מודולטורים של ניטריד סיליקון משולבים באופן הטרוגני עם לטנטלייט ליתיום לתקשורת במהירות גבוהה

אינטרנט מהיר יותר על שבב זעיר

זרמת מדיה, מחשוב ענן ובינה מלאכותית תלויים כולם בהעברת כמויות עצומות של מידע דרך סיבים אופטיים. אך המכשירים המיקרוסקופיים שממירים ביטים אלקטרוניים לפיצוצי אור מתקשים לעמוד בקצב. עבודה זו מציגה סוג חדש של "מפסיק אור" בקנה־מידה של שבב המשלב שני חומרים שונים — לטנטלייט ליתיום וניטריד סיליקון — כדי לדחוף קצבי נתונים למאות מיליארדי ביטים לשנייה, תוך שמירה על אובדנים נמוכים ויתירות בייצור.

למה צריכים מפסיקי אור חדשים

רשתות תקשורת מודרניות נשענות על מעגלים פוטוניים משולבים, לוחות האם האופטיים הזעירים שמנחים אור במקום חשמל. ניטריד סיליקון הוא חומר מוביל עבור מעגלים אלה כי הוא מאפשר לאור לנסוע מרחקים ארוכים על השבב עם אובדן מועט ויכול להתמודד עם הספק אופטי גבוה. עם זאת יש לו חיסרון: לבדו, ניטריד סיליקון אינו יכול לשנות ביעילות את עוצמת או שלב האור כאשר מוחלים עליו אותות חשמליים — פעולה מהותית לקידוד נתונים. כדי להתגבר על כך, חוקרים פונים לגבישים פרו־חשמליים כגון לטנטלייט ליתיום, המגיבים כמעט מיד לשדות חשמליים בתופעה שנקראת אפקט פוקס, ומאפשרים מודולציה על־מהירה של האור.

בניית פלטפורמה פוטונית היברידית

הצוות פיתח תהליך בקנה מידה של וופר לחיבור שכבת לטנטלייט ליתיום דקה במיוחד ישירות על גבי מדריכים אופטיים מנוטריד סיליקון שעוצבו מראש. תחילה הם יוצרים מעגלי ניטריד סיליקון בעלי אובדן נמוך באמצעות תהליך שנקרא דאמאסקן, המפיק מדריכים חלקים עם כידוד חזק של האור. בנפרד מכינים וופרים של לטנטלייט על מבודד. לאחר ניקוי והפעלה משמרים זהירים של המשטחים, שני הוופרים מוקרבים זה לזה כך שכוחות מולקולריים מקשרים ביניהם, וטיפול חימום עוקב מחזק את החיבור. התמיכה הסיליקונית מתחת ללטנטלייט מוסרת לאחר מכן, חושפת שכבה פרו־חשמלית דקה הממוקמת במדויק מעל מדריכי ניטריד הסיליקון מבלי הצורך בארוזיה אגרסיבית שיכולה לפגוע בחומרים או להוסיף אובדנים חשמליים.

הפיכת חשמל לאותות אור במהירות-על

על פלטפורמה היברידית זו החוקרים מדפיסים אלקטרודות מתכתיות ליצירת מודולטורי מאך–זנהר ומודולטורים מורכבים יותר מסוג in‑phase/quadrature (IQ). במכשירים אלה, אור ממקור לייזר עובר דרך זוג מסלולים שהתאבכותם נשלטת על־ידי שינויים קטנים במתח המופעלים על פני שכבת הלטנטלייט. המודולטורים משיגים מכפלת מתח־אורך של בערך 4 V·cm, כלומר הם יכולים לייצר השפעת מודולציה חזקה על פני מספר מילימטרים בודדים של אורך המכשיר עם מתחים מקורבים. תגובתם נשארת שטוחה עד סביב 100 גיגה־הרץ, מה שמעיד שהם יכולים לעקוב באמינות אחרי שינויים חשמליים מהירים ביותר. חשוב מכך, המדריכים ההיברידיים שומרים על אובדן אופטי נמוך — כ־14 dB למטר — והתקנים מראים פעולה יציבה תחת דחיסה מתמדת, עם סטייה מועטה מאוד לאורך שעה, בעיה שפגעה בכמה מודולטורים פרו־חשמליים קודמים.

הדחיפה של קצבי הנתונים לרמות חדשות

כדי לבדוק מה המודולטורים יכולים לעשות בסביבות תקשורת אמיתיות, הצוות שידר אותות אופטיים מתקדמים דרך סיבים. באמצעות מודולטור עוצמה יחיד המופעל על‑ידי אותות רב־רמתיים של ארבעה מצבים, הם השיגו קצבי נתונים נטו עד 333 גיגה־ביט לשנייה לאחר התחשבות בקידודי תיקון שגיאות ריאליים. עם מודולטורי IQ, השולטים גם בעוצמה וגם בשלב האור והם סטנדרטיים במערכות קוהרנטיות לטווח ארוך, שידרו אותות מורכבים של כוונון מרובע במרחב של 16 מצבים. ניסויים אלה השיגו קצבי שורה עד 704 גיגה־ביט לשנייה וקצבי נתונים נטו גבוהים ככל 581 גיגה־ביט לשנייה — מספרים המתחרים או עולים על פלטפורמות משולבות רבות קיימות בעודן משתמשות בבסיס ניטריד סיליקון בעל אובדן נמוך.

מה משמעות הדבר עבור רשתות עתידיות

על‑ידי חיבור בין האובדן הנמוך וייצור בוגר של מעגלי ניטריד סיליקון לתגובה האלקטרו‑אופטית העל־מהירה של לטנטלייט ליתיום בסרט דק, עבודה זו מספקת דרך מעשית לקישורים אופטיים מהירים ויעילים יותר. ההתקנים ההיברידיים ניתנים לייצור על פני וופרים שלמים בתשואה גבוהה, מה שהופך אותם לאטרקטיביים לפריסה בקנה מידה גדול. מעבר להאצת חוטי האינטרנט ונתבי מרכזי הנתונים, אותה פלטפורמה יכולה לשמש כמקור להמרת מיקרוגל לאופטי קומפקטי, מערכות לייזר מדויקות וחיישני ליידאר מהדור הבא. בפשטות, המחקר ממחיש כיצד ערימת חומרים מהנדסת בקפידה יכולה להפוך שבב מנחה אור פסיבי למנוע פעיל ומהיר עבור עידן המידע.

ציטוט: Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun 17, 3314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69769-3

מילות מפתח: מעגלים פוטוניים משולבים, מודולטורים אלקטרו-אופטי, ניטריד סיליקון, לטנטלייט ליתיום, תקשורת אופטית במהירות גבוהה