Przyszłośćmodulatory elektrooptyczne
Modulatory elektrooptyczne odgrywają kluczową rolę we współczesnych systemach optoelektronicznych, regulując właściwości światła w wielu dziedzinach, od komunikacji po komputery kwantowe. W niniejszym artykule omówiono obecny stan, najnowsze osiągnięcia i przyszły rozwój technologii modulatorów elektrooptycznych.
Rysunek 1: Porównanie wydajności różnychmodulator optycznytechnologie, w tym cienkowarstwowe niobiany litu (TFLN), modulatory absorpcji elektrycznej III-V (EAM), modulatory na bazie krzemu i polimerów pod względem tłumienności wtrąceniowej, szerokości pasma, zużycia energii, rozmiaru i zdolności produkcyjnej.
Tradycyjne modulatory elektrooptyczne na bazie krzemu i ich ograniczenia
Krzemowe fotoelektryczne modulatory światła stanowią podstawę systemów komunikacji optycznej od wielu lat. Opierając się na efekcie dyspersji plazmy, urządzenia te poczyniły w ciągu ostatnich 25 lat znaczące postępy, zwiększając prędkość przesyłu danych o trzy rzędy wielkości. Nowoczesne modulatory krzemowe mogą osiągnąć 4-poziomową modulację amplitudy impulsu (PAM4) do 224 Gb/s, a nawet ponad 300 Gb/s z modulacją PAM8.
Modulatory krzemowe napotykają jednak fundamentalne ograniczenia wynikające z właściwości materiałów. Gdy transceivery optyczne wymagają szybkości transmisji powyżej 200 Gb/s, przepustowość tych urządzeń jest trudna do spełnienia. To ograniczenie wynika z naturalnych właściwości krzemu – równowaga między unikaniem nadmiernych strat światła a utrzymaniem wystarczającej przewodności stwarza nieuniknione kompromisy.
Nowa technologia i materiały modulacyjne
Ograniczenia tradycyjnych modulatorów krzemowych skłoniły do badań nad alternatywnymi materiałami i technologiami integracji. Cienkowarstwowy niobian litu stał się jedną z najbardziej obiecujących platform dla nowej generacji modulatorów.Cienkowarstwowe modulatory elektrooptyczne z niobianu lituodziedziczyć doskonałe właściwości niobianu litu, 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 cienkowarstwowych niobianów litu przyniosły niezwykłe rezultaty, w tym modulator pracujący z szybkością 260 Gb/s i przepustowością 1,96 Tb/s na kanał. Platforma ma unikalne zalety, takie jak napięcie sterujące zgodne ze standardem CMOS i pasmo 3 dB na poziomie 100 GHz.
Zastosowanie nowej technologii
Rozwój modulatorów elektrooptycznych jest ściśle powiązany z nowymi zastosowaniami w wielu dziedzinach. W obszarze sztucznej inteligencji i centrów danych,modulatory dużej prędkościSą ważne dla następnej generacji połączeń międzysystemowych, a zastosowania sztucznej inteligencji (AI) napędzają popyt na transceivery wtykowe 800G i 1,6T. Technologia modulatorów jest również stosowana w: kwantowym przetwarzaniu informacji, obliczeniach neuromorficznych, technologii fali ciągłej z modulacją częstotliwości (FMCW), lidarze, mikrofalowej technologii fotonowej.
W szczególności cienkowarstwowe modulatory elektrooptyczne z niobianu litu wykazują silne właściwości w optycznych silnikach obliczeniowych, zapewniając szybką modulację o niskim poborze mocy, co przyspiesza zastosowania uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji. Takie modulatory mogą również pracować w niskich temperaturach i nadają się do interfejsów kwantowo-klasycznych w liniach nadprzewodzących.
Rozwój modulatorów elektrooptycznych nowej generacji wiąże się z kilkoma poważnymi wyzwaniami: Koszty produkcji i skala: cienkowarstwowe modulatory z niobianu litu są obecnie ograniczone do produkcji płytek o średnicy 150 mm, co przekłada się na wyższe koszty. Branża musi zwiększyć rozmiar płytek, zachowując jednocześnie jednorodność i jakość warstwy. Integracja i współprojektowanie: Udany rozwójmodulatory o wysokiej wydajnościWymaga kompleksowych możliwości współprojektowania, obejmujących współpracę projektantów optoelektroniki i układów scalonych, dostawców EDA, złączy i ekspertów ds. obudów. Złożoność produkcji: Chociaż procesy optoelektroniczne oparte 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 rozwojem sztucznej inteligencji i czynnikami geopolitycznymi, dziedzina ta cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze strony rządów, przemysłu i sektora prywatnego na całym świecie, co stwarza nowe możliwości współpracy między środowiskiem akademickim a przemysłem i rokuje na przyspieszenie innowacji.
Czas publikacji: 30 grudnia 2024 r.