Budućnost elektrooptičkih modulatora

Budućnostelektrooptički modulatori

Elektrooptički modulatori igraju središnju ulogu u modernim optoelektroničkim sustavima, igrajući važnu ulogu u mnogim područjima od komunikacije do kvantnog računalstva reguliranjem svojstava svjetlosti. Ovaj rad raspravlja o trenutnom statusu, najnovijem otkriću i budućem razvoju tehnologije elektrooptičkih modulatora

Slika 1: Usporedba performansi različitihoptički modulatortehnologije, uključujući tankoslojni litij niobat (TFLN), modulatore električne apsorpcije III-V (EAM), modulatore na bazi silicija i polimera u smislu unesenog gubitka, propusnosti, potrošnje energije, veličine i proizvodnog kapaciteta.

Tradicionalni elektrooptički modulatori na bazi silicija i njihova ograničenja

Fotoelektrični modulatori svjetla temeljeni na siliciju već su godinama osnova optičkih komunikacijskih sustava. Na temelju efekta disperzije plazme, takvi su uređaji postigli značajan napredak u proteklih 25 godina, povećavajući brzine prijenosa podataka za tri reda veličine. Moderni modulatori temeljeni na siliciju mogu postići 4-razinsku modulaciju amplitude impulsa (PAM4) do 224 Gb/s, a čak i više od 300 Gb/s s PAM8 modulacijom.

Međutim, modulatori na bazi silicija suočavaju se s temeljnim ograničenjima koja proizlaze iz svojstava materijala. Kada optički primopredajnici zahtijevaju brzine prijenosa veće od 200+ Gbauda, ​​propusnost ovih uređaja teško može zadovoljiti zahtjeve. Ovo ograničenje proizlazi iz inherentnih svojstava silicija – ravnoteža izbjegavanja prekomjernog gubitka svjetla uz održavanje dovoljne vodljivosti stvara neizbježne kompromise.

Nova tehnologija modulatora i materijali

Ograničenja tradicionalnih modulatora na bazi silicija potaknula su istraživanja alternativnih materijala i integracijskih tehnologija. Tankoslojni litij niobat postao je jedna od najperspektivnijih platformi za novu generaciju modulatora.Elektrooptički modulatori tankog filma litij niobatnaslijeđuju izvrsne karakteristike rasutog litij niobata, uključujući: široki prozirni prozor, veliki elektrooptički koeficijent (r33 = 31 pm/V) linearna ćelija Kerrsov efekt može djelovati u višestrukim rasponima valnih duljina

Nedavni napredak u tehnologiji tankoslojnog litij niobata dao je izvanredne rezultate, uključujući modulator koji radi na 260 Gbaud s brzinama prijenosa podataka od 1,96 Tb/s po kanalu. Platforma ima jedinstvene prednosti kao što je pogonski napon kompatibilan s CMOS-om i širina pojasa od 3 dB od 100 GHz.

Primjena tehnologije u nastajanju

Razvoj elektrooptičkih modulatora usko je povezan s novim primjenama u mnogim područjima. U području umjetne inteligencije i podatkovnih centara,modulatori velike brzinevažni su za sljedeću generaciju međupovezanosti, a računalne aplikacije AI pokreću potražnju za 800G i 1,6T priključnim primopredajnicima. Tehnologija modulatora također se primjenjuje na: kvantnu obradu informacija neuromorfno računalstvo frekvencijski modulirani kontinuirani val (FMCW) lidar mikrovalnu fotonsku tehnologiju

Konkretno, elektrooptički modulatori na tankom sloju litij-niobata pokazuju snagu u motorima za optičku računalnu obradu, pružajući brzu modulaciju male snage koja ubrzava strojno učenje i aplikacije umjetne inteligencije. Takvi modulatori također mogu raditi na niskim temperaturama i prikladni su za kvantno-klasična sučelja u supravodljivim vodovima.

Razvoj sljedeće generacije elektrooptičkih modulatora suočava se s nekoliko velikih izazova: Troškovi proizvodnje i opseg: modulatori s tankim slojem litij niobata trenutno su ograničeni na proizvodnju pločica od 150 mm, što rezultira višim troškovima. Industrija treba povećati veličinu vafla uz zadržavanje ujednačenosti i kvalitete filma. Integracija i ko-dizajn: uspješan razvojmodulatori visokih performansizahtijeva sveobuhvatne mogućnosti zajedničkog dizajna, uključujući suradnju dizajnera optoelektronike i elektroničkih čipova, dobavljača EDA, fontana i stručnjaka za pakiranje. Složenost proizvodnje: Iako su optoelektronički procesi temeljeni na siliciju manje složeni od napredne CMOS elektronike, postizanje stabilnih performansi i prinosa zahtijeva značajnu stručnost i optimizaciju proizvodnog procesa.

Potaknuto procvatom AI i geopolitičkim čimbenicima, ovo područje dobiva sve veća ulaganja od vlada, industrije i privatnog sektora diljem svijeta, stvarajući nove mogućnosti za suradnju između akademske zajednice i industrije i obećavajući ubrzanje inovacija.