Budućnost elektrooptičkih modulatora

Budućnostelektrooptički modulatori

Elektrooptički modulatori igraju centralnu ulogu u modernim optoelektronskim sistemima, igrajući važnu ulogu u mnogim oblastima, od komunikacije do kvantnog računarstva, regulišući svojstva svjetlosti. Ovaj rad razmatra trenutno stanje, najnoviji proboj i budući razvoj 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, propusnog opsega, potrošnje energije, veličine i proizvodnog kapaciteta.

Tradicionalni elektrooptički modulatori na bazi silicija i njihova ograničenja

Fotoelektrični modulatori svjetlosti na bazi silicija već dugi niz godina su osnova optičkih komunikacijskih sistema. Na osnovu efekta disperzije plazme, takvi uređaji su ostvarili izuzetan napredak u posljednjih 25 godina, povećavajući brzine prijenosa podataka za tri reda veličine. Moderni modulatori na bazi silicija mogu postići 4-nivosku modulaciju amplitude impulsa (PAM4) do 224 Gb/s, pa čak i više od 300 Gb/s s PAM8 modulacijom.

Međutim, modulatori na bazi silicija suočavaju se s fundamentalnim ograničenjima koja proizlaze iz svojstava materijala. Kada optički primopredajnici zahtijevaju brzine prijenosa veće od 200+ Gbauda, ​​propusni opseg ovih uređaja teško zadovoljava zahtjeve. Ovo ograničenje proizlazi iz inherentnih svojstava silicija – ravnoteža između izbjegavanja prekomjernog gubitka svjetlosti i održavanja dovoljne provodljivosti stvara neizbježne kompromise.

Nova tehnologija i materijali modulatora

Ograničenja tradicionalnih modulatora na bazi silicija potaknula su istraživanje alternativnih materijala i tehnologija integracije. Tankoslojni litijum niobat postao je jedna od najperspektivnijih platformi za novu generaciju modulatora.Elektrooptički modulatori od tankog filma litijum niobatanasljeđuju odlične karakteristike litijum niobata u rasutom stanju, uključujući: široki prozirni prozor, veliki elektrooptički koeficijent (r33 = 31 pm/V), Kerrsov efekat linearne ćelije, mogućnost rada u više opsega talasnih dužina.

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

Primjena novih tehnologija

Razvoj elektrooptičkih modulatora usko je povezan s novim primjenama u mnogim područjima. U području umjetne inteligencije i podatkovnih centara,modulatori velike brzinesu važni za sljedeću generaciju međusobnih veza, a AI računarske aplikacije potiču potražnju za 800G i 1.6T priključnim primopredajnicima. Tehnologija modulatora se također primjenjuje na: kvantnu obradu informacija, neuromorfno računarstvo, frekvencijski modulirani kontinuirani val (FMCW), lidar, mikrovalnu fotonsku tehnologiju.

Posebno, elektrooptički modulatori od tankog filma litijum niobata pokazuju snagu u optičkim računarskim procesorskim mašinama, omogućavajući brzu modulaciju male snage koja ubrzava mašinsko učenje i primjenu vještačke 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 proizvodnje i obim: tankoslojni litijum-niobatni modulatori trenutno su ograničeni na proizvodnju pločica od 150 mm, što rezultira višim troškovima. Industrija treba proširiti veličinu pločica uz održavanje ujednačenosti i kvaliteta filma. Integracija i ko-dizajn: Uspješan razvojvisokoučinkoviti modulatorizahtijeva sveobuhvatne mogućnosti zajedničkog dizajna, uključujući saradnju optoelektronskih i dizajnera elektronskih čipova, dobavljača EDA, izvora i stručnjaka za pakovanje. Složenost proizvodnje: Iako su procesi optoelektronike na bazi silicija manje složeni od napredne CMOS elektronike, postizanje stabilnih performansi i prinosa zahtijeva značajnu stručnost i optimizaciju proizvodnog procesa.

Potaknuta procvatom umjetne inteligencije i geopolitičkim faktorima, ovo područje prima sve veća ulaganja od vlada, industrije i privatnog sektora širom svijeta, stvarajući nove mogućnosti za saradnju između akademske zajednice i industrije i obećavajući ubrzanje inovacija.