مستقبل المعدلات الكهروضوئية

مستقبلالمعدلات الكهروضوئية

تلعب المُعدِّلات الكهروضوئية دورًا محوريًا في الأنظمة الإلكترونية البصرية الحديثة، حيث تلعب دورًا هامًا في العديد من المجالات، من الاتصالات إلى الحوسبة الكمومية، من خلال تنظيم خصائص الضوء. تناقش هذه الورقة البحثية الوضع الحالي، وأحدث الاكتشافات، والتطورات المستقبلية لتكنولوجيا المُعدِّلات الكهروضوئية.

الشكل 1: مقارنة الأداء لمختلفمعدِّل بصريالتقنيات، بما في ذلك نيوبات الليثيوم الأغشية الرقيقة (TFLN)، ومعدلات الامتصاص الكهربائي III-V (EAM)، ومعدلات السيليكون والبوليمر من حيث فقدان الإدخال، وعرض النطاق الترددي، واستهلاك الطاقة، والحجم، والقدرة على التصنيع.

المعدلات الكهروضوئية التقليدية القائمة على السيليكون وحدودها

لطالما شكّلت مُعدّلات الضوء الكهروضوئية القائمة على السيليكون أساس أنظمة الاتصالات البصرية. واستنادًا إلى تأثير تشتت البلازما، حققت هذه الأجهزة تقدمًا ملحوظًا على مدار الخمسة والعشرين عامًا الماضية، مما أدى إلى زيادة معدلات نقل البيانات بمقدار ثلاثة أضعاف. وتستطيع مُعدّلات الضوء الحديثة القائمة على السيليكون تحقيق تعديل سعة النبضة رباعي المستويات (PAM4) بسرعة تصل إلى 224 جيجابت/ثانية، بل وأكثر من 300 جيجابت/ثانية باستخدام تعديل PAM8.

ومع ذلك، تواجه المُعدِّلات القائمة على السيليكون قيودًا جوهرية ناجمة عن خصائص المادة. فعندما تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية معدلات بود تزيد عن 200 جيجابود، يصعب على عرض النطاق الترددي لهذه الأجهزة تلبية هذا الطلب. وينبع هذا القيد من الخصائص الجوهرية للسيليكون، حيث إن التوازن بين تجنب فقدان الضوء المفرط والحفاظ على موصلية كافية يُؤدي إلى تنازلات حتمية.

تكنولوجيا ومواد التعديل الناشئة

دفعت قيود مُعدّلات الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون إلى البحث في مواد بديلة وتقنيات تكامل. وأصبح نيوبات الليثيوم الرقيق أحد أبرز المنصات الواعدة لجيل جديد من المُعدّلات.مُعدّلات ضوئية كهربائية من نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقةيرث الخصائص الممتازة لنيوبات الليثيوم السائبة، بما في ذلك: نافذة شفافة واسعة، معامل بصري كهربائي كبير (r33 = 31 pm/V) خلية خطية يمكن أن تعمل تأثير كير في نطاقات أطوال موجية متعددة

أدت التطورات الحديثة في تقنية نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة إلى نتائج باهرة، بما في ذلك مُعدّل يعمل بسرعة 260 جيجابود بمعدلات بيانات تبلغ 1.96 تيرابايت/ثانية لكل قناة. تتميز هذه المنصة بمزايا فريدة، مثل جهد تشغيل متوافق مع CMOS وعرض نطاق ترددي يبلغ 3 ديسيبل يبلغ 100 جيجاهرتز.

تطبيق التكنولوجيا الناشئة

يرتبط تطوير مُعدّلات الإشارة الكهروضوئية ارتباطًا وثيقًا بالتطبيقات الناشئة في العديد من المجالات. ففي مجال الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات،معدِّلات عالية السرعةتُعدّ هذه التقنيات بالغة الأهمية للجيل القادم من الترابطات، وتُعزز تطبيقات حوسبة الذكاء الاصطناعي الطلب على أجهزة الإرسال والاستقبال القابلة للتوصيل بسعة 800 جيجابت و1.6 تيرابت. كما تُطبّق تقنية المُعدِّل في: معالجة المعلومات الكمومية، والحوسبة العصبية الشكلية، والموجات المستمرة المُعدّلة التردد (FMCW)، وتقنية ليدار للفوتونات الدقيقة.

على وجه الخصوص، تُظهر مُعدّلات كهروضوئية من نيوبات الليثيوم الرقيقة قوةً في محركات المعالجة الحاسوبية البصرية، حيث تُوفر تعديلًا سريعًا منخفض الطاقة يُسرّع تطبيقات التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي. كما يُمكن لهذه المُعدّلات العمل في درجات حرارة منخفضة، وهي مُناسبة للواجهات الكمومية الكلاسيكية في الخطوط فائقة التوصيل.

يواجه تطوير الجيل القادم من مُعدّلات الفوتون الكهروضوئي عدة تحديات رئيسية: تكلفة الإنتاج وحجمه: يقتصر إنتاج مُعدّلات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة حاليًا على رقائق بسمك 150 مم، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف. تحتاج الصناعة إلى زيادة حجم الرقاقة مع الحفاظ على تجانس وجودة الأغشية. التكامل والتصميم المشترك: التطوير الناجح لـمعدِّلات عالية الأداءيتطلب الأمر قدرات تصميم مشتركة شاملة، تتضمن تعاون مصممي الإلكترونيات الضوئية والرقائق الإلكترونية، وموردي EDA، والموردين، وخبراء التغليف. تعقيد التصنيع: على الرغم من أن عمليات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون أقل تعقيدًا من إلكترونيات CMOS المتقدمة، إلا أن تحقيق أداء وإنتاجية مستقرين يتطلب خبرة كبيرة وتحسينًا كبيرًا لعمليات التصنيع.

وبفضل طفرة الذكاء الاصطناعي والعوامل الجيوسياسية، يتلقى هذا المجال استثمارات متزايدة من الحكومات والصناعة والقطاع الخاص في جميع أنحاء العالم، مما يخلق فرصًا جديدة للتعاون بين الأوساط الأكاديمية والصناعة ويعد بتسريع الابتكار.