Przyszłość modulatorów elektrooptycznych

Przyszłośćmodulatory elektrooptyczne

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

Rysunek 1: Porównanie wydajności różnychmodulator optycznytechnologie, w tym cienkowarstwowy niobian litu (TFLN), modulatory absorpcji elektrycznej III-V (EAM), modulatory krzemowe i polimerowe pod względem tłumienności wtrąceniowej, szerokości pasma, zużycia energii, rozmiaru i zdolności produkcyjnej.

Tradycyjne modulatory elektrooptyczne na bazie krzemu i ich ograniczenia

Fotoelektryczne modulatory światła na bazie krzemu od wielu lat stanowią podstawę optycznych systemów komunikacyjnych. W oparciu o efekt dyspersji plazmy urządzenia takie poczyniły niezwykłe postępy w ciągu ostatnich 25 lat, zwiększając szybkość przesyłania danych o trzy rzędy wielkości. Nowoczesne modulatory krzemowe umożliwiają osiągnięcie 4-stopniowej modulacji amplitudy impulsów (PAM4) do 224 Gb/s, a przy modulacji PAM8 nawet ponad 300 Gb/s.

Modulatory na bazie krzemu borykają się jednak z zasadniczymi ograniczeniami wynikającymi z właściwości materiału. Gdy optyczne transceivery wymagają szybkości transmisji większej niż 200 Gbodów, przepustowość tych urządzeń jest trudna do zaspokojenia zapotrzebowania. To ograniczenie wynika z nieodłącznych właściwości krzemu – równowaga pomiędzy unikaniem nadmiernej utraty światła przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej przewodności stwarza nieuniknione kompromisy.

Nowe technologie i materiały modulatorów

Ograniczenia tradycyjnych modulatorów na bazie krzemu skłoniły do ​​badań nad alternatywnymi materiałami i technologiami integracji. Cienkowarstwowy nioban litu stał się jedną z najbardziej obiecujących platform dla nowej generacji modulatorów.Cienkowarstwowe modulatory elektrooptyczne z niobianu litudziedziczą doskonałe właściwości niobianu litu luzem, 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 wyniki, w tym modulator działający z szybkością 260 Gbodów i szybkością transmisji danych 1,96 Tb/s na kanał. Platforma ma unikalne zalety, takie jak napięcie napędu zgodne z CMOS i szerokość pasma 3 dB wynosząca 100 GHz.

Nowe zastosowanie technologii

Rozwój modulatorów elektrooptycznych jest ściśle powiązany z pojawiającymi się zastosowaniami w wielu dziedzinach. W obszarze sztucznej inteligencji i centrów danych,modulatory dużej prędkościsą ważne dla następnej generacji połączeń wzajemnych, a aplikacje obliczeniowe AI napędzają popyt na wtykowe transceivery 800G i 1,6T. Technologię modulatorów stosuje się także w: kwantowym przetwarzaniu informacji, obliczeniach neuromorficznych, fali ciągłej z modulacją częstotliwości (FMCW), mikrofalowej technologii fotonowej lidarowej

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

Rozwój modulatorów elektrooptycznych nowej generacji stoi przed kilkoma poważnymi wyzwaniami: Koszty i skala produkcji: cienkowarstwowe modulatory niobianu litu są obecnie ograniczone do produkcji płytek o średnicy 150 mm, co powoduje wyższe koszty. Przemysł musi zwiększyć rozmiar płytek, zachowując jednolitość i jakość folii. Integracja i wspólne projektowanie: pomyślny rozwójModulatory o wysokiej wydajnościwymaga kompleksowych możliwości wspólnego projektowania, obejmujących współpracę projektantów optoelektroniki i chipów elektronicznych, dostawców EDA, źródeł i ekspertów ds. opakowań. Złożoność produkcji: chociaż 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.

Napędzana boomem sztucznej inteligencji i czynnikami geopolitycznymi, dziedzina ta otrzymuje zwiększone inwestycje ze strony rządów, przemysłu i sektora prywatnego na całym świecie, tworząc nowe możliwości współpracy między środowiskiem akademickim a przemysłem i obiecując przyspieszenie innowacji.