Budúcnosť elektrooptických modulátorov

Budúcnosťelektrooptické modulátory

Elektrooptické modulátory zohrávajú ústrednú úlohu v moderných optoelektronických systémoch a zohrávajú dôležitú úlohu v mnohých oblastiach od komunikácie až po kvantové výpočty reguláciou vlastností svetla. Tento článok sa zaoberá súčasným stavom, najnovšími objavmi a budúcim vývojom technológie elektrooptických modulátorov.

Obrázok 1: Porovnanie výkonnosti rôznychoptický modulátortechnológie vrátane tenkovrstvového niobátu lítia (TFLN), modulátorov elektrickej absorpcie III-V (EAM), modulátorov na báze kremíka a polymérov z hľadiska vložených strát, šírky pásma, spotreby energie, veľkosti a výrobnej kapacity.

Tradičné elektrooptické modulátory na báze kremíka a ich obmedzenia

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

Modulátory na báze kremíka však čelia zásadným obmedzeniam vyplývajúcim z vlastností materiálu. Keď optické transceivery vyžadujú prenosové rýchlosti vyššie ako 200+ Gbaud, šírka pásma týchto zariadení len ťažko spĺňa požiadavky. Toto obmedzenie pramení z inherentných vlastností kremíka – rovnováha medzi zabránením nadmernej strate svetla a zachovaním dostatočnej vodivosti vytvára nevyhnutné kompromisy.

Nové technológie a materiály modulátorov

Obmedzenia tradičných modulátorov na báze kremíka viedli k výskumu alternatívnych materiálov a integračných technológií. Tenkovrstvový niobičnan lítny sa stal jednou z najsľubnejších platforiem pre novú generáciu modulátorov.Tenkovrstvové elektrooptické modulátory na báze niobátu lítiazdedili vynikajúce vlastnosti objemového niobátu lítia, vrátane: širokého priehľadného okna, veľkého elektrooptického koeficientu (r33 = 31 pm/V), lineárneho článku s Kerrsovým efektom, ktorý môže fungovať vo viacerých vlnových dĺžkach

Nedávny pokrok v technológii tenkých vrstiev niobátu lítia priniesol pozoruhodné výsledky vrátane modulátora pracujúceho s rýchlosťou 260 Gbaud s dátovou rýchlosťou 1,96 Tb/s na kanál. Platforma má jedinečné výhody, ako je budiace napätie kompatibilné s CMOS a šírka pásma 3 dB pri 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 aplikácie umelej inteligencie zvyšujú dopyt po zásuvných transceiveroch s kapacitou 800G a 1,6T. Modulačná technológia sa uplatňuje aj na: kvantové spracovanie informácií, neuromorfné výpočty, frekvenčne modulovanú kontinuálnu vlnu (FMCW), lidar, mikrovlnnú fotónovú technológiu.

Najmä tenkovrstvové elektrooptické modulátory na báze niobátu lítia vykazujú silné stránky v optických výpočtových procesoroch, pretože poskytujú rýchlu moduláciu s nízkym výkonom, ktorá urýchľuje aplikácie strojového učenia a 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 významným výzvam: Výrobné náklady a rozsah: tenkovrstvové modulátory niobátu lítia sú v súčasnosti obmedzené na výrobu 150 mm doštičiek, čo vedie k vyšším nákladom. Priemysel potrebuje rozšíriť veľkosť doštičiek a zároveň zachovať jednotnosť a kvalitu filmu. Integrácia a spoločný návrh: Úspešný vývojvysokovýkonné modulátoryvyžaduje si komplexné možnosti spoločného návrhu, ktoré zahŕňajú spoluprácu návrhárov optoelektroniky a elektronických čipov, dodávateľov EDA, výrobcov a odborníkov na balenie. Zložitosť výroby: Hoci sú procesy výroby optoelektroniky na báze kremíka menej zložité ako pokročilá elektronika CMOS, dosiahnutie stabilného výkonu a výťažnosti si vyžaduje značné odborné znalosti a optimalizáciu výrobného procesu.

Vďaka boomu umelej inteligencie a geopolitickým faktorom táto oblasť dostáva zvýšené investície od vlád, priemyslu a súkromného sektora na celom svete, čo vytvára nové príležitosti pre spoluprácu medzi akademickou obcou a priemyslom a sľubuje urýchlenie inovácií.