Budoucnost elektrooptických modulátorů

Budoucnostelektrooptické modulátory

Elektrooptické modulátory hrají ústřední roli v moderních optoelektronických systémech a hrají důležitou roli v mnoha oblastech od komunikace až po kvantové výpočty regulací vlastností světla. Tento článek pojednává o současném stavu, nejnovějších průlomech a budoucím vývoji technologie elektrooptických modulátorů.

Obrázek 1: Porovnání výkonu různýchoptický modulátortechnologie, včetně tenkovrstvých niobičnanů lithných (TFLN), modulátorů elektrické absorpce III-V (EAM), modulátorů na bázi křemíku a polymerů, z hlediska vložného útlumu, šířky pásma, spotřeby energie, velikosti a výrobní kapacity.

Tradiční elektrooptické modulátory na bázi křemíku a jejich omezení

Fotoelektrické modulátory světla na bázi křemíku jsou již mnoho let základem optických komunikačních systémů. Díky efektu plazmové disperze dosáhla tato zařízení za posledních 25 let pozoruhodného pokroku a zvýšila rychlost přenosu dat o tři řády. Moderní modulátory na bázi křemíku mohou dosáhnout čtyřúrovňové pulzní amplitudové modulace (PAM4) až 224 Gb/s a s modulací PAM8 dokonce více než 300 Gb/s.

Modulátory na bázi křemíku však čelí zásadním omezením vyplývajícím z vlastností materiálu. Pokud optické transceivery vyžadují přenosové rychlosti vyšší než 200+ Gbaud, je pro šířku pásma těchto zařízení obtížné uspokojit poptávku. Toto omezení pramení z inherentních vlastností křemíku – rovnováha mezi zamezením nadměrným ztrátám světla a zachováním dostatečné vodivosti vytváří nevyhnutelné kompromisy.

Nově vznikající technologie a materiály modulátorů

Omezení tradičních modulátorů na bázi křemíku vedla k výzkumu alternativních materiálů a integračních technologií. Tenkovrstvý niobičnan lithný se stal jednou z nejslibnějších platforem pro novou generaci modulátorů.Tenkovrstvé elektrooptické modulátory na bázi lithium-niobátuzdědit vynikající vlastnosti objemového niobátu lithného, ​​včetně: širokého průhledného okna, velkého elektrooptického koeficientu (r33 = 31 pm/V), lineárního článku s Kerrsovým jevem, který může fungovat v různých vlnových rozsazích

Nedávný pokrok v technologii tenkých vrstev lithium-niobátu přinesl pozoruhodné výsledky, včetně modulátoru pracujícího s rychlostí 260 Gbaud s datovou rychlostí 1,96 Tb/s na kanál. Platforma má jedinečné výhody, jako je budicí napětí kompatibilní s CMOS a šířka pásma 3 dB na 100 GHz.

Aplikace nově vznikajících technologií

Vývoj elektrooptických modulátorů úzce souvisí s nově vznikajícími aplikacemi v mnoha oblastech. V oblasti umělé inteligence a datových center...vysokorychlostní modulátoryjsou důležité pro příští generaci propojení a aplikace umělé inteligence zvyšují poptávku po zásuvných transceiverech 800G a 1,6T. Technologie modulátorů se také používá v: kvantovém zpracování informací, neuromorfních výpočtech, frekvenčně modulované kontinuální vlně (FMCW), lidaru, mikrovlnné fotonové technologii.

Zejména tenkovrstvé elektrooptické modulátory na bázi lithium-niobátu vykazují silné stránky v optických výpočetních strojích, kde poskytují rychlou modulaci s nízkým výkonem, která urychluje aplikace strojového učení a umělé inteligence. Takové modulátory mohou pracovat i při nízkých teplotách a jsou vhodné pro kvantově-klasická rozhraní v supravodivých vedeních.

Vývoj elektrooptických modulátorů nové generace čelí několika zásadním výzvám: Výrobní náklady a rozsah: tenkovrstvé modulátory lithium-niobátu jsou v současné době omezeny na výrobu destiček o velikosti 150 mm, což vede k vyšším nákladům. Průmysl potřebuje zvětšit velikost destiček a zároveň zachovat uniformitu a kvalitu filmu. Integrace a společný návrh: Úspěšný vývojvysoce výkonné modulátoryvyžaduje komplexní možnosti společného návrhu, zahrnující spolupráci návrhářů optoelektroniky a elektronických čipů, dodavatelů EDA, expertů na zdroje a pouzdra. Složitost výroby: I když jsou procesy optoelektroniky na bázi křemíku méně složité než pokročilá elektronika CMOS, dosažení stabilního výkonu a výtěžnosti vyžaduje značné odborné znalosti a optimalizaci výrobního procesu.

Díky boomu umělé inteligence a geopolitickým faktorům se do této oblasti dostávají zvýšené investice od vlád, průmyslu i soukromého sektoru po celém světě, což vytváří nové příležitosti pro spolupráci mezi akademickou obcí a průmyslem a slibuje urychlení inovací.