مستقبل المعدلات البصرية الكهربائية

مستقبلالمعدلات البصرية الكهربائية

تلعب المعدلات البصرية الكهربائية دورًا رئيسيًا في الأنظمة الإلكترونية الحديثة ، حيث تلعب دورًا مهمًا في العديد من المجالات من الاتصال إلى الحوسبة الكمية من خلال تنظيم خصائص الضوء. تناقش هذه الورقة الوضع الحالي ، وأحدث التطوير المتقدم والمستقبلي لتكنولوجيا المعدل البصري الكهربائي

الشكل 1: مقارنة الأداء المختلفةالمغير البصريالتقنيات ، بما في ذلك نيثيوم نيثيوم نيووبت (TFLN) ، وحوافز الامتصاص الكهربائي III-V (EAM) ، ومحفزات السيليكون والبوليمرات من حيث فقدان الإدراج ، وعرض النطاق الترددي ، واستهلاك الطاقة ، والحجم ، وقدرة التصنيع.

المعدلات البصرية الكهربائية التقليدية القائمة على السيليكون وقيودها

كانت مُعدلات الضوء الكهروضوئية القائمة على السيليكون أساسًا لأنظمة الاتصالات البصرية لسنوات عديدة. استنادًا إلى تأثير تشتت البلازما ، أحرزت هذه الأجهزة تقدمًا ملحوظًا على مدى السنوات الـ 25 الماضية ، مما زاد من معدلات نقل البيانات بمقدار ثلاثة أوامر من حيث الحجم. يمكن للمعدلات الحديثة المستندة إلى السيليكون تحقيق تعديل سعة النبض من 4 مستويات (PAM4) يصل إلى 224 جيجابايت/ثانية ، وحتى أكثر من 300 جيجابايت/ثانية مع تعديل PAM8.

ومع ذلك ، تواجه المعدلات القائمة على السيليكون قيودًا أساسية ناتجة عن خصائص المواد. عندما تتطلب أجهزة الإرسال والاستقبال البصرية معدلات باود تزيد عن 200+ gbaud ، يصعب تلبية عرض النطاق الترددي لهذه الأجهزة. ينبع هذا القيد من الخواص المتأصلة في السيليكون - توازن تجنب فقدان الضوء المفرط مع الحفاظ على الموصلية الكافية يخلق مفاضلات حتمية.

تقنية ومواد المغير الناشئة

دفعت القيود المفروضة على المعدلات التقليدية القائمة على السيليكون البحث في مواد بديلة وتقنيات التكامل. أصبح فيلم Lithium Niobate الرقيق أحد أكثر المنصات الواعدة لجيل جديد من المعدلات.فيلم رفيع ليثيوم نيوبيت المعدلات الكهربائية البصريةيرث الخصائص الممتازة لنيوبات الليثيوم السائبة ، بما في ذلك: نافذة شفافة واسعة ، ومعامل كهربي كبير (R33 = 31 مساءً/ت) يمكن أن يعمل تأثير كيرز الخلية الخطية في نطاقات متعددة الطول الموجي

أسفرت التطورات الحديثة في تقنية الليثيوم نيوبت الرقيقة عن نتائج رائعة ، بما في ذلك المغير الذي يعمل عند 260 جيجا باود بمعدلات بيانات تبلغ 1.96 تيرابايت لكل قناة. يتمتع المنصة بمزايا فريدة مثل الجهد المتوافق مع CMOS وعرض النطاق الترددي 3-DB من 100 جيجا هرتز.

تطبيق التكنولوجيا الناشئة

يرتبط تطوير المعدلات البصرية الكهربائية ارتباطًا وثيقًا بالتطبيقات الناشئة في العديد من المجالات. في مجال الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات ،المعدلات عالية السرعةمن المهم للجيل القادم من الترابط البيني ، وتطبيقات حوسبة الذكاء الاصطناعى تدفع الطلب على أجهزة الإرسال والاستقبال القابلة للتوصيل 800 جرام و 1.6T. يتم تطبيق تقنية المغير أيضًا على: معالجة المعلومات الكمومية لتردد الحوسبة العصبية الشكل المشكل المستمر (FMCW) تقنية الفوتون الميكروويف

على وجه الخصوص ، تُظهر المعدلات الليثيوم النيووبات النيووبات الرقيقة قوة في محركات المعالجة الحاسوبية البصرية ، مما يوفر تعديلًا سريعًا منخفض الطاقة يسرع في التعلم الآلي وتطبيقات الذكاء الاصطناعي. يمكن أن تعمل هذه المعدلات أيضًا في درجات حرارة منخفضة وهي مناسبة للواجهات الكلاسيكية الكمومية في خطوط التوصيل الفائقة.

يواجه تطوير المعدلات البصرية الكهربائية من الجيل التالي العديد من التحديات الرئيسية: تكلفة الإنتاج وحجمها: تقتصر المعدلات النيوبات الليثيوم الرقيقة حاليًا على 150 مم من إنتاج الرقاقة ، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف. تحتاج الصناعة إلى توسيع حجم الرقاقة مع الحفاظ على توحيد الأفلام وجودةها. التكامل والتصميم المشترك: التطور الناجح لـالمعدلات عالية الأداءيتطلب إمكانيات شاملة للتصميم المشترك ، والتي تتضمن تعاونًا مع مصممي الرقائق البصرية ومصممي الرقائق الإلكترونية وموردي EDA والنافورات وخبراء التغليف. تعقيد التصنيع: في حين أن عمليات الإلكترونيات البصرية المستندة إلى السيليكون أقل تعقيدًا من إلكترونيات CMOS المتقدمة ، فإن تحقيق الأداء المستقر والعائد يتطلب خبرة كبيرة وتحسين عملية التصنيع.

مدفوعًا بعوامل AI Boom والعوامل الجيوسياسية ، يتلقى هذا المجال استثمارًا متزايدًا من الحكومات والصناعة والقطاع الخاص في جميع أنحاء العالم ، مما يخلق فرصًا جديدة للتعاون بين الأوساط الأكاديمية والصناعة ووعد بتسريع الابتكار.