مستقبل المغيرين الكهربائية الضوئية

مستقبلالمغيرون الكهربائية الضوئية

تلعب المعدِّلات الكهربائية الضوئية دورًا مركزيًا في الأنظمة الإلكترونية الضوئية الحديثة، حيث تلعب دورًا مهمًا في العديد من المجالات بدءًا من الاتصالات وحتى الحوسبة الكمومية من خلال تنظيم خصائص الضوء. تناقش هذه الورقة الوضع الحالي وأحدث الإنجازات والتطور المستقبلي لتكنولوجيا المغير الكهروضوئي

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

المعدِّلات الكهربائية الضوئية التقليدية القائمة على السيليكون وقيودها

لقد كانت مُعدِّلات الضوء الكهروضوئية القائمة على السيليكون أساس أنظمة الاتصالات البصرية لسنوات عديدة. واستنادا إلى تأثير تشتت البلازما، حققت هذه الأجهزة تقدما ملحوظا على مدى السنوات الـ 25 الماضية، مما أدى إلى زيادة معدلات نقل البيانات بمقدار ثلاثة أضعاف. يمكن للمعدلات الحديثة القائمة على السيليكون تحقيق تعديل سعة النبض بأربعة مستويات (PAM4) يصل إلى 224 جيجابت/ثانية، وحتى أكثر من 300 جيجابت/ثانية مع تعديل PAM8.

ومع ذلك، تواجه المعدِّلات القائمة على السيليكون قيودًا أساسية ناشئة عن خصائص المواد. عندما تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية معدلات باود تزيد عن 200+ جيجاود، يصعب تلبية النطاق الترددي لهذه الأجهزة للطلب. ينبع هذا القيد من الخصائص المتأصلة للسيليكون - التوازن بين تجنب فقدان الضوء المفرط مع الحفاظ على الموصلية الكافية يخلق مقايضات لا مفر منها.

التكنولوجيا والمواد المغير الناشئة

أدت القيود المفروضة على المعدِّلات التقليدية المعتمدة على السيليكون إلى إجراء أبحاث حول مواد بديلة وتقنيات التكامل. أصبحت نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة واحدة من أكثر المنصات الواعدة لجيل جديد من المعدِّلات.مُعدِّلات كهروضوئية ذات غشاء رقيق من الليثيوم نيوباتيرث الخصائص الممتازة لنيوبات الليثيوم السائبة، بما في ذلك: نافذة شفافة واسعة، معامل كهروضوئي كبير (r33 = 31 مساءً/فولت) خلية خطية يمكن أن يعمل تأثير كيرس في نطاقات أطوال موجية متعددة

لقد أسفرت التطورات الحديثة في تكنولوجيا نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة عن نتائج ملحوظة، بما في ذلك مُعدِّل يعمل بسرعة 260 جيجا بود مع معدلات بيانات تبلغ 1.96 تيرابايت/ثانية لكل قناة. تتمتع المنصة بمزايا فريدة مثل جهد المحرك المتوافق مع CMOS وعرض النطاق الترددي 3 ديسيبل بتردد 100 جيجاهرتز.

تطبيق التكنولوجيا الناشئة

يرتبط تطوير المعدِّلات الكهربائية الضوئية ارتباطًا وثيقًا بالتطبيقات الناشئة في العديد من المجالات. وفي مجال الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات.المغيرون عالية السرعةتعتبر هذه الأجهزة مهمة للجيل القادم من التوصيلات البينية، وتؤدي تطبيقات حوسبة الذكاء الاصطناعي إلى زيادة الطلب على أجهزة الإرسال والاستقبال القابلة للتوصيل بسرعة 800 جيجا و1.6 تي. يتم تطبيق تقنية المغير أيضًا على: معالجة المعلومات الكمومية والحوسبة العصبية والموجة المستمرة المعدلة بالتردد (FMCW) وتقنية الفوتون بالموجات الدقيقة ليدار

على وجه الخصوص، تُظهِر المعدِّلات الكهربائية الضوئية ذات الأغشية الرقيقة من الليثيوم نيوبات قوة في محركات المعالجة الحسابية البصرية، مما يوفر تعديلًا سريعًا منخفض الطاقة يعمل على تسريع التعلم الآلي وتطبيقات الذكاء الاصطناعي. يمكن لمثل هذه المعدِّلات أيضًا أن تعمل في درجات حرارة منخفضة، وهي مناسبة للواجهات الكمومية الكلاسيكية في الخطوط فائقة التوصيل.

يواجه تطوير الجيل التالي من المعدِّلات الكهربائية الضوئية العديد من التحديات الرئيسية: تكلفة الإنتاج وحجمه: تقتصر مُعدِّلات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة حاليًا على إنتاج رقاقة بقطر 150 مم، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف. تحتاج الصناعة إلى توسيع حجم الرقاقة مع الحفاظ على تجانس الفيلم وجودته. التكامل والتصميم المشترك: التطوير الناجح لالمغيرون عالية الأداءيتطلب قدرات شاملة في التصميم المشترك، بما في ذلك التعاون بين مصممي الإلكترونيات الضوئية والرقائق الإلكترونية وموردي EDA والنوافير وخبراء التعبئة والتغليف. تعقيد التصنيع: في حين أن عمليات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون أقل تعقيدًا من إلكترونيات CMOS المتقدمة، فإن تحقيق أداء وإنتاجية مستقرين يتطلب خبرة كبيرة وتحسين عملية التصنيع.

مدفوعًا بازدهار 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.