ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงความเร็วสูงลิเธียมแทนทาเลต (LTOI)

ลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) ความเร็วสูงตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติก

ปริมาณการรับส่งข้อมูลทั่วโลกยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง โดยได้รับแรงผลักดันจากการนำเทคโนโลยีใหม่ๆ มาใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น 5G และปัญญาประดิษฐ์ (AI) ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากต่อตัวรับส่งสัญญาณในทุกระดับของเครือข่ายใยแก้วนำแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคโนโลยีตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงรุ่นต่อไปต้องการอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างมากถึง 200 Gbps ในช่องสัญญาณเดียว ในขณะที่ต้องลดการใช้พลังงานและต้นทุนลง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในตลาดตัวรับส่งสัญญาณใยแก้วนำแสง ส่วนใหญ่เป็นเพราะซิลิคอนโฟโตนิกส์สามารถผลิตได้ในปริมาณมากโดยใช้กระบวนการ CMOS ที่พัฒนาแล้ว อย่างไรก็ตาม ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงแบบ SOI ที่อาศัยการกระจายตัวของพาหะเผชิญกับความท้าทายอย่างมากในด้านแบนด์วิดท์ การใช้พลังงาน การดูดซับพาหะอิสระ และความไม่เป็นเชิงเส้นของการปรับสัญญาณ แนวทางเทคโนโลยีอื่นๆ ในอุตสาหกรรม ได้แก่ InP ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต LNOI โพลิเมอร์ไฟฟ้าเชิงแสง และโซลูชันการรวมแบบเฮเทอโรจีนัสหลายแพลตฟอร์มอื่นๆ LNOI ถือเป็นทางเลือกที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในการมอดูเลชั่นความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำ อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันยังคงมีข้อจำกัดในด้านกระบวนการผลิตจำนวนมากและต้นทุน เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยได้เปิดตัวแพลตฟอร์มโฟโตนิกแบบบูรณาการลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแสงที่ยอดเยี่ยมและสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก คาดว่าจะเทียบเท่าหรือเหนือกว่าประสิทธิภาพของแพลตฟอร์มออปติคอลลิเธียมไนโอเบตและซิลิคอนในหลายๆ การใช้งาน อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน อุปกรณ์หลักของ LTOI ยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่การสื่อสารด้วยแสงอุปกรณ์ปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าความเร็วสูงพิเศษนี้ ยังไม่ได้รับการตรวจสอบใน LTOI

ในการศึกษาครั้งนี้ นักวิจัยได้ออกแบบตัวปรับสัญญาณแสงและคลื่นไฟฟ้า LTOI เป็นอันดับแรก โดยมีโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 1 โดยการออกแบบโครงสร้างของแต่ละชั้นของลิเธียมแทนทาเลตบนฉนวนและพารามิเตอร์ของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ ทำให้ความเร็วในการแพร่กระจายของคลื่นไมโครเวฟและคลื่นแสงตรงกันตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกได้บรรลุผลแล้ว ในแง่ของการลดการสูญเสียของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ นักวิจัยในงานวิจัยนี้ได้เสนอการใช้เงินเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเป็นครั้งแรก เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีกว่า และพบว่าอิเล็กโทรดเงินสามารถลดการสูญเสียของไมโครเวฟได้ถึง 82% เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรดทองคำที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

รูปที่ 1 โครงสร้างของตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า LTOI การออกแบบการจับคู่เฟส การทดสอบการสูญเสียของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ

รูปที่ 2 แสดงอุปกรณ์ทดลองและผลลัพธ์ของตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า LTOI สำหรับการปรับความเข้มการตรวจจับโดยตรง (IMDD) ในระบบสื่อสารด้วยแสง การทดลองแสดงให้เห็นว่าตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าแสง LTOI สามารถส่งสัญญาณ PAM8 ที่อัตราสัญญาณ 176 GBd โดยมีค่า BER ที่วัดได้ 3.8×10⁻² ซึ่งต่ำกว่าเกณฑ์ SD-FEC 25% สำหรับทั้ง PAM4 200 GBd และ PAM2 208 GBd ค่า BER ต่ำกว่าเกณฑ์ SD-FEC 15% และ HD-FEC 7% อย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดสอบตาและฮิสโตแกรมในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าแสง LTOI สามารถใช้ในระบบสื่อสารความเร็วสูงที่มีความเป็นเส้นตรงสูงและอัตราข้อผิดพลาดบิตต่ำ

รูปที่ 2 การทดลองโดยใช้ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า LTOI สำหรับการปรับความเข้มการตรวจจับโดยตรง (IMDD) ในระบบสื่อสารด้วยแสง (a) อุปกรณ์ทดลอง; (b) อัตราความผิดพลาดของบิต (BER) ที่วัดได้ของสัญญาณ PAM8 (สีแดง), PAM4 (สีเขียว) และ PAM2 (สีน้ำเงิน) เป็นฟังก์ชันของอัตราเครื่องหมาย; (c) อัตราข้อมูลที่ใช้งานได้ (AIR, เส้นประ) และอัตราข้อมูลสุทธิที่เกี่ยวข้อง (NDR, เส้นทึบ) สำหรับการวัดที่มีค่าอัตราความผิดพลาดของบิตต่ำกว่าขีดจำกัด SD-FEC 25%; (d) แผนที่ดวงตาและฮิสโตแกรมทางสถิติภายใต้การมอดูเลชั่น PAM2, PAM4, PAM8

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า LTOI ความเร็วสูงตัวแรกที่มีแบนด์วิดท์ 3 dB เท่ากับ 110 GHz ในการทดลองส่งสัญญาณแบบตรวจจับโดยตรงด้วยการปรับความเข้มแสง (IMDD) อุปกรณ์นี้สามารถทำอัตราการส่งข้อมูลสุทธิแบบคลื่นพาหะเดี่ยวได้ถึง 405 Gbit/s ซึ่งเทียบได้กับประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของแพลตฟอร์มแสงไฟฟ้าที่มีอยู่ เช่น LNOI และตัวปรับสัญญาณพลาสมา ในอนาคตจะมีการใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่านี้ตัวปรับไอคิวด้วยการออกแบบใหม่หรือเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดของสัญญาณที่ล้ำหน้ายิ่งขึ้น หรือการใช้วัสดุรองรับที่มีการสูญเสียไมโครเวฟต่ำกว่า เช่น วัสดุรองรับควอตซ์ คาดว่าอุปกรณ์ลิเธียมแทนทาเลตจะสามารถบรรลุอัตราการสื่อสารที่ 2 เทราบิตต่อวินาทีหรือสูงกว่านั้น เมื่อรวมกับข้อดีเฉพาะของ LTOI เช่น การหักเหของแสงที่ต่ำกว่าและผลกระทบจากขนาดเนื่องจากการใช้งานอย่างแพร่หลายในตลาดตัวกรอง RF อื่นๆ เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ลิเธียมแทนทาเลตจะมอบโซลูชันต้นทุนต่ำ พลังงานต่ำ และความเร็วสูงพิเศษสำหรับเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูงและระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟรุ่นต่อไป