Майбутнє електрооптичних модуляторів

Майбутнєелектрооптичні модулятори

Електрооптичні модулятори відіграють центральну роль у сучасних оптоелектронних системах, відіграючи важливу роль у багатьох галузях, від комунікацій до квантових обчислень, шляхом регулювання властивостей світла. У цій статті розглядається поточний стан, останні прориви та майбутній розвиток технології електрооптичних модуляторів.

Рисунок 1: Порівняння продуктивності різнихоптичний модулятортехнології, включаючи тонкоплівковий ніобат літію (TFLN), модулятори електропоглинання III-V групи (EAM), модулятори на основі кремнію та полімерів, з точки зору вставних втрат, пропускної здатності, споживання енергії, розміру та виробничої потужності.

Традиційні електрооптичні модулятори на основі кремнію та їхні обмеження

Фотоелектричні модулятори світла на основі кремнію вже багато років є основою оптичних систем зв'язку. Завдяки ефекту плазмової дисперсії такі пристрої досягли значного прогресу за останні 25 років, збільшивши швидкість передачі даних на три порядки. Сучасні модулятори на основі кремнію можуть досягати 4-рівневої імпульсної амплітудної модуляції (PAM4) до 224 Гбіт/с, і навіть понад 300 Гбіт/с з модуляцією PAM8.

Однак, кремнієві модулятори стикаються з фундаментальними обмеженнями, що виникають через властивості матеріалу. Коли оптичним приймачам потрібна швидкість передачі даних понад 200 Гбод, пропускна здатність цих пристроїв важко задовольнити потреби. Це обмеження випливає з властивих кремнію властивостей – баланс між уникненням надмірних втрат світла та збереженням достатньої провідності створює неминучі компроміси.

Новітні технології та матеріали модуляторів

Обмеження традиційних кремнієвих модуляторів спонукали до досліджень альтернативних матеріалів та технологій інтеграції. Тонкоплівковий ніобат літію став однією з найперспективніших платформ для нового покоління модуляторів.Тонкоплівкові електрооптичні модулятори на основі ніобату літіюуспадковують чудові характеристики об'ємного ніобату літію, включаючи: широке прозоре вікно, великий електрооптичний коефіцієнт (r33 = 31 пм/В), лінійну комірку на основі ефекту Керрса, яка може працювати в різних діапазонах довжин хвиль.

Нещодавні досягнення в технології тонкоплівкових ніобатів літію дали вражаючі результати, зокрема модулятор, що працює на швидкості 260 Гбод зі швидкістю передачі даних 1,96 Тбіт/с на канал. Платформа має унікальні переваги, такі як CMOS-сумісна напруга керування та смуга пропускання 3 дБ на частоті 100 ГГц.

Застосування нових технологій

Розробка електрооптичних модуляторів тісно пов'язана з новими застосуваннями в багатьох галузях. У сфері штучного інтелекту та центрів обробки даних,високошвидкісні модуляториважливі для наступного покоління взаємозв'язків, а застосування штучного інтелекту (ШІ) стимулюють попит на підключаємі приймачі-передавачів 800G та 1.6T. Технологія модуляторів також застосовується для: квантової обробки інформації, нейроморфних обчислень, частотно-модульованої безперервної хвилі (FMCW), лідара, мікрохвильової фотонної технології.

Зокрема, тонкоплівкові електрооптичні модулятори на основі ніобату літію демонструють потужність в оптичних обчислювальних системах, забезпечуючи швидку низькоенергетичну модуляцію, що прискорює машинне навчання та застосування штучного інтелекту. Такі модулятори також можуть працювати за низьких температур і підходять для квантово-класичних інтерфейсів у надпровідних лініях.

Розробка електрооптичних модуляторів наступного покоління стикається з кількома серйозними проблемами: вартість виробництва та масштаб: виробництво тонкоплівкових модуляторів з ніобату літію наразі обмежене виробництвом пластин розміром 150 мм, що призводить до зростання витрат. Промисловості необхідно розширювати розмір пластин, зберігаючи при цьому однорідність та якість плівки. Інтеграція та спільне проектування: успішний розвитоквисокопродуктивні модуляторивимагає комплексних можливостей спільного проектування, що передбачають співпрацю розробників оптоелектроніки та електронних мікросхем, постачальників електронних пристроїв обробки даних, джерел та експертів з корпусування. Складність виробництва: Хоча процеси оптоелектроніки на основі кремнію є менш складними, ніж передова КМОП-електроніка, досягнення стабільної продуктивності та виходу вимагає значного досвіду та оптимізації виробничого процесу.

Завдяки буму штучного інтелекту та геополітичним факторам, ця галузь отримує дедалі більше інвестицій від урядів, промисловості та приватного сектору по всьому світу, створюючи нові можливості для співпраці між академічними колами та промисловістю та обіцяючи прискорити інновації.