خلفية البحث والتطوير
في ظل الاتجاه العام لتطور مجتمع المعلومات، سيستمر إجمالي كمية المعلومات التي يولدها البشر والآلات في النمو بشكل كبير بمعدل 50-60% سنويًا خلال الخمسة عشر عامًا القادمة. ما إذا كانت شبكة الألياف الضوئية قادرة على توفير قدرة الاتصال المطلوبة للنمو السريع لنقل المعلومات الجماعية في المستقبل هي قضية أساسية تتعلق باستدامة تطوير تكنولوجيا المعلومات. التحدي الرئيسي الذي يواجهه هو كيفية التوسيع المستمر لعرض النطاق الترددي للقناة الضوئية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء لتحسين قدرة نقل المعلومات، وفي الوقت نفسه، ليس فقط تقليل استهلاك الطاقة لكل وحدة سعة، ولكن أيضًا تقليل إجمالي الطاقة استهلاك القناة، وبالتالي عكس الاتجاه العام المتمثل في زيادة استهلاك الطاقة مع كمية المعلومات. تعد تكنولوجيا الأجهزة المادية التي تمثلها الرقائق والأجهزة الإلكترونية الضوئية هي الإنجاز الرئيسي لحل التحديات التقنية الرئيسية المذكورة أعلاه ومشاكل الرقبة.
يمكن أن تؤدي زيادة معدل الرمز (معدل الباود) لنقل الألياف الضوئية إلى تقليل عدد الرقائق والأجهزة بشكل كبير عند طرف الإرسال لاتصالات الألياف الضوئية. إنها وسيلة مهمة لزيادة السرعة وتقليل استهلاك الطاقة والتحكم في تكاليف شبكات اتصالات الألياف الضوئية. في الوقت الحاضر، يعتمد نظام النقل البصري المتماسك التجاري شريحة معالجة الإشارات الرقمية (DSP) لعقدة معالجة 7 نانومتر، والتي يمكن أن تدعم معدل نقل البيانات 800 جيجابت / ثانية مع نوع رمز التعديل لمعدل رمز الباود 96 جيجا و64QAM. يعتمد نظام نقل الجيل التالي 5nm DSP، ومعدل رمز الباود 130 جيجا، ونوع كود تعديل QPSK، ويمكنه دعم النقل لمسافات طويلة بمعدل بيانات 400 جيجابت / ثانية يبلغ 1500 كيلومتر. ما إذا كانت الخطوة التالية يمكن أن تحقق نظام اتصال بصري متماسك بمعدل رمز يتجاوز 200 جيجا بايت أصبح محور الصناعة. ويكمن المفتاح في ما إذا كانت الرقائق الإلكترونية الضوئية والرقائق الإلكترونية الدقيقة قادرة على اختراق عنق الزجاجة الحالي في الأداء. يعد المغير الكهروضوئي ذو النطاق الترددي الكهروضوئي الكبير للغاية الذي يزيد عن 100 جيجا هرتز وجهد المحرك المنخفض للغاية الذي يقل عن 1 فولت هو الشريحة الإلكترونية الضوئية الرئيسية لتحقيق هذا الهدف.
الابتكارات الرئيسية
في يناير 2022، نشرت جامعة صن يات سين، بالتعاون مع هواوي، أول شريحة معدلة للضوء متماسكة لتعدد الإرسال في العالم تعتمد على فيلم نيوبات الليثيوم (M. Xu، وآخرون). لا يزال هناك العديد من التحديات لرفع معدل الباود فوق 200 جيجا بايت. تحتاج جميع المكونات الإلكترونية الضوئية في النظام إلى عرض نطاق ترددي كافٍ، وتبلغ سعة إشارة المحرك الكهربائي بمعدل باود مرتفع 100 مللي فولت فقط، مما يضع متطلبات صارمة لرقائق المغير الكهروضوئي وأدوات الاختبار.
على أساس العمل المذكور أعلاه، قامت شركة Niobium Austria Optoelectronics وجامعة Sun Yat Sen ومختبر Bell (فرنسا) ومختبر III-V (فرنسا) وشركة Zede Technology بتشكيل فريق بحث وتطوير مشترك لمواصلة تحسين وتصميم التصميم البصري والميكروويف تصميم المغير الكهروضوئي لفيلم الليثيوم نيوبات، واستخدام ركيزة الكوارتز لتحقيق فقدان منخفض جدًا للميكروويف، واستخدام قطب موجة السفر السعوية لتحقيق نقل متزامن على الشريحة لمعدل الميكروويف ومعدل موجة الضوء، ضوء متماسك مزدوج الاستقطاب عالي الأداء تم بنجاح تطوير مُعدِّل بعرض نطاق كهروضوئي 3 ديسيبل يصل إلى 110 جيجا هرتز ونصف موجة جهد منخفض يصل إلى 1 فولت، كما هو موضح في الشكل 1. ومن أجل إجراء تجارب نقل مستقرة، أكملت شركة Niobio Optoelectronics أيضًا اقتران الألياف الضوئية منخفضة الخسارة مجموعة الألياف وشريحة المغير، وأدركت وحدة التغليف التي يمكنها ترتيب واجهات التردد اللاسلكي بمرونة.
جهاز تعديل معدل الذكاء للأغشية الرقيقة من نيوبات الليثيوم
حقق الفريق المشترك أيضًا معدل باود فائق الارتفاع 260G DP-QPSK (كما هو موضح في الشكل 2) وأظهر نقل الألياف الضوئية أحادي الوضع بطول 100 كيلومتر باستخدام مولد الموجات التعسفية الأعلى أداءً (AWG)، Deutsch M8199B. النموذج الأولي، مع معدل أخذ عينات يصل إلى 260Gsa/s وعرض نطاق يزيد عن 75 جيجا هرتز. علاوة على ذلك، يتم استخدام تنسيق التعديل عالي الترتيب 185G PCS-64QAM لتحقيق نسبة معلومات قابلة للتحقيق (AIR) تبلغ 1.84 تيرابايت/ثانية (كما هو موضح في الشكل 3). الأداء الممتاز لمغير فيلم نيوبات الليثيوم، مثل عرض النطاق الترددي الكبير والجهد المنخفض للمحرك، يجعل من غير الضروري استخدام خوارزمية DSP غير الخطية ومعادل MLSE مع خوارزمية معقدة في تجربة الإرسال، وبالتالي إنشاء سجل للإرسال البصري المتماسك مرة أخرى مع انخفاض تعقيد DSP و استهلاك الطاقة.
يوضح هذا العمل أعلى معدل باود لاتصالات الألياف الضوئية حاليًا
