Budućnost elektrooptičkih modulatora

Budućnostelektro optički modulatori

Elektrooptički modulatori igraju centralnu ulogu u modernim optoelektronskim sistemima, igrajući važnu ulogu u mnogim poljima od komunikacije do kvantnog računarstva regulacijom svojstava svjetlosti. Ovaj rad govori o trenutnom stanju, najnovijim dostignućima i budućem razvoju tehnologije elektrooptičkih modulatora

Slika 1: Poređenje performansi različitihoptički modulatortehnologije, uključujući tankoslojni litijum niobat (TFLN), III-V modulatore električne apsorpcije (EAM), modulatore na bazi silicija i polimera u smislu gubitka umetanja, širine pojasa, potrošnje energije, veličine i proizvodnog kapaciteta.

Tradicionalni elektrooptički modulatori na bazi silicija i njihova ograničenja

Fotoelektrični modulatori svjetlosti na bazi silikona su dugi niz godina osnova optičkih komunikacionih sistema. Zasnovano na efektu disperzije plazme, takvi uređaji su ostvarili izuzetan napredak u proteklih 25 godina, povećavajući brzinu prijenosa podataka za tri reda veličine. Moderni modulatori bazirani na silikonu mogu postići 4-stepenu modulaciju impulsne amplitude (PAM4) do 224 Gb/s, pa čak i više od 300 Gb/s sa PAM8 modulacijom.

Međutim, modulatori na bazi silicijuma suočavaju se sa osnovnim ograničenjima koja proizilaze iz svojstava materijala. Kada optički primopredajnici zahtijevaju brzine prijenosa veće od 200+ Gbaud, propusnost ovih uređaja je teško zadovoljiti potražnju. Ovo ograničenje proizlazi iz svojstava silicijuma – ravnoteža izbjegavanja prekomjernog gubitka svjetlosti uz održavanje dovoljne provodljivosti stvara neizbježne kompromise.

Nova tehnologija modulatora i materijali

Ograničenja tradicionalnih modulatora baziranih na silicijumu dovela su do istraživanja alternativnih materijala i integracijskih tehnologija. Tankoslojni litijum niobat postao je jedna od najperspektivnijih platformi za novu generaciju modulatora.Tankoslojni elektrooptički modulatori litijum niobatanaslijeđuju odlične karakteristike rasutog litijum niobata, uključujući: široki prozirni prozor, veliki elektro-optički koeficijent (r33 = 31 pm/V) Kerrsov efekat linearne ćelije može raditi u više raspona valnih dužina

Nedavni napredak u tehnologiji tankog filma litijum niobata dao je izvanredne rezultate, uključujući modulator koji radi na 260 Gbaud sa brzinama podataka od 1,96 Tb/s po kanalu. Platforma ima jedinstvene prednosti kao što su CMOS kompatibilni napon pogona i 3-dB propusni opseg od 100 GHz.

Primena novih tehnologija

Razvoj elektrooptičkih modulatora usko je povezan s novim aplikacijama u mnogim poljima. U oblasti veštačke inteligencije i data centara,modulatori velike brzinevažni su za sljedeću generaciju interkonekcija, a AI računarske aplikacije pokreću potražnju za 800G i 1.6T priključnim primopredajnicima. Tehnologija modulatora se također primjenjuje na: kvantnu obradu informacija neuromorfno računanje Frekvencijski modulirani kontinuirani valovi (FMCW) lidar mikrovalna fotonska tehnologija

Konkretno, elektro-optički modulatori litijum niobata sa tankim slojem pokazuju snagu u optičkim mašinama za obradu računara, obezbeđujući brzu modulaciju male snage koja ubrzava mašinsko učenje i aplikacije veštačke inteligencije. Takvi modulatori mogu raditi i na niskim temperaturama i pogodni su za kvantno-klasične interfejse u supravodljivim linijama.

Razvoj elektrooptičkih modulatora sljedeće generacije suočava se s nekoliko velikih izazova: Troškovi i obim proizvodnje: tankoslojni litijum niobatni modulatori su trenutno ograničeni na proizvodnju pločica od 150 mm, što rezultira većim troškovima. Industrija treba povećati veličinu pločice uz održavanje uniformnosti i kvaliteta filma. Integracija i ko-dizajn: uspješan razvojmodulatori visokih performansizahtijeva sveobuhvatne mogućnosti zajedničkog dizajna, uključujući saradnju dizajnera optoelektronike i elektronskih čipova, dobavljača EDA, fontana i stručnjaka za pakovanje. Složenost proizvodnje: Dok su optoelektronički procesi bazirani na silikonu manje složeni od napredne CMOS elektronike, postizanje stabilnih performansi i prinosa zahtijeva značajnu stručnost i optimizaciju proizvodnog procesa.

Potaknuto bumom umjetne inteligencije i geopolitičkim faktorima, ova oblast prima sve veće investicije od vlada, industrije i privatnog sektora širom svijeta, stvarajući nove mogućnosti za saradnju između akademske zajednice i industrije i obećavajući ubrzanje inovacija.