إلكترونيات ضوئية مدمجة قائمة على السيليكونمُعدِّل معدل الذكاءللاتصالات المتماسكة عالية السرعة
أدى الطلب المتزايد على معدلات نقل بيانات أعلى وأجهزة إرسال واستقبال أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة في مراكز البيانات إلى تطوير أجهزة مدمجة عالية الأداء.المعدلات البصريةأصبحت تقنية الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون (SiPh) منصة واعدة لدمج مكونات ضوئية متنوعة على شريحة واحدة، مما يتيح حلولًا مدمجة وفعالة من حيث التكلفة. ستتناول هذه المقالة مُعدِّل IQ سيليكونيًا جديدًا مُثبَّطًا للناقلات، يعتمد على مُعدِّلات امتصاص الإلكترونات GeSi، والذي يمكنه العمل بتردد يصل إلى 75 جيجا باود.
تصميم الجهاز وخصائصه
يعتمد مُعدِّل IQ المقترح بنيةً ثلاثية الأذرع مدمجة، كما هو موضح في الشكل 1 (أ). ويتألف من ثلاثة مُعدِّلات امتصاص كهرومغناطيسي من الجرمانيوم والسيليكون (GeSi EAM) وثلاثة مُبدِّلات طور ضوئية حرارية، بتكوين متناظر. يُدخَل الضوء الداخل إلى الشريحة عبر مُقترن محزز (GC) ويُقسَّم بالتساوي إلى ثلاثة مسارات عبر مقياس تداخل متعدد الأنماط 1×3 (MMI). بعد مروره عبر المُعدِّل ومُبدِّل الطور، يُعاد تجميع الضوء بواسطة مقياس تداخل متعدد الأنماط 1×3 آخر، ثم يُدخَل إلى ليف أحادي النمط (SSMF).
الشكل 1: (أ) صورة مجهرية لمعدِّل IQ؛ (ب) - (د) طيف نسبة الانقراض، ومعامل النفاذية، ومعامل الانعكاس الكهروضوئي (ES21) لمعدِّل GeSi EAM منفرد؛ (هـ) مخطط تخطيطي لمعدِّل IQ والطور البصري المقابل لمغير الطور؛ (و) تمثيل كبح الموجة الحاملة على المستوى المركب. كما هو موضح في الشكل 1 (ب)، يتميز معدِّل GeSi EAM بنطاق ترددي كهروضوئي واسع. تم قياس معامل S21 في الشكل 1 (ب) لبنية اختبار GeSi EAM منفردة باستخدام محلل مكونات بصرية بتردد 67 جيجاهرتز (LCA). يوضح الشكلان 1 (ج) و1 (د) على التوالي أطياف نسبة الانقراض الساكنة (ER) عند جهود تيار مستمر مختلفة، والنفاذية عند طول موجي 1555 نانومتر.
كما هو موضح في الشكل 1 (هـ)، تتمثل الميزة الرئيسية لهذا التصميم في القدرة على كبح الموجات الحاملة الضوئية عن طريق ضبط مُغيّر الطور المُدمج في الذراع الأوسط. يبلغ فرق الطور بين الذراعين العلوي والسفلي π/2، ويُستخدم لضبط الترددات المركبة، بينما يبلغ فرق الطور بين الذراعين العلوي والسفلي -3π/4. يسمح هذا التكوين بتداخل هدّام للموجة الحاملة، كما هو موضح في المستوى المركب في الشكل 1 (و).
الإعداد التجريبي والنتائج
يُظهر الشكل 2 (أ) الإعداد التجريبي عالي السرعة. يُستخدم مولد موجات عشوائية (Keysight M8194A) كمصدر للإشارة، ويُستخدم مُضخِّمان ترددات لاسلكية متطابقان الطور بتردد 60 جيجاهرتز (مع مُوَصِّلات انحياز مُدمجة) كمُشغِّلات للمُعدِّل. يبلغ جهد انحياز مُعدِّل GeSi EAM -2.5 فولت، ويُستخدم كابل ترددات لاسلكية متطابق الطور لتقليل عدم تطابق الطور الكهربائي بين قناتي I و Q.
الشكل 2: (أ) إعداد تجريبي عالي السرعة، (ب) كبح الموجة الحاملة عند 70 جيجا باود، (ج) معدل الخطأ ومعدل البيانات، (د) مخطط الإشارة عند 70 جيجا باود. استخدم ليزرًا تجاريًا ذو تجويف خارجي (ECL) بعرض خط طيفي 100 كيلو هرتز، وطول موجي 1555 نانومتر، وقدرة 12 ديسيبل ميلي واط كموجة حاملة ضوئية. بعد التضمين، يتم تضخيم الإشارة الضوئية باستخداممضخم ألياف مشبع بالإربيوم(EDFA) للتعويض عن خسائر الاقتران على الشريحة وخسائر إدخال المعدِّل.
في طرف الاستقبال، يقوم محلل الطيف الضوئي (OSA) بمراقبة طيف الإشارة وكبح الموجة الحاملة، كما هو موضح في الشكل 2 (ب) لإشارة بسرعة 70 جيجا باود. استخدم مستقبلًا متماسكًا ثنائي الاستقطاب لاستقبال الإشارات، ويتكون من خلاط ضوئي بزاوية 90 درجة وأربعةثنائيات ضوئية متوازنة بتردد 40 جيجاهرتزوهو متصل بجهاز راسم إشارة في الوقت الحقيقي (RTO) بتردد 33 جيجاهرتز ومعدل أخذ عينات 80 جيجا عينة/ثانية (Keysight DSOZ634A). يُستخدم مصدر ECL الثاني بعرض خط طيفي 100 كيلوهرتز كمذبذب محلي (LO). نظرًا لأن جهاز الإرسال يعمل في ظل ظروف استقطاب أحادي، تُستخدم قناتان إلكترونيتان فقط للتحويل التناظري الرقمي (ADC). تُسجل البيانات على جهاز RTO وتُعالج باستخدام معالج إشارة رقمي (DSP) غير متصل بالإنترنت.
كما هو موضح في الشكل 2 (ج)، تم اختبار مُعدِّل IQ باستخدام تنسيق تعديل QPSK من 40 إلى 75 جيجا باود. تشير النتائج إلى أنه في ظل ظروف تصحيح الخطأ الأمامي ذي القرار الصارم (HD-FEC) بنسبة 7%، يمكن أن تصل السرعة إلى 140 جيجابت/ثانية؛ وفي ظل ظروف تصحيح الخطأ الأمامي ذي القرار المرن (SD-FEC) بنسبة 20%، يمكن أن تصل السرعة إلى 150 جيجابت/ثانية. يظهر مخطط الإشارة عند 70 جيجا باود في الشكل 2 (د). وتُحدَّد هذه النتيجة بعرض نطاق راسم الإشارة البالغ 33 جيجاهرتز، وهو ما يعادل عرض نطاق إشارة يبلغ حوالي 66 جيجا باود.
كما هو موضح في الشكل 2 (ب)، يمكن لبنية الأذرع الثلاثة كبح الموجات الحاملة الضوئية بكفاءة عالية، بمعدل حجب يتجاوز 30 ديسيبل. لا تتطلب هذه البنية كبحًا كاملًا للموجة الحاملة، ويمكن استخدامها أيضًا في أجهزة الاستقبال التي تتطلب نغمات الموجة الحاملة لاستعادة الإشارات، مثل أجهزة استقبال كرامر كرونيغ (KK). يمكن ضبط الموجة الحاملة من خلال مُزحِّف طور الذراع المركزي لتحقيق نسبة الموجة الحاملة إلى النطاق الجانبي المطلوبة.
المزايا والتطبيقات
بالمقارنة مع مُعدِّلات ماخ زيندر التقليدية (معدلات MZMبالمقارنة مع مُعدِّلات IQ الكهروضوئية الأخرى القائمة على السيليكون، يتميز مُعدِّل IQ السيليكوني المقترح بمزايا متعددة. أولًا، يتميز بصغر حجمه، فهو أصغر بأكثر من 10 مرات من مُعدِّلات IQ القائمة على السيليكون.مُعدِّلات ماخ زيندر(باستثناء نقاط التوصيل)، مما يزيد من كثافة التكامل ويقلل من مساحة الشريحة. ثانيًا، لا يتطلب تصميم الأقطاب الكهربائية المكدسة استخدام مقاومات طرفية، مما يقلل من سعة الجهاز والطاقة لكل بت. ثالثًا، تعمل قدرة كبح الموجة الحاملة على زيادة خفض طاقة الإرسال إلى أقصى حد، مما يحسن كفاءة الطاقة بشكل أكبر.
بالإضافة إلى ذلك، فإن النطاق الترددي البصري لـ GeSi EAM واسع جدًا (أكثر من 30 نانومترًا)، مما يلغي الحاجة إلى دوائر التحكم في التغذية الراجعة متعددة القنوات والمعالجات لتحقيق استقرار ومزامنة رنين معدلات الميكروويف (MRMs)، وبالتالي تبسيط التصميم.
يُعد هذا المُعدِّل IQ الصغير والفعال مناسبًا للغاية لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة الصغيرة ذات عدد القنوات العالي من الجيل التالي في مراكز البيانات، مما يتيح سعة أعلى واتصالات بصرية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
يُظهر مُعدِّل IQ السيليكوني المُثبَّط للحامل أداءً ممتازًا، حيث تصل سرعة نقل البيانات إلى 150 جيجابت/ثانية في ظل ظروف تصحيح الخطأ الأمامي (SD-FEC) بنسبة 20%. يتميز هيكله المُدمج ثلاثي الأذرع، والمبني على مُعدِّل امتصاص الطاقة GeSi، بمزايا كبيرة من حيث الحجم وكفاءة الطاقة وسهولة التصميم. يتمتع هذا المُعدِّل بالقدرة على كبح أو ضبط الحامل الضوئي، ويمكن دمجه مع أنظمة الكشف المتماسك وأنظمة كشف كرامر-كرونيغ (KK) لأجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة متعددة الخطوط والمدمجة. تُسهم هذه الإنجازات في تطوير أجهزة إرسال واستقبال ضوئية عالية التكامل والكفاءة لتلبية الطلب المتزايد على اتصالات البيانات عالية السعة في مراكز البيانات وغيرها من المجالات.
تاريخ النشر: 21 يناير 2025