تصميم مبدل المرحلة من السيليكون الفوتوني MEMS مع المحاكاة

يتم تقديم هذه المقالة الدعائية إليك بواسطة COMSOL.

غالبًا ما يوصف العالم الحديث المتصل بالإنترنت على أنه سلكي، ولكن معظم حركة بيانات الشبكة الأساسية يتم نقلها فعليًا بواسطة الألياف الضوئية – وليس الأسلاك الكهربائية. على الرغم من ذلك ، لا تزال البنية التحتية الحالية تعتمد على العديد من مكونات معالجة الإشارات الكهربائية المدمجة داخل شبكات الألياف البصرية. يمكن أن يؤدي استبدال هذه المكونات بأجهزة فوتونية إلى زيادة سرعة الشبكة وقدرتها وموثوقيتها. للمساعدة في تحقيق إمكانات هذه التكنولوجيا الناشئة ، طور فريق متعدد الجنسيات في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) نموذجًا أوليًا لمحول الطور الفوتوني السيليكوني ، وهو جهاز يمكن أن يصبح لبنة أساسية للجيل القادم من البصريات شبكات بيانات الألياف.

إنارة مسار نحو الشبكات البصرية بالكامل

يبدو استخدام الأجهزة الضوئية لمعالجة الإشارات الضوئية منطقيًا ، فلماذا لا يعد هذا النهج هو القاعدة بالفعل؟ “سؤال جيد للغاية ، لكنه في الواقع سؤال صعب الإجابة عليه!” يقول حامد ستاري ، المهندس حاليًا في المركز السويسري للإلكترونيات والتكنولوجيا الدقيقة (CSEM) المتخصص في الدوائر المتكاملة الضوئية (PIC) مع التركيز على تقنية النظام الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS). كان Sattari عضوًا رئيسيًا في فريق EPFL للضوئيات الذي طور مبدل الطور الفوتوني السيليكوني. في اتباع نهج قائم على MEMS لمعالجة الإشارات الضوئية ، يستفيد ساتاري وزملاؤه من تقنية التصنيع الجديدة والناشئة. يقول ساتاري: “حتى قبل عشر سنوات ، لم نتمكن من إنتاج هياكل متحركة متكاملة بشكل موثوق لاستخدامها في هذه الأجهزة”. “الآن ، أصبحت ضوئيات السيليكون و MEMS أكثر قابلية للتحقيق مع قدرات التصنيع الحالية لصناعة الإلكترونيات الدقيقة. هدفنا هو توضيح كيف يمكن استخدام هذه القدرات لتحويل البنية التحتية لشبكة الألياف الضوئية. “

تعتمد شبكات الألياف الضوئية ، التي تشكل العمود الفقري للإنترنت ، على العديد من أجهزة معالجة الإشارات الكهربائية. يمكن لمكونات الشبكة الضوئية للسيليكون النانوية ، مثل مبدلات الطور ، أن تعزز سرعة الشبكة الضوئية وقدرتها وموثوقيتها.

يعد مشروع تصميم ناقل الحركة الطور جزءًا من جهود EPFL الأوسع لتطوير مكونات ضوئية قابلة للبرمجة لشبكات بيانات الألياف الضوئية وتطبيقات الفضاء. تتضمن هذه الأجهزة مفاتيح ؛ مقرنات صريف من رقاقة إلى ألياف ؛ المخففات البصرية المتغيرة (VOAs) ؛ ومحولات الطور ، والتي تعدل الإشارات الضوئية. يقول ساتاري: “تميل مغيرات الطور الضوئية الحالية لهذا التطبيق إلى أن تكون ضخمة ، أو أنها تعاني من فقدان الإشارة”. أولويتنا هي إنشاء مبدل طور أصغر مع خسارة أقل ، وجعله قابلاً للتطوير للاستخدام في العديد من تطبيقات الشبكة. يمكن أن يؤدي تشغيل النظم الكهروميكانيكية الصغرى للأدلة الموجية المنقولة إلى تعديل إشارة ضوئية باستهلاك منخفض للطاقة في مساحة صغيرة “.

كيف يساعد الدليل الموجي المتحرك في تعديل الإشارات الضوئية

إن مبدل الطور MEMS هو آلية متطورة ذات غرض بسيط مخادع: فهو يضبط سرعة الضوء. لتغيير طور الضوء هو إبطائه. عندما يحمل الضوء إشارة بيانات ، يؤدي التغيير في سرعته إلى حدوث تغيير في الإشارة. ستعمل التحولات السريعة والدقيقة في الطور على تعديل الإشارة ، ودعم نقل البيانات بأقل خسارة في جميع أنحاء الشبكة. لتغيير طور الضوء الذي ينتقل عبر موصل من الألياف الضوئية ، أو الدليل الموجي للحافلةتقوم آلية MEMS بتحريك قطعة من السيليكون الشفاف تسمى أ مقرنة على مقربة من الحافلة.

يوفر تصميم آلية MEMS في ناقل الحركة مرحلتين من الحركة (الشكل 1). توفر المرحلة الأولى حركة تشغيل وإيقاف بسيطة للدليل الموجي للمقرنة ، وبالتالي يتم إشراك أو فصل قارنة التوصيل عن الناقل. عند تعشيق قارنة التوصيل ، يتم توفير نطاق حركة أدق من خلال المرحلة الثانية. يتيح ذلك ضبط الفجوة بين المقرن والناقل ، مما يوفر تعديلًا دقيقًا لتغير الطور في الإشارة الضوئية. يوضح ساتاري: “إن تحريك قارنة التوصيل باتجاه الحافلة هو ما يغير مرحلة الإشارة”. “المقرنة مصنوعة من السيليكون مع معامل انكسار عالي. عندما يقترن المكونان ، ستمر أيضًا موجة ضوئية تتحرك عبر الناقل عبر المقرن ، وستتباطأ الموجة “. إذا لم يتم التحكم في الاقتران البصري للمقرن والناقل بعناية ، يمكن أن يتشوه شكل موجة الضوء ، مما قد يفقد الإشارة – والبيانات.

التصميم في Nanoscale مع المحاكاة البصرية والكهروميكانيكية

كان التحدي الذي واجهه ساتاري وفريقه هو تصميم آلية نانوية للتحكم في عملية الاقتران بأكبر قدر ممكن من الدقة والموثوقية. نظرًا لأن ناقل الحركة الخاص بهم سيستخدم التيار الكهربائي لتحريك عنصر بصري ماديًا ، اتخذ ساتاري وفريق EPFL نهجًا ثنائي المسار لتصميم الجهاز. كان هدفهم هو تحديد مقدار الجهد الذي يجب تطبيقه على آلية MEMS للحث على التحول المطلوب في الإشارة الضوئية. كانت المحاكاة أداة أساسية لتحديد القيم المتعددة التي من شأنها أن تؤسس العلاقة بين الجهد والطور. الجهد مقابل المرحلة هو سؤال معقد متعدد الفيزياء. لقد قدم لنا برنامج COMSOL Multiphysics العديد من الخيارات لتقسيم هذه المشكلة الكبيرة إلى مهام أصغر ، “كما يقول ساتاري. “لقد أجرينا المحاكاة في قوسين متوازيين ، باستخدام وحدة RF للنمذجة البصرية ووحدة الميكانيكا الإنشائية للمحاكاة الكهروميكانيكية.”

تضمنت النمذجة الضوئية (الشكل 2) تحليل الوضع ، والذي حدد معامل الانكسار الفعال لعناصر الدليل الموجي المقترنة ، تليها دراسة انتشار الإشارة. يقول ساتاري: “هدفنا هو دخول الضوء إلى أجهزتنا والخروج منها مع التغيير المطلوب فقط في مرحلته”. “للمساعدة في تحقيق ذلك ، يمكننا تحديد eigenmode لنظامنا في COMSOL.”

إلى جانب تحديد الأشكال الفيزيائية للدليل الموجي وآلية التشغيل ، مكنت المحاكاة ساتري أيضًا من دراسة تأثيرات الإجهاد ، مثل التشوه غير المرغوب فيه أو الإزاحة الناتجة عن التشغيل المتكرر. يقول: “كل قرار يتعلق بالتصميم يعتمد على ما أظهرته لنا المحاكاة”.

إضافة إلى تأسيس الشبكات الضوئية المستقبلية

كان الهدف من هذا المشروع هو توضيح كيف يمكن إنتاج مبدلات طور النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) بقدرات التصنيع الحالية. والنتيجة هي تصميم قوي وموثوق يمكن تحقيقه من خلال عمليات التصنيع السطحية الدقيقة الآلية ، ويحتل مساحة إجمالية تبلغ 60 ميكرون × 44 ميكرومتر فقط. الآن بعد أن أصبح لديهم دليل ثابت على المفهوم ، يتطلع ساتاري وزملاؤه إلى رؤية تصميماتهم مدمجة في شبكات البيانات الضوئية في العالم. يقول ساتاري: “نحن نصنع اللبنات الأساسية للمستقبل ، وسيكون من المجزي رؤية إمكاناتها تصبح حقيقة واقعة”.

مراجع

1. H. Sattari et al. ، “ناقل حركة طور السيليكون الفوتوني MEMS ،” اوبتكس اكسبريس، المجلد. 27 ، لا. 13 ، ص. ١٨٩٥٩-١٨٩٦٩ ، ٢٠١٩.
2. TJ Seok et al. ، “المفاتيح الضوئية الرقمية ذات النطاق العريض ذات النطاق العريض مع قارنات ثابتة ثابتة ،” البصريات، المجلد. 3 ، لا. 1 ، ص. 64-70 ، 2016.