مستقبل المعدِّلات الكهروضوئية

مستقبلالمعدِّلات الكهروضوئية

تلعب المُعدِّلات الكهروضوئية دورًا محوريًا في الأنظمة الكهروضوئية الحديثة، إذ تُسهم بشكلٍ كبير في العديد من المجالات، بدءًا من الاتصالات وصولًا إلى الحوسبة الكمومية، وذلك من خلال تنظيم خصائص الضوء. تتناول هذه الورقة البحثية الوضع الراهن، وأحدث الإنجازات، والتطورات المستقبلية لتكنولوجيا المُعدِّلات الكهروضوئية.

الشكل 1: مقارنة أداء مختلفمُعدِّل بصريالتقنيات، بما في ذلك نيوبات الليثيوم الرقيق (TFLN)، ومعدلات الامتصاص الكهربائي III-V (EAM)، ومعدلات السيليكون والبوليمر من حيث فقد الإدخال، وعرض النطاق الترددي، واستهلاك الطاقة، والحجم، والقدرة التصنيعية.

المُعدِّلات الكهروضوئية التقليدية القائمة على السيليكون وقيودها

لطالما شكلت مُعدِّلات الضوء الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون أساس أنظمة الاتصالات الضوئية لسنوات عديدة. وبفضل تأثير تشتت البلازما، حققت هذه الأجهزة تقدماً ملحوظاً خلال السنوات الخمس والعشرين الماضية، حيث زادت معدلات نقل البيانات بمقدار ثلاثة أضعاف. وتستطيع مُعدِّلات السيليكون الحديثة تحقيق تعديل سعة النبضة رباعي المستويات (PAM4) بسرعة تصل إلى 224 جيجابت/ثانية، بل وأكثر من 300 جيجابت/ثانية مع تعديل PAM8.

مع ذلك، تواجه المُعدِّلات القائمة على السيليكون قيودًا جوهرية نابعة من خصائص المادة. فعندما تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية معدلات نقل بيانات تتجاوز 200 جيجا باود، يصعب على عرض النطاق الترددي لهذه الأجهزة تلبية هذا الطلب. ويعود هذا القيد إلى الخصائص المتأصلة في السيليكون، حيث يُؤدي التوازن بين تجنب فقدان الضوء المفرط والحفاظ على موصلية كافية إلى مفاضلات حتمية.

تقنيات ومواد التعديل الناشئة

دفعت محدودية المُعدِّلات التقليدية القائمة على السيليكون إلى البحث عن مواد بديلة وتقنيات تكامل متطورة. وقد أصبح نيوبات الليثيوم الرقيق أحد أكثر المنصات الواعدة لجيل جديد من المُعدِّلات.مُعدِّلات كهروضوئية من نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقةتتمتع هذه المادة بالخصائص الممتازة لنيوبات الليثيوم الصلب، بما في ذلك: نافذة شفافة واسعة، ومعامل كهروضوئي كبير (r33 = 31 pm/V)، وخلية خطية، وتأثير كيرز الذي يمكن أن يعمل في نطاقات أطوال موجية متعددة

حققت التطورات الحديثة في تقنية أغشية نيوبات الليثيوم الرقيقة نتائج باهرة، من بينها مُعدِّل يعمل بسرعة 260 جيجابود بمعدلات بيانات تصل إلى 1.96 تيرابت/ثانية لكل قناة. تتميز هذه المنصة بمزايا فريدة، مثل توافق جهد التشغيل مع تقنية CMOS وعرض نطاق ترددي 3 ديسيبل يبلغ 100 جيجاهرتز.

تطبيق التكنولوجيا الناشئة

يرتبط تطوير المُعدِّلات الكهروضوئية ارتباطًا وثيقًا بالتطبيقات الناشئة في العديد من المجالات. في مجال الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات،مُعدِّلات عالية السرعةتُعدّ هذه التقنيات مهمة للجيل القادم من الوصلات البينية، وتُحفّز تطبيقات الحوسبة القائمة على الذكاء الاصطناعي الطلب على أجهزة الإرسال والاستقبال القابلة للتوصيل بسرعة 800 جيجابت في الثانية و1.6 تيرابت في الثانية. كما تُستخدم تقنية المُعدِّل في: معالجة المعلومات الكمومية، والحوسبة العصبية، وتقنية الموجة المستمرة المُعدَّلة التردد (FMCW)، وتقنية الليدار، وتقنية الفوتونات الميكروية.

تُظهر مُعدِّلات نيوبات الليثيوم الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة، على وجه الخصوص، كفاءةً عالية في معالجة البيانات البصرية، إذ تُوفِّر تعديلاً سريعاً ومنخفض الطاقة يُسرِّع تطبيقات التعلُّم الآلي والذكاء الاصطناعي. كما يُمكن لهذه المُعدِّلات العمل في درجات حرارة منخفضة، وهي مناسبة للوصلات الكمومية-الكلاسيكية في خطوط التوصيل الفائق.

يواجه تطوير الجيل القادم من مُعدِّلات الكهروضوئية عدة تحديات رئيسية: تكلفة الإنتاج وحجمه: يقتصر إنتاج مُعدِّلات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة حاليًا على رقائق السيليكون بحجم 150 مم، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف. يحتاج القطاع إلى توسيع حجم الرقائق مع الحفاظ على تجانس الأغشية وجودتها. التكامل والتصميم المشترك: التطوير الناجح لـمُعدِّلات عالية الأداءيتطلب ذلك قدرات تصميم مشتركة شاملة، تشمل التعاون بين مصممي الإلكترونيات الضوئية ورقائق الإلكترونيات، وموردي أدوات تصميم الدوائر الإلكترونية، وخبراء التغليف. تعقيد التصنيع: على الرغم من أن عمليات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون أقل تعقيدًا من إلكترونيات CMOS المتقدمة، إلا أن تحقيق أداء مستقر وإنتاجية عالية يتطلب خبرة كبيرة وتحسينًا دقيقًا لعملية 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.