Budoucnost elektrooptických modulátorů

Budoucnostelektrooptické modulátory

Elektrooptické modulátory hrají ústřední roli v moderních optoelektronických systémech, hrají důležitou roli v mnoha oblastech od komunikace po kvantové výpočty tím, že regulují vlastnosti světla. Tento článek pojednává o současném stavu, nejnovějším průlomu a budoucím vývoji technologie elektrooptických modulátorů

Obrázek 1: Porovnání výkonu různýchoptický modulátortechnologie, včetně tenkých vrstev lithium niobátu (TFLN), modulátorů elektrické absorpce III-V (EAM), modulátorů na bázi křemíku a polymerů, pokud jde o vložný útlum, šířku pásma, spotřebu energie, velikost a výrobní kapacitu.

Tradiční elektrooptické modulátory na bázi křemíku a jejich omezení

Fotoelektrické modulátory světla na bázi křemíku jsou základem optických komunikačních systémů po mnoho let. Na základě efektu plazmové disperze dosáhla taková zařízení za posledních 25 let pozoruhodného pokroku a zvýšila rychlost přenosu dat o tři řády. Moderní modulátory na bázi křemíku mohou dosáhnout 4-úrovňové pulzní amplitudové modulace (PAM4) až 224 Gb/s a dokonce více než 300 Gb/s s modulací PAM8.

Modulátory na bázi křemíku však čelí zásadním omezením vyplývajícím z materiálových vlastností. Když optické transceivery vyžadují přenosovou rychlost vyšší než 200+ Gbaud, šířka pásma těchto zařízení je obtížné uspokojit poptávku. Toto omezení vyplývá z přirozených vlastností křemíku – rovnováha zamezení nadměrných ztrát světla při zachování dostatečné vodivosti vytváří nevyhnutelné kompromisy.

Vznikající modulátorová technologie a materiály

Omezení tradičních modulátorů na bázi křemíku vedla k výzkumu alternativních materiálů a integračních technologií. Tenkovrstvý lithium niobát se stal jednou z nejslibnějších platforem pro novou generaci modulátorů.Tenkovrstvé lithium niobátové elektrooptické modulátoryzdědí vynikající vlastnosti objemového niobátu lithia, včetně: širokého průhledného okna, velkého elektro-optického koeficientu (r33 = 31 pm/V) lineárního článku Kerrsův efekt může fungovat ve více rozsazích vlnových délek

Nedávné pokroky v tenkovrstvé technologii lithium niobátu přinesly pozoruhodné výsledky, včetně modulátoru pracujícího na 260 Gbaud s datovými rychlostmi 1,96 Tb/s na kanál. Platforma má jedinečné výhody, jako je napětí pohonu kompatibilní s CMOS a šířka pásma 3 dB 100 GHz.

Aplikace rozvíjejících se technologií

Vývoj elektrooptických modulátorů úzce souvisí s novými aplikacemi v mnoha oborech. V oblasti umělé inteligence a datových center,vysokorychlostní modulátoryjsou důležité pro další generaci propojení a počítačové aplikace AI zvyšují poptávku po 800G a 1,6T zásuvných transceiverech. Technologie modulátoru se také používá pro: kvantové zpracování informací neuromorfní výpočty frekvenčně modulované kontinuální vlny (FMCW) lidar mikrovlnná fotonová technologie

Zejména tenkovrstvé elektrooptické modulátory lithium niobátu vykazují sílu v optických výpočetních procesorech a poskytují rychlou modulaci s nízkou spotřebou, která urychluje strojové učení a aplikace umělé inteligence. Takové modulátory mohou také pracovat při nízkých teplotách a jsou vhodné pro kvantově-klasická rozhraní v supravodivých vedeních.

Vývoj elektrooptických modulátorů nové generace čelí několika velkým výzvám: Výrobní náklady a rozsah: tenkovrstvé lithium-niobátové modulátory jsou v současné době omezeny na výrobu plátků 150 mm, což má za následek vyšší náklady. Průmysl potřebuje rozšířit velikost plátků při zachování jednotnosti a kvality filmu. Integrace a Co-design: Úspěšný vývojvysoce výkonné modulátoryvyžaduje komplexní schopnosti společného návrhu, zahrnující spolupráci optoelektroniky a návrhářů elektronických čipů, dodavatelů EDA, fontán a odborníků na balení. Složitost výroby: Zatímco procesy optoelektroniky na bázi křemíku jsou méně složité než pokročilá elektronika CMOS, dosažení stabilního výkonu a výtěžnosti vyžaduje značné odborné znalosti a optimalizaci výrobního procesu.

V důsledku rozmachu umělé inteligence a geopolitických faktorů se do této oblasti dostává zvýšených investic od vlád, průmyslu a soukromého sektoru po celém světě, což vytváří nové příležitosti pro spolupráci mezi akademickou obcí a průmyslem a slibuje urychlení inovací.