المغيرون البصريون يناسبون الإشارات عالية التردد

 

السرعة مطابقة الكابوس

إليك ما تتجاهله الكتب المدرسية عند وصف السفر-wave Mach-Zehnder modulators.

في نيوبات الليثيوم، يبلغ مؤشر الميكروويف حوالي 4.2 بينما يحوم المؤشر البصري بالقرب من 2.2. يعني عدم التطابق هذا أن إشارات التردد اللاسلكي وموجات الضوء تنتشر بسرعات مختلفة تمامًا عبر بنية القطب الكهربائي. عند الترددات المنخفضة، لا أحد يهتم - يكون طول التفاعل قصيرًا بما يكفي بحيث يظل خروج المرحلة ضئيلًا. ادفع إلى نظام جيجاهيرتز وفجأة يعرض المغير المصمم بشكل جميل تراجعًا في عرض النطاق الترددي مما يجعل أرقام ورقة البيانات تبدو وكأنها خيالية.

يتضمن الإصلاح هندسة قطب كهربائي معقدة. يمكنك زيادة سماكة الطبقات العازلة، وتوسيع الفجوات، وإضافة هياكل تحميل سعوية، وأي شيء في الأساس لإبطاء الميكروويف مع عدم تدمير كفاءة التعديل في هذه العملية. غيّر نيوبات الليثيوم الرقيق - اللعبة إلى حد ما - حيث أدى حصر الضوء إلى أدلة موجية أقل من - ميكرون إلى تقليل المؤشر البصري الفعال بشكل طبيعي وجعل مطابقة السرعة في متناول اليد دون التشوهات التي تتطلبها الأجهزة السائبة التقليدية.

لقد أمضيت ثلاثة أشهر في عام 2019 في تصحيح أخطاء تصميم مُعدِّل بتردد 40 جيجا هرتز، حيث بدا عرض النطاق الترددي المحاكى رائعًا وكانت الاستجابة المُقاسة أعلى من 25 جيجا هرتز. وتبين أن السبب وراء ذلك هو الحث الطفيلي في المستوى الأرضي الذي لم يصممه أحد بشكل صحيح. ثلاثة أشهر.

 

لماذا لا يزال الليثيوم نيوبات يفوز (في الغالب)

على الرغم من عقود من تطوير ضوئيات أشباه الموصلات، يظل LiNbO₃ هو الخيار الافتراضي لمعدلات الأداء العالي-في الاتصالات والروابط الضوئية للترددات اللاسلكية. الأسباب ليست غامضة: معامل r₃₃ يبلغ حوالي 31 مساءً/فولت، والشفافية البصرية من 350 نانومتر إلى 5 ميكرومتر، والبنية التحتية للتصنيع الناضجة التي تقدم نتائج متسقة.

لقد أدت ثورة الأغشية الرقيقة -التي تربط - طبقات LN الفرعية-ميكرون على السيليكون أو ركائز نيتريد السيليكون - إلى فتح الأداء الذي لا تستطيع الأجهزة الكبيرة تحقيقه ببساطة. دفعت العروض التوضيحية الأخيرة نطاقات ترددية تبلغ 3- ديسيبل إلى ما هو أبعد من 110 جيجا هرتز مع منتجات بطول الجهد- تبلغ حوالي 2.2 فولت · سم. قارن ذلك بأدلة الموجات التقليدية المملوءة بالتيتانيوم والتي تتطلب 5-6 فولت · سم وستفهم سبب اهتمام الجميع فجأة بـ TFLN في عام 2018 تقريبًا.

لكن المادة بها مشكلات لا يؤكد عليها البائعون في الأدبيات التسويقية.

 

الضرر الانكساري حقيقي ومزعج

 

Z-قطع مقابل X-قطع: المقايضة الأبدية

يحدد الاتجاه البلوري ما إذا كان المغير الخاص بك يغرد.

تعمل أجهزة القطع Z- على وضع الأقطاب الكهربائية مباشرة أعلى وأسفل الدليل الموجي، مما يزيد من تداخل المجال الكهربائي مع الوضع البصري. تحصل على قيمة Vπ أقل، مما يعني طاقة محرك RF أقل مطلوبة لعمق التعديل الكامل. يشتمل المصيد على تعديل طور غير متماثل بين ذراعي مقياس التداخل - عندما تخفض الكثافة، فإنك تفرض في الوقت نفسه تحولات تردد غير مرغوب فيها على إشارتك.

تكوينات القطع X- تضع الأقطاب الكهربائية بجوار الدليل الموجي في ترتيب دفع متماثل-سحب. يعاني كلا الذراعين من تحولات طورية متساوية ومعاكسة. صفر غرد. تعديل السعة النظيفة. لكن تداخل المجال يعاني، مما يدفع Vπ إلى أعلى ويتطلب مكبرات صوت RF أكبر.

بالنسبة للاتصالات الرقمية التي تعمل على تشغيل NRZ بسرعة 10 جيجابت/ثانية، قد يساعد التغريد في الواقع - حيث يمكنه تعويض التشتت اللوني جزئيًا عبر أطوال معينة من الألياف. بالنسبة للارتباطات الضوئية للترددات الراديوية التناظرية التي يكون فيها الخطية أمرًا مهمًا، يصبح القطع X- إلزاميًا.

 

الامتصاص الكهربائي يفعل الأشياء بشكل مختلف

تستغل وحدات EAMs المستندة إلى أشباه الموصلات-نطاق امتصاص الحواف- بدلاً من تغيرات معامل الانكسار. قم بتطبيق انحياز عكسي عبر بنية البئر الكمومية وتنزاح حافة الامتصاص إلى اللون الأحمر عبر تأثير ستارك الكمي - المحدود - الذي تشوه وظائف موجية الإكسيتون، وتقل طاقات الربط، ويتم الآن امتصاص الفوتونات التي تم إرسالها سابقًا.

جمال هذا الأسلوب: متطلبات محرك الفولت الفرعي- والتوافق الجوهري مع تكامل الليزر III-V. يمكنك تصنيع ليزر DFB والمغير على نفس شريحة InP، مما يؤدي إلى التخلص من خسائر اقتران الألياف ومشاكل المحاذاة.

القبح: حساسية الطول الموجي التي تجعل LiNbO₃ يبدو واسع النطاق بالمقارنة. تنهار نسب انقراض EAM إذا انجرف الليزر حتى بضعة نانومترات. أصبح التحكم في درجة الحرارة غير قابل للتفاوض-.

كما أن الامتصاص يولد بطبيعته تيارًا ضوئيًا. عند القوى الضوئية العالية، يقوم هذا التيار بتعديل توزيع المجال الكهربائي عبر الآبار الكمومية، مما يتسبب في أن تصبح كفاءة التعديل معتمدة على الطاقة-بطرق تؤدي إلى تعقيد تصميم الارتباط.

 

ما يحد في الواقع من عرض النطاق الترددي

يخلط الأشخاص بين العديد من قيود النطاق الترددي المميزة ويخلقون ارتباكًا.

يعتمد عرض النطاق الترددي الكهربائي على ثوابت وقت RC من سعة الوصلة ومقاومة القطب، بالإضافة إلى تأثيرات الموجات -المتنقلة مثل عدم تطابق السرعة وفقدان الموجات الدقيقة. عادةً ما تهيمن هذه العوامل على الأجهزة-المصممة جيدًا.

عرض النطاق البصري - يعني نطاق الطول الموجي الذي تظل خلاله كفاءة التشكيل ثابتة تقريبًا - ويعتمد على تشتت المواد وتصميم الدليل الموجي. بالنسبة لأجهزة نيوبات الليثيوم، عادةً ما يكون هذا هائلاً، ويمتد لمئات النانومترات. بالنسبة لـ EAMs قد يكون 20-30 نانومتر إذا كنت محظوظًا.

يقع وقت استجابة المادة الجوهرية لتأثير Pockels في نظام الفيمتو ثانية. لم يقم أحد من قبل ببناء مُعدِّل بالسرعة الكافية لرؤية هذا الحد. يستجيب تأثير فرانز-Keldysh بسرعة مماثلة. عندما يقتبس البائعون "زمن الاستجابة 1 ps" فإنهم يتحدثون عن التبديل الكهربائي المحدود RC-، وليس الفيزياء الأساسية.

 

 

مطابقة المعاوقة مهمة أكثر مما تعتقد

تفترض أنظمة الترددات اللاسلكية القياسية 50 أوم في كل مكان. غالبًا ما تقدم المغيرات الضوئية أحمالًا تفاعلية تختلف مع التردد - حيث تتصرف البلورة كمكثف ضائع بالتوازي مع أي مقاومة إلكترود موجودة.

قم بتشغيل مُعدِّل عالي التردد- باستخدام مصدر لا مثيل له وسترى انعكاسات تلحق الضرر بمكبرات الصوت، وموجات ثابتة تُنشئ تموجات استجابة تعتمد على التردد-، وكفاءة توصيل الطاقة التي تنخفض تمامًا عندما تكون في أمس الحاجة إليها.

تساعد تصميمات الموجات المتنقلة- من خلال تقديم معاوقة موزعة على طول القطب الكهربي. تمتص المقاومات الطرفية ما لا يرتبط بالمجال البصري. لكن تحقيق تطابق حقيقي بمقدار 50 أوم من التيار المستمر حتى 100 جيجا هرتز يتطلب دقة محاكاة تدفع أدوات EM التجارية إلى أقصى حدودها.

تأخذ وحدات تعديل الرنين الاتجاه المعاكس - بشكل غير متطابق عمدًا لإنشاء دائرة خزان Q عالية- تعمل على تحويل جهد الإدخال المنخفض إلى حقول مقياس كيلو فولت- اللازمة للتأرجح الكامل Vπ. يعمل بشكل رائع على تردد واحد. غير مجدية لتطبيقات النطاق العريض.

 

مشكلة الانجراف التحيز لا أحد يريد مناقشتها

قم بتطبيق جهد التيار المستمر على مُعدِّل نيوبات الليثيوم وانتظر. نقطة التشغيل تتجول.

يحدث هذا لأن بنية الجهاز ليست مقاومة تمامًا - لديك طبقات عازلة، ومناطق منتشرة من التيتانيوم-، وركيزة غير منشطة، وكلها ذات موصلات وثوابت عازلة مختلفة. يتم إعادة توزيع الرسوم على مدار ساعات إلى أيام، مما يؤدي إلى فحص المجال المطبق وتحويل وظيفة النقل.

تعمل تصميمات المغير المناسبة على تقليل الانجراف من خلال الاختيار الدقيق للمواد والتحكم في عملية التصنيع. لكن "التقليل" لا يعني "القضاء". يتضمن كل تثبيت جدي وحدات تحكم متحيزة تراقب الإخراج البصري وتضبط الجهد بشكل مستمر للحفاظ على نقطة التشغيل المطلوبة.

يضيف التأثير الكهروحراري طبقة أخرى من الإزعاج. تولد التغيرات في درجات الحرارة استقطابًا عفويًا يشبه تمامًا الجهد المطبق من منظور البلورة. ضع المغير الخاص بك بالقرب من مصدر الحرارة وشاهد نقطة التحيز وهي تتراقص حولك.

 

المعدِّلات البلازمونية موجودة ولكنها تظل غريبة

تبدو درجة الصوت مقنعة: حصر كل من مجالات الضوء والترددات الراديوية في الفجوات النانوية باستخدام أوضاع البلازمون السطحي، مما يحقق كفاءة التعديل المستحيلة باستخدام أدلة الموجات الضوئية.

توضح النتائج الحديثة منتجات VπL أقل من 0.1 فولت · سم مع أطوال قطب كهربائي أقل من 20 ميكرومتر. يصل عرض النطاق الترددي إلى ما هو أبعد من 100 جيجا هرتز لأن كل شيء صغير جدًا بحيث تصبح مطابقة السرعة تافهة.

الصيد ينطوي على الخسارة. تعمل الأوضاع البلازمونية على تبديد الطاقة إلى تسخين المعدن. تؤدي خسائر الإدخال البالغة 10-15 ديسيبل لكل جهاز إلى صعوبة ميزانيات الطاقة على مستوى النظام. ويتطلب اقتران الضوء من الألياف القياسية أحادية الوضع في فتحات البلازمونية النانوية هياكل مستدقة تستهلك مساحة الرقاقة وتضيف خسائرها الخاصة.

بالنسبة للتطبيقات المتخصصة التي يتفوق فيها الحجم والسرعة على الكفاءة، فإن علم البلازمونات يكون منطقيًا. بالنسبة لأجهزة الإرسال والاستقبال للاتصالات التي تشحن ملايين الوحدات، تظل التكنولوجيا أكاديمية.

 

تريد الضوئيات السيليكونية المنافسة

توفر وحدات تعديل استنفاد الموجات الحاملة- في السيليكون توافقًا مع CMOS وكثافة تكامل لا يمكن أن يضاهيها نيوبات الليثيوم. قم بتصنيع المغير الخاص بك جنبًا إلى جنب مع إلكترونيات التشغيل على نفس الرقاقة باستخدام العمليات التي تعمل بها المسابك بالفعل على نطاق واسع.

لقد تحسن الأداء بشكل كبير - 50 أصبحت عروض النطاق الترددي جيجا هرتز روتينية، وتم إثبات عملية تبلغ 85 جيجا بايت. لكن الآلية الأساسية تعتمد على -امتصاص الموجة الحاملة الحرة وتشتت البلازما، وكلاهما من التأثيرات الضعيفة التي تتطلب أطوال تفاعل أطول أو تعزيز الرنين لتحقيق نسب انقراض معقولة.

تحاول الأساليب الهجينة التي تربط -الأغشية الرقيقة LN بالدوائر الضوئية السيليكونية الحصول على فوائد من كلا العالمين. يمكنك الحصول على كفاءة تعديل نيوبات الليثيوم مع كثافة تكامل السيليكون. يزداد تعقيد التصنيع في المقابل.

 

تختلف حساسية درجة الحرارة بشكل كبير

يُظهر نيوبات الليثيوم معاملات بصرية حرارية - قوية - تبلغ حوالي 3.9×10⁻⁵ / درجة للمؤشر الاستثنائي. يؤدي التأرجح بمقدار 10 درجات إلى تغيير انحياز مقياس التداخل بمقدار ربع الطول الموجي تقريبًا إذا لم تكن حذرًا.

تواجه مُعدِّلات أشباه الموصلات مشكلات مماثلة بالإضافة إلى تحولات فجوة النطاق التي تغير حواف الامتصاص.

يتضمن الحل القياسي تصميمًا حراريًا (ترتيب مسارات الدليل الموجي بحيث يتم إلغاء -تغيرات الطور المستحثة) أو تثبيت درجة الحرارة النشطة باستخدام المبردات الكهروحرارية. لا يعد أي من النهجين مجانيًا - حيث تستهلك التصميمات الحرارية مساحة الشريحة بينما تستمد أنظمة TEC الطاقة وتضيف أوضاع الفشل.

تواجه الأنظمة الميدانية- المنشورة تقلبات في درجات الحرارة المحيطة والتي تتجاهلها العروض التوضيحية المعملية بسهولة. ما يعمل بشكل جميل عند 25 درجة قد يصبح غير قابل للاستخدام عند -40 درجة أو +85 درجة بدون جهد هندسي جاد.

 

تكاليف التعبئة والتغليف تهيمن

يتم التغاضي عن هذا باستمرار.

قد تكلف شريحة المغير الفعلية بضعة دولارات من حيث الحجم. إن تغليف هذه الشريحة بموصلات الترددات اللاسلكية، وأسلاك التوصيل المصنوعة من الألياف، وأجهزة الكشف الضوئي لمراقبة التحيز، والإدارة الحرارية، والختم المحكم يضيف بسهولة ما بين 500 إلى 2000 دولار إلى فاتورة المواد.

-عملية التردد العالي تجعل عملية التعبئة والتغليف أكثر صعوبة لأن كل محاثة رابطة سلكية وانقطاع الموصل مهمان. 40 تتطلب الأجهزة التي تعمل بسرعة جيجاهرتز اهتمامًا دقيقًا باستمرارية المستوى الأرضي. 100 تتطلب الأجهزة التي تعمل بسرعة جيجاهرتز قلب-ربط الرقاقة أو تقنيات قابلة للمقارنة تضيف خطوات عملية وتقلل من الإنتاجية.

لقد تحسنت الصناعة في هذا الأمر على مدار عقدين من الزمن، لكن التغليف يظل السبب وراء تكلفة المعدِّلات التجارية لما تفعله.

 

ما هو الشحن في الواقع من حيث الحجم

على الرغم من كل نتائج الأبحاث المثيرة، فإن سوق الاتصالات ذات الحجم الكبير-يستخدم في الغالب الأجهزة التي كانت تبدو مثيرة للإعجاب قبل خمس سنوات مضت وعادية اليوم.

تهيمن 20 - 40 جيجا هرتز من الليثيوم نيوبات MZMs على الإرسال المتماسك 100G / 400G. تظهر المعدِّلات الضوئية السيليكونية في الوصلات البينية لمراكز البيانات حيث يكون التكامل مع الإلكترونيات أكثر أهمية من الأداء الأولي. تعمل وحدات EAM المعتمدة على InP- والمتكاملة مع DFBs على خدمة التطبيقات قصيرة المدى حيث تتفوق التكلفة والحجم على مواصفات الأداء.

تبقى عروض -حافة 100+ جيجاهرتز النازفة في المختبرات أو التطبيقات المتخصصة ذات الحجم الصغير-. يستغرق إنتاج التصنيع وتأهيل الموثوقية وخفض التكلفة سنوات حتى ينضج.

 

الموثوقية ليست براقة ولكنها ضرورية

تتوقع شركات الاتصالات عمرًا ميدانيًا يصل إلى 20 عامًا. وهذا يعني إظهار ثبات الانجراف المتحيز من خلال الشيخوخة المتسارعة، وإثبات سلامة ربط الألياف التي تنجو من التدوير الحراري، وتأهيل كل ختم محكم ضد دخول الرطوبة.

تتمتع أجهزة نيوبات الليثيوم بعقود من بيانات الموثوقية التي تدعم استخدامها في الكابلات البحرية والوصلات الأساسية الأرضية. تواجه التقنيات الأحدث تدقيقًا أكثر صرامة لأن أوضاع الفشل لم يتم تحديدها بشكل كامل بعد.

تتضمن إحدى المشكلات المتكررة تدهور القطب عند مستويات طاقة التردد اللاسلكي العالية. تؤدي هجرة المعادن وتكوين الأكسيد والضغط الميكانيكي الناتج عن التدوير الحراري إلى زيادة فقدان الإدراج والتحول Vπ تدريجيًا. يحاول الاختبار المتسارع عند درجات حرارة مرتفعة التنبؤ بسلوك نهاية-السلوك الحياتي، لكن الارتباط بين نتائج المختبر والخبرة الميدانية يظل غير كامل.

 

الأرقام التي تهم

عند تقييم مُعدِّل للتطبيقات-عالية التردد، تستحق هذه المواصفات الاهتمام:

عرض النطاق الترددي البصري 3-ديسيبل كهربائي- - وليس نقطة -6 ديسيبل التي تتسلل إليها بعض أوراق البيانات. قد توفر مواصفات 40 جيجا هرتز عند -6 ديسيبل 25 جيجا هرتز فقط عند -3 ديسيبل.

Vπ عند تردد التشغيل الخاص بك، وليس DC. يتسبب فقدان القطب وعدم تطابق السرعة في زيادة Vπ مع التردد في معظم تصميمات الموجات - المتنقلة.

فقدان الإدراج بما في ذلك اقتران الألياف. تبدو أرقام مستوى الشريحة- أفضل من أرقام الأجهزة المجمعة، وبشكل كبير في بعض الأحيان.

نسبة الانقراض تحت التشكيل، وليست ثابتة. تعمل عيوب محرك التردد اللاسلكي وقيود النطاق الترددي على تقليل التباين الذي يمكن تحقيقه عند الترددات العالية.

خسارة العودة أو S11 لوصف جودة مطابقة المعاوقة. تشير خسارة الإرجاع الضعيفة إلى انعكاسات من شأنها أن تسبب مشاكل في سلسلة التردد اللاسلكي لديك.

لا أحد يقيس كل ما تحتاجه في ظل ظروف التشغيل الخاصة بك بالضبط. يتطلب تفسير أوراق البيانات خبرة في التعرف على الأرقام التي تترجم إلى تطبيقك والتي تمثل أفضل-سيناريوهات الحالة التي لن تتمكن من تحقيقها أبدًا.

 

الاتجاهات المستقبلية التي قد تكون مهمة بالفعل

يستمر التكامل العالي في دفع تقنية المغير نحو الدوائر المتكاملة الضوئية التي تجمع بين أجهزة الليزر والمعدلات ومكبرات الصوت ومضاعفات الإرسال على شرائح مفردة. وهذا يقلل من خسائر اقتران الألياف، ويزيل تجميع المكونات المنفصلة، ​​ويتيح الأداء الوظيفي المستحيل مع الأجهزة المنفصلة.

إن التحرك نحو معدلات باود أعلى - 100+ Gbaud للإرسال المتماسك - يتطلب نطاقات ترددية للمعدِّل لا تكاد تحققها المنتجات التجارية الحالية. يبدو أن أجهزة TFLN في وضع يمكنها من تلبية هذه الحاجة في حالة نجاح التصنيع.

تمثل العناصر الضوئية المجمعة-التي تضع الضوئيات مباشرة على محولات ASIC حدودًا أخرى للتكامل. تصبح الواجهات الكهربائية قصيرة للغاية، مما قد يتيح عرض نطاق ترددي أعلى مع طاقة أقل من أجهزة الإرسال والاستقبال الحالية القابلة للتوصيل.

يعتمد فوز أي تقنية معينة على الأداء الأولي بدرجة أقل من اعتماده على تكلفة التصنيع، ونضج سلسلة التوريد، ودعم النظام البيئي - العوامل التي تتحرك بشكل أبطأ مما قد توحي به النتائج المختبرية.

من المحتمل أن يبدو المُعدِّل الذي ستنشره في العام المقبل مشابهًا تمامًا لما تم شحنه قبل ثلاث سنوات، بغض النظر عما تعد به أوراق المؤتمر.