Budúcnosť elektrooptických modulátorov

Budúcnosťelektrooptické modulátory

Elektrooptické modulátory zohrávajú ústrednú úlohu v moderných optoelektronických systémoch a zohrávajú dôležitú úlohu v mnohých oblastiach od komunikácie po kvantové výpočty reguláciou vlastností svetla. Tento článok pojednáva o súčasnom stave, najnovších prelomoch a budúcom vývoji technológie elektrooptických modulátorov

Obrázok 1: Porovnanie výkonu rôznychoptický modulátortechnológie vrátane tenkých vrstiev niobátu lítneho (TFLN), modulátorov elektrickej absorpcie III-V (EAM), modulátorov na báze kremíka a polymérov, pokiaľ ide o stratu vloženia, šírku pásma, spotrebu energie, veľkosť a výrobnú kapacitu.

Tradičné elektrooptické modulátory na báze kremíka a ich obmedzenia

Fotoelektrické modulátory svetla na báze kremíka sú už mnoho rokov základom optických komunikačných systémov. Na základe efektu plazmovej disperzie dosiahli takéto zariadenia za posledných 25 rokov pozoruhodný pokrok a zvýšili rýchlosť prenosu údajov o tri rády. Moderné modulátory na báze kremíka môžu dosiahnuť 4-úrovňovú moduláciu pulznej amplitúdy (PAM4) až do 224 Gb/s a dokonca viac ako 300 Gb/s s moduláciou PAM8.

Modulátory na báze kremíka však čelia základným obmedzeniam vyplývajúcim z materiálových vlastností. Keď optické transceivery vyžadujú prenosovú rýchlosť vyššiu ako 200+ Gbaud, šírka pásma týchto zariadení je ťažké uspokojiť dopyt. Toto obmedzenie vyplýva z prirodzených vlastností kremíka – rovnováha vyhýbania sa nadmernej strate svetla pri zachovaní dostatočnej vodivosti vytvára nevyhnutné kompromisy.

Nové modulátorové technológie a materiály

Obmedzenia tradičných modulátorov na báze kremíka podnietili výskum alternatívnych materiálov a integračných technológií. Tenkovrstvový niobát lítny sa stal jednou z najsľubnejších platforiem pre novú generáciu modulátorov.Tenkovrstvové elektrooptické modulátory lítium-niobátuzdedili vynikajúce vlastnosti objemového niobátu lítneho, vrátane: širokého priehľadného okna, veľkého elektro-optického koeficientu (r33 = 31 pm/V) lineárneho článku Kerrsov efekt môže fungovať vo viacerých rozsahoch vlnových dĺžok

Nedávne pokroky v tenkovrstvovej technológii niobátu lítneho priniesli pozoruhodné výsledky, vrátane modulátora pracujúceho na 260 Gbaud s prenosovou rýchlosťou 1,96 Tb/s na kanál. Platforma má jedinečné výhody, ako je napätie pohonu kompatibilné s CMOS a šírka pásma 3 dB 100 GHz.

Aplikácia nových technológií

Vývoj elektrooptických modulátorov úzko súvisí s novými aplikáciami v mnohých oblastiach. V oblasti umelej inteligencie a dátových centier,vysokorýchlostné modulátorysú dôležité pre ďalšiu generáciu prepojení a výpočtové aplikácie AI zvyšujú dopyt po 800G a 1,6T zásuvných transceiveroch. Technológia modulátorov sa tiež používa na: kvantové spracovanie informácií neuromorfné výpočty frekvenčne modulovaná kontinuálna vlna (FMCW) lidar mikrovlnná fotónová technológia

Najmä tenkovrstvové elektrooptické modulátory lítium-niobátu vykazujú silu v motoroch na optické výpočtové spracovanie, ktoré poskytujú rýchlu moduláciu s nízkou spotrebou energie, ktorá urýchľuje strojové učenie a aplikácie umelej inteligencie. Takéto modulátory môžu pracovať aj pri nízkych teplotách a sú vhodné pre kvantovo-klasické rozhrania v supravodivých vedeniach.

Vývoj elektrooptických modulátorov novej generácie čelí niekoľkým veľkým výzvam: Výrobné náklady a rozsah: tenkovrstvové modulátory niobátu lítneho sú v súčasnosti obmedzené na výrobu plátkov s hrúbkou 150 mm, čo vedie k vyšším nákladom. Priemysel potrebuje zväčšiť veľkosť plátku pri zachovaní jednotnosti a kvality filmu. Integrácia a spoločný dizajn: Úspešný vývojvysokovýkonné modulátoryvyžaduje komplexné schopnosti spoločného dizajnu, zahŕňajúce spoluprácu dizajnérov optoelektroniky a elektronických čipov, dodávateľov EDA, fontán a odborníkov na balenie. Zložitosť výroby: Zatiaľ čo procesy optoelektroniky na báze kremíka sú menej zložité ako pokročilá elektronika CMOS, dosiahnutie stabilného výkonu a výnosu si vyžaduje značné odborné znalosti a optimalizáciu výrobného procesu.

Poháňaný boomom AI a geopolitickými faktormi, táto oblasť dostáva zvýšené investície od vlád, priemyslu a súkromného sektora na celom svete, čo vytvára nové príležitosti na spoluprácu medzi akademickou obcou a priemyslom a sľubuje zrýchlenie inovácií.