Budućnostelektrooptički modulatori
Elektrooptički modulatori igraju središnju ulogu u modernim optoelektroničkim sustavima, igrajući važnu ulogu u mnogim područjima, od komunikacije do kvantnog računarstva reguliranjem svojstava svjetlosti. Ovaj rad raspravlja o trenutnom stanju, najnovijem proboju i budućem razvoju tehnologije elektrooptičkih modulatora.
Slika 1: Usporedba performansi različitihoptički modulatortehnologije, uključujući tankoslojni litijev niobat (TFLN), III-V modulatore električne apsorpcije (EAM), modulatore na bazi silicija i polimera u smislu gubitka umetanja, propusnosti, potrošnje energije, veličine i proizvodnog kapaciteta.
Tradicionalni elektrooptički modulatori na bazi silicija i njihova ograničenja
Fotoelektrični modulatori svjetlosti na bazi silicija već su dugi niz godina osnova optičkih komunikacijskih sustava. Na temelju efekta disperzije plazme, takvi su uređaji postigli izvanredan napredak u posljednjih 25 godina, povećavajući brzine prijenosa podataka za tri reda veličine. Moderni modulatori na bazi silicija mogu postići 4-razinsku 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 temeljnim ograničenjima koja proizlaze iz svojstava materijala. Kada optički primopredajnici zahtijevaju brzine prijenosa veće od 200+ Gbauda, propusnost ovih uređaja teško zadovoljava zahtjeve. Ovo ograničenje proizlazi iz inherentnih svojstava silicija – ravnoteža između izbjegavanja prekomjernog gubitka svjetlosti i održavanja dovoljne vodljivosti stvara neizbježne kompromise.
Nova tehnologija i materijali modulatora
Ograničenja tradicionalnih modulatora na bazi silicija potaknula su istraživanje alternativnih materijala i tehnologija integracije. Tankoslojni litijev niobat postao je jedna od najperspektivnijih platformi za novu generaciju modulatora.Elektrooptički modulatori od tankog filma litij-niobatanasljeđuju izvrsne karakteristike litijevog niobata u rasutom stanju, uključujući: široki prozirni prozor, veliki elektrooptički koeficijent (r33 = 31 pm/V) Kerrsov efekt linearne ćelije može raditi u više raspona valnih duljina
Nedavni napredak u tehnologiji tankih filmova 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 su CMOS-kompatibilan pogonski napon i propusnost od 3 dB od 100 GHz.
Primjena nove tehnologije
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 međusobnih veza, a AI računalne aplikacije potiču potražnju za priključnim primopredajnicima od 800G i 1.6T. Tehnologija modulatora također se primjenjuje na: kvantnu obradu informacija, neuromorfno računanje, frekvencijski modulirani kontinuirani val (FMCW), lidar, mikrovalnu fotonsku tehnologiju.
Posebno, tankoslojni elektrooptički modulatori litijevog niobata pokazuju snagu u optičkim računalnim procesorima, pružajući brzu modulaciju male snage koja ubrzava strojno učenje i primjenu umjetne inteligencije. Takvi modulatori mogu raditi i na niskim temperaturama i prikladni su za kvantno-klasična sučelja u supravodljivim linijama.
Razvoj elektrooptičkih modulatora sljedeće generacije suočava se s nekoliko velikih izazova: Troškovi proizvodnje i opseg: tankoslojni litijevi niobatni modulatori trenutno su ograničeni na proizvodnju pločica od 150 mm, što rezultira višim troškovima. Industrija treba proširiti veličinu pločica uz održavanje ujednačenosti i kvalitete filma. Integracija i zajednički dizajn: Uspješan razvojvisokoučinkoviti modulatorizahtijeva sveobuhvatne mogućnosti zajedničkog dizajna, uključujući suradnju optoelektronike i dizajnera elektroničkih čipova, dobavljača EDA uređaja, izvora i stručnjaka za pakiranje. Složenost proizvodnje: Iako su procesi optoelektronike na bazi silicija manje složeni od napredne CMOS elektronike, postizanje stabilnih performansi i prinosa zahtijeva značajno stručno znanje i optimizaciju proizvodnog procesa.
Potaknuto procvatom umjetne inteligencije i geopolitičkim čimbenicima, područje prima sve veća ulaganja od vlada, industrije i privatnog sektora diljem svijeta, stvarajući nove mogućnosti za suradnju između akademske zajednice i industrije te obećavajući ubrzanje inovacija.
Vrijeme objave: 30. prosinca 2024.