ลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) ความเร็วสูงตัวปรับแสงไฟฟ้า
ปริมาณการรับส่งข้อมูลทั่วโลกยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นผลมาจากการนำเทคโนโลยีใหม่ๆ มาใช้อย่างแพร่หลาย เช่น 5G และปัญญาประดิษฐ์ (AI) ซึ่งสร้างความท้าทายสำคัญสำหรับตัวรับส่งสัญญาณในทุกระดับของเครือข่ายออปติก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เทคโนโลยีโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกรุ่นใหม่จำเป็นต้องเพิ่มอัตราการถ่ายโอนข้อมูลอย่างมีนัยสำคัญเป็น 200 Gbps ในช่องสัญญาณเดียว พร้อมกับลดการใช้พลังงานและต้นทุน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในตลาดตัวรับส่งสัญญาณออปติก ส่วนใหญ่เป็นเพราะซิลิคอนโฟโตนิกส์สามารถผลิตได้จำนวนมากโดยใช้กระบวนการ CMOS ที่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ตัวโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติก SOI ที่อาศัยการกระจายตัวของพาหะต้องเผชิญกับความท้าทายอย่างมากในด้านแบนด์วิดท์ การใช้พลังงาน การดูดซับพาหะอิสระ และความไม่เชิงเส้นของโมดูเลชัน เส้นทางเทคโนโลยีอื่นๆ ในอุตสาหกรรม ได้แก่ InP, ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง LNOI, พอลิเมอร์ไฟฟ้าออปติก และโซลูชันการผสานรวมแบบหลายแพลตฟอร์มที่หลากหลาย LNOI ถือเป็นโซลูชันที่สามารถให้ประสิทธิภาพสูงสุดในการมอดูเลตความเร็วสูงพิเศษและใช้พลังงานต่ำ อย่างไรก็ตาม ปัจจุบัน LNOI ยังคงมีความท้าทายในด้านกระบวนการผลิตจำนวนมากและต้นทุน เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมงานได้เปิดตัวแพลตฟอร์มโฟโตนิกส์แบบฟิล์มบางลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) ที่มีคุณสมบัติทางโฟโตอิเล็กทริกที่ยอดเยี่ยมและการผลิตขนาดใหญ่ ซึ่งคาดว่าจะมีประสิทธิภาพเทียบเท่าหรือเหนือกว่าแพลตฟอร์มออปติคัลลิเธียมไนโอเบตและซิลิคอนในการใช้งานที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน อุปกรณ์หลักของการสื่อสารด้วยแสงตัวปรับคลื่นแสงแบบอิเล็กโทรออปติกความเร็วสูงพิเศษยังไม่ได้รับการตรวจสอบใน LTOI
ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้ออกแบบตัวปรับแสงไฟฟ้า LTOI เป็นครั้งแรก โดยมีโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 1 โดยการออกแบบโครงสร้างของแต่ละชั้นของลิเธียมแทนทาเลตบนฉนวนและพารามิเตอร์ของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ การจับคู่ความเร็วการแพร่กระจายของไมโครเวฟและคลื่นแสงในตัวปรับแสงไฟฟ้าสำเร็จแล้ว ในแง่ของการลดการสูญเสียของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ นักวิจัยในงานวิจัยนี้ได้เสนอการใช้เงินเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นเป็นครั้งแรก และอิเล็กโทรดเงินแสดงให้เห็นว่าสามารถลดการสูญเสียของคลื่นไมโครเวฟลงได้ถึง 82% เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรดทองคำที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย
รูปที่ 1 โครงสร้างตัวปรับคลื่นไฟฟ้าออปติก LTOI การออกแบบการจับคู่เฟส การทดสอบการสูญเสียอิเล็กโทรดไมโครเวฟ
รูปที่ 2 แสดงอุปกรณ์ทดลองและผลลัพธ์ของตัวปรับคลื่นไฟฟ้าออปติก LTOI สำหรับปรับความเข้มข้นการตรวจจับโดยตรง (IMDD) ในระบบสื่อสารออปติก การทดลองแสดงให้เห็นว่าตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าออปติก LTOI สามารถส่งสัญญาณ PAM8 ที่อัตราสัญญาณ 176 GBd โดยมีค่า BER ที่วัดได้ 3.8×10⁻² ต่ำกว่าเกณฑ์ 25% SD-FEC สำหรับทั้ง PAM4 200 GBd และ PAM2 208 GBd ค่า BER ต่ำกว่าเกณฑ์ 15% SD-FEC และ 7% HD-FEC อย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดสอบสายตาและฮิสโทแกรมในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นภาพว่าตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าออปติก LTOI สามารถใช้งานในระบบสื่อสารความเร็วสูงที่มีความเป็นเชิงเส้นสูงและอัตราความผิดพลาดบิตต่ำ
รูปที่ 2 การทดลองโดยใช้เครื่องมอดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติก LTOI สำหรับปรับความเข้มข้นได้การตรวจจับโดยตรง (IMDD) ในระบบการสื่อสารด้วยแสง (ก) อุปกรณ์ทดลอง; (ข) อัตราความผิดพลาดของบิตที่วัดได้ (BER) ของสัญญาณ PAM8(สีแดง), PAM4(สีเขียว) และ PAM2(สีน้ำเงิน) ตามฟังก์ชันของอัตราเครื่องหมาย; (ค) อัตราข้อมูลที่ใช้ได้แยกออกมา (AIR เส้นประ) และอัตราข้อมูลสุทธิที่เกี่ยวข้อง (NDR เส้นทึบ) สำหรับการวัดที่มีค่าอัตราความผิดพลาดของบิตต่ำกว่าขีดจำกัด 25% SD-FEC; (ง) แผนที่ตาและฮิสโทแกรมทางสถิติภายใต้การมอดูเลต PAM2, PAM4, PAM8
งานวิจัยนี้สาธิตโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติก LTOI ความเร็วสูงตัวแรกที่มีแบนด์วิดท์ 3 เดซิเบล ที่ความถี่ 110 GHz ในการทดลองส่งสัญญาณ IMDD แบบตรวจจับโดยตรงด้วยการปรับความเข้ม อุปกรณ์นี้สามารถบรรลุอัตราข้อมูลสุทธิของพาหะเดียวที่ 405 กิกะบิต/วินาที ซึ่งเทียบเท่ากับประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของแพลตฟอร์มอิเล็กโทรออปติกที่มีอยู่ในปัจจุบัน เช่น LNOI และโมดูเลเตอร์พลาสมา ในอนาคต การใช้โมดูเลเตอร์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นตัวปรับไอคิวคาดว่าอุปกรณ์ลิเธียมแทนทาเลตจะมีอัตราการสื่อสาร 2 เทระบิตต่อวินาทีขึ้นไป เมื่อรวมกับข้อได้เปรียบเฉพาะของ LTOI เช่น การหักเหแสงแบบไบรีฟริงเจนซ์ที่ต่ำกว่า และผลกระทบจากสเกลอันเนื่องมาจากการใช้งานอย่างแพร่หลายในตลาดตัวกรอง RF อื่นๆ เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ลิเธียมแทนทาเลตจะมอบโซลูชันต้นทุนต่ำ พลังงานต่ำ และความเร็วสูงพิเศษ สำหรับเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูงและระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟยุคหน้า
เวลาโพสต์: 11 ธ.ค. 2567