Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

4-х канальный мультиплексор на 350 ТГц на основе кремниевого оптического туннеля

Новая архитектура, сочетающая полупроводниковые технологии на основе кремния и оптический волновод , создает относительно небольшой мультиплексор, который поддерживает четыре потока данных со скоростью 48 Гбит/с с центральной частотой 350 ГГц.

Терагерцовый диапазон обещает множество преимуществ из-за его перспективного применения для высокоскоростной широкополосной связи (следующим будет 6G…), но разработчикам систем мешает отсутствие основных электронных компонентов, таких как усилители, переключатели и мультиплексоры/демультиплексоры. Одной из причин отсутствия компонентой базы является то, что терагерцовые волны (обычно находящиеся в диапазоне от 100 ГГц до 10 ТГц соответствуют длинам волн от 3 мм до 30 мкм) находятся в сложной зоне спектра между более традиционными радиочастотными частотами в диапазоне от десятки гигагерц и оптический диапазона с его нанометровыми длинами волн.

Поэтому исследователи стремятся использовать кремний и связанные с ним технологии проектирования и упрощения в оптической физике для создания полезных компонентов ТГц диапазона. Совместная исследовательская группа из Университета Осаки, Япония, и Университета Аделаиды, Австралия, разработала четырехканальный мультиплексор, который поддерживает поток данных со скоростью 48 Гбит/с с центральной модуляцией 350 ТГц. Они использовали полупроводниковый материал (кремний) в качестве основного материала наряду с доступными технологиями изготовления.

Существующие мультиплексоры в терагерцовом диапазоне основаны на «решетчатых оптических волноводных решетках» (AWG), в которых диэлектрическая пластина используется в качестве «области свободного распространения», к которой подключаются несколько волноводов для функции мультиплексирования. Однако этот метод имеет главный недостаток - габариты, поскольку размеры линейно масштабируются от более короткого оптического режима до более длинных терагерцовых длин волн. Базовый четырехканальный мультиплексор AWG на 300 ТГц требует очень значительной площади около 25 000 см2, и даже для модифицированных минимальных версий требуется достаточно большая площадь.

«Типичный четырехканальный оптический мультиплексор может охватывать более 2000 длин волн. Это будет около двух метров в длину в диапазоне 300 ГГц», - сказал доктор Дэниел Хедленд из Университета Осаки, который является ведущим автором исследования. «Наше устройство имеет всего 25 длин волн в поперечнике, что позволяет значительно уменьшить размер в 6000 раз».

Методология уменьшения размера

Вместо этого исследователи применили более изощренный подход, начиная с того факта, что терагерцовые волны могут оптически туннелировать из непокрытого диэлектрического волновода на соседнюю кремниевую пластину, формируя частотно-сканирующий луч. Если пластина и волновод изогнуты для фокусировки этого луча, луч может быть локализован в определенных частотных диапазонах для разделения.

Исследователи использовали хорошо известное явление оптического туннелирования, но совершенно по-новому, чтобы создать формирование луча внутри пластины без решеток. В результате получился эффективный мультиплексор с частотным разделением каналов 4: 1 для диапазона 300 ГГц с занимаемой площадью всего 4 см2.

Доцент Витават Витаячумнанкул из Школы электротехники и электронной техники Университета Аделаиды отметил: «Форма микросхем, которые мы разработали, является ключом к мультиплексированию/демультиплексированию каналов».

Моделирование конструкции

Идея устройства проста, но сложна в реализации, поэтому исследователи сначала выполнили полноволновое моделирование с использованием CST Studio Suite для моделирования процесса оптического туннелирования с целью проверки чувствительности к дефектам. Кремниевый волновод отделен от прилегающей диэлектрической пластины узким воздушным зазором (рис. 1). Толщина кремния составляет 200 мкм, ширина волновода - 160 мкм, расстояние между ними может изменяться. (Интересно, что вся конструкция находится в воздушной среде и не имеет поддерживающей основы).

Рис. 1. Оптическое туннелирование от непокрытого кремниевого диэлектрического волновода к соседней диэлектрической пластине, показывающее (а) физическою структуру и процесс оптического туннелирования; (б, в, г) распределение поля в поперечном сечении вытекающей моды; (e, f) скорость рассеивания и утечки для различных лучей; (g) дисперсию по частоте; и (h) угол сканирования результирующего пучка в слэб-моде (s=50 мкм во всех случаях)

Для распространения энергии используется основная поперечно-электрическая (ТЕ) мода волновода. В этом режиме вектор электрического поля параллелен плоскости полупроводника. В отсутствие пластины вся энергия была бы ограничена в этом режиме, и никакая энергия не терялась бы в окружающем пространстве.

Однако пластина взаимодействует с исчезающими полями моды волновода и, таким образом, улавливает часть ограниченной мощности, которая затем передается в основную моду TEo. Возникающие волны или поля образуются, когда волны, распространяющиеся в среде, подвергаются полному внутреннему отражению на границе (это же явление, делает оптическое волокно с оболочкой эффективным для распространения света).

Таким образом, терагерцовые волны постепенно проникают из волновода в пластину, и этот процесс известен как оптическое туннелирование (рис. 2). Комплексная постоянная распространения вытекающей моды описывает ее дисперсию и скорость утечки, параметры, которые имеют решающее значение для формирования луча внутри пластины. Величина и распределение пучка в слэб-моде рассчитываются путем настройки разделения по длине туннельного волновода.

Рис. 2. Конструкция внутри пластины фокусирующей структуры вытекающих волн, демонстрирующая (a) распределение величины поля утечки на расчетной частоте 350 ГГц и (b) расстояние s в зависимости от длины волновода; (с) иллюстрация процедуры проектирования для фокусировки внутри пластины, где граница пластины изогнута для компенсации накопленной фазы в кремниевом волноводе, а также микрофотография на вставке изготовленной структуры; и (d) график в условных цветах результирующего распределения интенсивности поля, где каждый компонент имеет линейных масштаб и нормирован на свой соответствующий максимум

Испытания

Тестирование и количественная оценка производительности этого мультиплексора, несомненно, является крупным проектом. Исследователи начали с оптической модуляции двухцветного инфракрасного лазерного луча с шаблоном передачи данных в NRZ коде с использованием псевдослучайной битовой последовательности из генератора шаблонов (рис. 3), который был подключен к мультиплексору, а затем соединен с выходом. Детектор терагерцового диапазона на основе диода с барьером Шоттки (SBD) использовался для извлечения модулирующего сигнала посредством детектирования огибающей.

Рис. 3. Демонстрация терагерцовой связи, показывающая (a) фотографию экспериментальной установки, в которой используется 4-ре канала, (b) измеренные коэффициенты ошибок по битам для всех каналов и (c, d, e, f) глазковые диаграммы демодулированных сигнал со скоростью 10 Гбит/с для каждого канала

Демодулированные импульсы усиливались, ограничивались и отображались в виде классической глазковой диаграммы, в то время как тестер коэффициента ошибок по битам (BER) использовался для количественного измерения качества канала в реальном времени. Для каждого канала в качестве несущей была выбрана центральная частота, скорость передачи данных изменялась с шагом 1 Гбит/с, что позволило построить результирующий BER. Скорость передачи данных в несколько гигабит в секунду поддерживалась каждым каналом.

Источник: www.electronicdesign.com