج إلى أنه في ظل ظروف تصحيح خطأ القرار الأمامي الصارم (HD-FEC) بنسبة 7%، يمكن أن يصل المعدل إلى 140 جيجابت/ثانية؛ وفي ظل ظروف تصحيح خطأ القرار الأمامي الناعم (SD-FEC) بنسبة 20%، يمكن أن تصل السرعة إلى 150 جيجابت/ثانية. يوضح الشكل 2 (د) مخطط الكوكبة عند تردد 70 جيجابود. تقتصر النتيجة على عرض نطاق تردد الذبذبات البالغ 33 جيجاهرتز، وهو ما يعادل عرض نطاق تردد إشارة يبلغ حوالي 66 جيجابود.
كما هو موضح في الشكل 2 (ب)، يُمكن للهيكل ثلاثي الأذرع كبت الموجات الحاملة الضوئية بفعالية بمعدل تعتيم يتجاوز 30 ديسيبل. لا يتطلب هذا الهيكل كبتًا كاملًا للموجة الحاملة، ويمكن استخدامه أيضًا في أجهزة الاستقبال التي تتطلب نغمات الموجة الحاملة لاستعادة الإشارات، مثل أجهزة استقبال كرامر كرونيج (KK). يمكن ضبط الموجة الحاملة من خلال مُحوِّل طور ذراع مركزي لتحقيق نسبة الموجة الحاملة إلى النطاق الجانبي (CSR) المطلوبة.
المزايا والتطبيقات
بالمقارنة مع أجهزة التعديل التقليدية من نوع Mach Zehnder (معدِّلات MZM) وغيرها من مُعدِّلات IQ البصرية الإلكترونية القائمة على السيليكون، يتميز مُعدِّل IQ السيليكوني المقترح بمزايا متعددة. أولًا، حجمه صغير، أصغر بعشر مرات من مُعدِّلات IQ القائمة علىمعدِّلات ماخ زيندر(باستثناء وسادات الربط)، مما يزيد من كثافة التكامل ويقلل مساحة الشريحة. ثانيًا، لا يتطلب تصميم الأقطاب الكهربائية المكدسة استخدام مقاومات طرفية، مما يقلل سعة الجهاز والطاقة لكل بت. ثالثًا، تُحسّن قدرة كبت الناقل من تقليل طاقة الإرسال إلى أقصى حد، مما يُحسّن كفاءة الطاقة بشكل أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، فإن النطاق الترددي البصري لـ GeSi EAM واسع للغاية (أكثر من 30 نانومتر)، مما يلغي الحاجة إلى دوائر التحكم في التغذية الراجعة متعددة القنوات والمعالجات لتثبيت ومزامنة رنين معدِّلات الميكروويف (MRMs)، وبالتالي تبسيط التصميم.
يعد هذا المعدل IQ المدمج والفعال مناسبًا للغاية للجيل التالي من أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة ذات عدد القنوات العالي والصغيرة في مراكز البيانات، مما يتيح سعة أعلى واتصالات بصرية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
يتميز مُعدّل IQ السيليكوني المُثبّط للناقل بأداء ممتاز، بمعدل نقل بيانات يصل إلى 150 جيجابت/ثانية في ظل ظروف SD-FEC بنسبة 20%. يتميز هيكله المدمج ثلاثي الأذرع، والمُصنّع من GeSi EAM، بمزايا كبيرة من حيث المساحة وكفاءة الطاقة وبساطة التصميم. يتميز هذا المُعدّل بالقدرة على تثبيط أو تعديل الناقل الضوئي، ويمكن دمجه مع أنظمة الكشف المتماسك وأنظمة الكشف Kramer Kronig (KK) لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة المدمجة متعددة الخطوط. تُسهم هذه الإنجازات المُثبتة في تطوير أجهزة إرسال واستقبال ضوئية عالية التكامل والكفاءة لتلبية الطلب المتزايد على اتصالات البيانات عالية السعة في مراكز البيانات وغيرها من المجالات.
وقت النشر: ٢١ يناير ٢٠٢٥