พื้นหลังการวิจัยและพัฒนา
ภายใต้แนวโน้มทั่วไปของการพัฒนาสังคมสารสนเทศ จำนวนข้อมูลทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยมนุษย์และเครื่องจักรจะยังคงเติบโตแบบทวีคูณในอัตรา 50-60% ต่อปีในอีก 15 ปีข้างหน้า เครือข่ายใยแก้วนำแสงสามารถให้ความสามารถในการสื่อสารที่จำเป็นสำหรับการเติบโตอย่างรวดเร็วของการส่งข้อมูลมวลชนในอนาคตหรือไม่ นั้นเป็นประเด็นพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับความยั่งยืนของการพัฒนาเทคโนโลยีสารสนเทศ ความท้าทายหลักที่ต้องเผชิญคือวิธีการขยายแบนด์วิดท์ช่องสัญญาณออปติคอลและอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนอย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับปรุงความสามารถในการรับส่งข้อมูล ขณะเดียวกัน ไม่เพียงแต่ลดการใช้พลังงานต่อความจุของหน่วยเท่านั้น แต่ยังช่วยลดพลังงานทั้งหมดอีกด้วย การใช้ช่องสัญญาณจึงเป็นการย้อนกลับแนวโน้มโดยรวมที่การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นตามปริมาณข้อมูล เทคโนโลยีฮาร์ดแวร์ทางกายภาพที่แสดงโดยชิปและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เป็นความก้าวหน้าหลักในการแก้ปัญหาความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญข้างต้นและปัญหาคอ
การเพิ่มอัตราสัญลักษณ์ (อัตรารับส่งข้อมูล) ของการส่งผ่านใยแก้วนำแสงสามารถลดจำนวนชิปและอุปกรณ์ที่จุดสิ้นสุดการส่งสัญญาณของการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้อย่างมาก เป็นวิธีสำคัญในการเพิ่มความเร็ว ลดการใช้พลังงาน และควบคุมต้นทุนของเครือข่ายการสื่อสารใยแก้วนำแสง ปัจจุบัน ระบบส่งผ่านแสงแบบเชื่อมโยงกันเชิงพาณิชย์ใช้ชิปประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) ของโหนดกระบวนการ 7 นาโนเมตร ซึ่งสามารถรองรับอัตราการส่งข้อมูล 800Gbit/s ด้วยประเภทรหัสมอดูเลชั่นของอัตราสัญลักษณ์บอด 96G และ 64QAM ระบบส่งสัญญาณยุคถัดไปใช้ 5nm DSP, อัตราสัญลักษณ์บอด 130G, ประเภทโค้ดมอดูเลต QPSK และสามารถรองรับการส่งข้อมูลทางไกลด้วยอัตราข้อมูล 400Gbit/s ที่ 1,500 กม. ขั้นตอนต่อไปสามารถรับรู้ถึงระบบการสื่อสารด้วยแสงที่สอดคล้องกันซึ่งมีอัตราสัญลักษณ์เกิน 200G บอดได้หรือไม่ ได้กลายเป็นประเด็นสำคัญของอุตสาหกรรมแล้วหรือไม่ สิ่งสำคัญอยู่ที่ว่าชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์และชิปไมโครอิเล็กทรอนิกส์สามารถฝ่าฟันอุปสรรคด้านประสิทธิภาพในปัจจุบันได้หรือไม่ โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกที่มีแบนด์วิธอิเล็กโทรออปติกขนาดใหญ่เป็นพิเศษมากกว่า 100GHz และแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์ต่ำเป็นพิเศษที่น้อยกว่า 1V ถือเป็นชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์หลักที่สำคัญในการบรรลุเป้าหมายนี้
นวัตกรรมที่สำคัญ
ในเดือนมกราคม 2022 มหาวิทยาลัยซุนยัตเซ็นร่วมมือกับ Huawei ได้เผยแพร่ชิปโมดูเลเตอร์แสงโพลาไรเซชันมัลติเพล็กซ์ซิงตัวแรกของโลกที่ใช้ฟิล์มลิเธียมไนโอเบต (M. Xu และคณะ ยังคงมีความท้าทายมากมายในการเพิ่มอัตรารับส่งข้อมูลให้สูงกว่า 200Gbaud ส่วนประกอบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดในระบบจำเป็นต้องมีแบนด์วิธที่เพียงพอ และความกว้างของสัญญาณขับเคลื่อนไฟฟ้าที่อัตราบอดสูงอยู่ที่เพียง 100 มิลลิโวลต์ ซึ่งกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับชิปโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกและเครื่องมือทดสอบ
จากงานข้างต้น Niobium Austria Optoelectronics, Sun Yat sen University, Bell Laboratory (ฝรั่งเศส), III-V Laboratory (ฝรั่งเศส) และ Zede Technology ได้จัดตั้งทีมวิจัยและพัฒนาร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและออกแบบการออกแบบออปติคอลและไมโครเวฟเพิ่มเติม การออกแบบตัวปรับแสงไฟฟ้าแบบฟิล์มลิเธียมไนโอเบต ใช้พื้นผิวควอตซ์เพื่อให้เกิดการสูญเสียไมโครเวฟต่ำเป็นพิเศษ และใช้อิเล็กโทรดคลื่นเดินทางแบบ capacitive เพื่อให้เกิดการส่งผ่านอัตราไมโครเวฟและอัตราคลื่นแสงแบบซิงโครนัสบนชิป แสงโพลาไรซ์คู่ประสิทธิภาพสูง โมดูเลเตอร์ที่มีแบนด์วิธอิเล็กโทรออปติคอล 3dB สูงถึง 110 GHz และแรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นต่ำเพียง 1 V ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ ดังแสดงในรูปที่ 1 เพื่อที่จะดำเนินการทดลองการส่งสัญญาณที่เสถียร Niobio Optoelectronics ยังได้เสร็จสิ้นการเชื่อมต่อของออปติคัลที่สูญเสียต่ำ ไฟเบอร์อาร์เรย์และชิปโมดูเลเตอร์ และตระหนักถึงโมดูลบรรจุภัณฑ์ที่สามารถจัดเรียงอินเทอร์เฟซ RF ได้อย่างยืดหยุ่น
โมดูเลเตอร์ IQ แบบฟิล์มบางของลิเธียมไนโอเบต
ทีมงานร่วมยังตระหนักถึงการทำลายสถิติการมอดูเลต DP-QPSK ที่มีอัตราการรับส่งข้อมูลสูงพิเศษ 260G (ดังแสดงในรูปที่ 2) และสาธิตการส่งผ่านใยแก้วนำแสงโหมดเดี่ยวระยะทาง 100 กม. โดยใช้เครื่องกำเนิดรูปคลื่นตามอำเภอใจ (AWG) ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด Deutsch M8199B ต้นแบบที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงถึง 260Gsa/s และแบนด์วิธมากกว่า 75GHz นอกจากนี้ รูปแบบการมอดูเลตระดับสูงของ Baud PCS-64QAM 185G ยังใช้เพื่อให้ได้อัตราส่วนข้อมูล (AIR) ที่ได้ 1.84 Tb/s (ดังแสดงในรูปที่ 3) ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของโมดูเลเตอร์ฟิล์มลิเธียมไนโอเบต เช่น แบนด์วิธขนาดใหญ่และแรงดันไฟฟ้าไดรฟ์ต่ำ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อัลกอริธึม DSP แบบไม่เชิงเส้นและอีควอไลเซอร์ MLSE พร้อมอัลกอริธึมที่ซับซ้อนในการทดลองการส่งสัญญาณ จึงสร้างบันทึกการส่งสัญญาณออปติคอลที่สอดคล้องกันอีกครั้งด้วยความซับซ้อน DSP ที่ต่ำกว่าและ การใช้พลังงาน.
งานนี้แสดงให้เห็นถึงอัตราการรับส่งข้อมูลการสื่อสารใยแก้วนำแสงที่สูงที่สุดในปัจจุบัน
