Przyszłość modulatorów elektrooptycznych

Przyszłośćmodulatory elektrooptyczne

Modulatory elektrooptyczne odgrywają centralną rolę w nowoczesnych systemach optoelektronicznych, odgrywając ważną rolę w wielu dziedzinach, od komunikacji po komputery kwantowe, regulując właściwości światła. W tym artykule omówiono obecny stan, najnowsze przełomy i przyszły rozwój technologii modulatorów elektrooptycznych

Rysunek 1: Porównanie wydajności różnychmodulator optycznytechnologii, w tym cienkowarstwowych niobianów litu (TFLN), modulatorów absorpcji elektrycznej III-V (EAM), modulatorów na bazie krzemu i polimerów pod względem tłumienności wstawiania, szerokości pasma, zużycia energii, rozmiaru i zdolności produkcyjnej.

Tradycyjne modulatory elektrooptyczne na bazie krzemu i ich ograniczenia

Modulatory światła fotoelektrycznego na bazie krzemu są podstawą systemów komunikacji optycznej od wielu lat. Opierając się na efekcie dyspersji plazmy, takie urządzenia poczyniły znaczne postępy w ciągu ostatnich 25 lat, zwiększając szybkość przesyłu danych o trzy rzędy wielkości. Nowoczesne modulatory na bazie krzemu mogą osiągnąć 4-poziomową modulację amplitudy impulsu (PAM4) do 224 Gb/s, a nawet ponad 300 Gb/s z modulacją PAM8.

Jednak modulatory oparte na krzemie napotykają na podstawowe ograniczenia wynikające z właściwości materiału. Gdy transceivery optyczne wymagają szybkości transmisji większej niż 200+ Gbaud, szerokość pasma tych urządzeń jest trudna do spełnienia. To ograniczenie wynika z inherentnych właściwości krzemu – równowaga między unikaniem nadmiernej utraty światła a utrzymaniem wystarczającej przewodności tworzy nieuniknione kompromisy.

Nowoczesna technologia i materiały modulatorów

Ograniczenia tradycyjnych modulatorów na bazie krzemu doprowadziły do ​​badań nad alternatywnymi materiałami i technologiami integracyjnymi. Cienkowarstwowy niobian litu stał się jedną z najbardziej obiecujących platform dla nowej generacji modulatorów.Cienkowarstwowe modulatory elektrooptyczne z niobianem lituodziedziczyć doskonałe właściwości niobianu litu w postaci masowej, w tym: szerokie przezroczyste okno, duży współczynnik elektrooptyczny (r33 = 31 pm/V), ogniwo liniowe, efekt Kerrsa może działać w wielu zakresach długości fal

Ostatnie postępy w technologii cienkowarstwowego niobianu litu przyniosły niezwykłe rezultaty, w tym modulator działający z szybkością 260 Gbaud i szybkością transmisji danych 1,96 Tb/s na kanał. Platforma ma wyjątkowe zalety, takie jak napięcie napędu zgodne z CMOS i 3-dB szerokości pasma 100 GHz.

Zastosowanie nowej technologii

Rozwój modulatorów elektrooptycznych jest ściśle związany z pojawiającymi się aplikacjami w wielu dziedzinach. W dziedzinie sztucznej inteligencji i centrów danych,modulatory dużej prędkościsą ważne dla następnej generacji połączeń, a aplikacje obliczeniowe AI napędzają popyt na transceivery wtykowe 800G i 1,6T. Technologia modulatora jest również stosowana w: kwantowym przetwarzaniu informacji obliczeniach neuromorficznych częstotliwościach fali ciągłej (FMCW) lidar mikrofalowej technologii fotonowej

W szczególności cienkowarstwowe elektrooptyczne modulatory niobianu litu wykazują siłę w optycznych silnikach obliczeniowych, zapewniając szybką modulację o niskim poborze mocy, która przyspiesza uczenie maszynowe i zastosowania sztucznej inteligencji. Takie modulatory mogą również działać w niskich temperaturach i nadają się do interfejsów kwantowo-klasycznych w liniach nadprzewodzących.

Rozwój elektrooptycznych modulatorów nowej generacji napotyka kilka poważnych wyzwań: Koszty produkcji i skala: cienkowarstwowe modulatory niobianu litu są obecnie ograniczone do produkcji płytek o średnicy 150 mm, co powoduje wyższe koszty. Branża musi zwiększyć rozmiar płytek, zachowując jednocześnie jednorodność i jakość folii. Integracja i współprojektowanie: Udany rozwójmodulatory o wysokiej wydajnościwymaga kompleksowych możliwości współprojektowania, obejmujących współpracę projektantów optoelektroniki i chipów elektronicznych, dostawców EDA, źródeł i ekspertów ds. pakowania. Złożoność produkcji: Podczas gdy procesy optoelektroniki opartej na krzemie są mniej złożone niż zaawansowana elektronika CMOS, osiągnięcie stabilnej wydajności i wydajności wymaga znacznej wiedzy specjalistycznej i optymalizacji procesu produkcyjnego.

W związku z boomem na sztuczną inteligencję i czynnikami geopolitycznymi dziedzina ta cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze strony rządów, przemysłu i sektora prywatnego na całym świecie. Stwarza to nowe możliwości współpracy między środowiskiem akademickim a przemysłem i rokuje nadzieję na przyspieszenie innowacji.