Viitorulmodulatoare electro-optice
Modulatorii electro-optici joacă un rol central în sistemele optoelectronice moderne, jucând un rol important în multe domenii, de la comunicații la calcul cuantic, prin reglarea proprietăților luminii. Această lucrare discută stadiul actual, cele mai recente descoperiri și dezvoltarea viitoare a tehnologiei modulatorilor electro-optici.
Figura 1: Comparație a performanței diferitelormodulator optictehnologii, inclusiv niobat de litiu cu peliculă subțire (TFLN), modulatori de absorbție electrică (EAM) III-V, modulatori pe bază de siliciu și polimeri în ceea ce privește pierderea de inserție, lățimea de bandă, consumul de energie, dimensiunea și capacitatea de producție.
Modulatoarele electro-optice tradiționale pe bază de siliciu și limitele acestora
Modulatoarele fotoelectrice de lumină pe bază de siliciu au stat la baza sistemelor de comunicații optice timp de mulți ani. Bazându-se pe efectul de dispersie a plasmei, astfel de dispozitive au înregistrat progrese remarcabile în ultimii 25 de ani, crescând ratele de transfer de date cu trei ordine de mărime. Modulatoarele moderne pe bază de siliciu pot realiza o modulație a amplitudinii impulsurilor pe 4 niveluri (PAM4) de până la 224 Gb/s și chiar peste 300 Gb/s cu modulație PAM8.
Cu toate acestea, modulatoarele pe bază de siliciu se confruntă cu limitări fundamentale care decurg din proprietățile materialelor. Atunci când transceiverele optice necesită rate de transfer mai mari de 200+ Gbaud, lățimea de bandă a acestor dispozitive este dificil de a satisface cererea. Această limitare provine din proprietățile inerente ale siliciului - echilibrul dintre evitarea pierderilor excesive de lumină și menținerea unei conductivități suficiente creează compromisuri inevitabile.
Tehnologie și materiale emergente pentru modulatori
Limitările modulatorilor tradiționali pe bază de siliciu au impulsionat cercetarea materialelor alternative și a tehnologiilor de integrare. Niobatul de litiu în peliculă subțire a devenit una dintre cele mai promițătoare platforme pentru o nouă generație de modulatori.Modulatoare electro-optice cu peliculă subțire de niobat de litiumoștenesc caracteristicile excelente ale niobatului de litiu în vrac, inclusiv: fereastră transparentă largă, coeficient electro-optic mare (r33 = 31 pm/V), celulă liniară cu efect Kerrs care poate funcționa în mai multe intervale de lungimi de undă
Progresele recente în tehnologia niobatului de litiu cu peliculă subțire au dat rezultate remarcabile, inclusiv un modulator care funcționează la 260 Gbaud cu rate de transfer de date de 1,96 Tb/s pe canal. Platforma are avantaje unice, cum ar fi tensiunea de acționare compatibilă CMOS și lățimea de bandă de 3 dB de 100 GHz.
Aplicație tehnologică emergentă
Dezvoltarea modulatorilor electro-optici este strâns legată de aplicațiile emergente în multe domenii. În domeniul inteligenței artificiale și al centrelor de date,modulatoare de mare vitezăsunt importante pentru următoarea generație de interconexiuni, iar aplicațiile de calcul bazate pe inteligență artificială determină cererea de transceivere conectabile de 800G și 1,6T. Tehnologia modulatoarelor este aplicată și în: procesarea informațiilor cuantice, calcul neuromorfic, tehnologie fotonică lidar cu microunde cu undă continuă modulată în frecvență (FMCW).
În special, modulatorii electro-optici cu peliculă subțire de niobat de litiu își demonstrează puterea în motoarele de procesare optică computațională, oferind o modulație rapidă de consum redus de energie care accelerează aplicațiile de învățare automată și inteligență artificială. Astfel de modulatori pot funcționa și la temperaturi scăzute și sunt potriviți pentru interfețe cuantice clasice în linii supraconductoare.
Dezvoltarea modulatoarelor electrooptice de generație următoare se confruntă cu câteva provocări majore: Costul de producție și scara: modulatoarele cu peliculă subțire de niobat de litiu sunt în prezent limitate la producția de plachete de 150 mm, ceea ce duce la costuri mai mari. Industria trebuie să extindă dimensiunea plachetelor, menținând în același timp uniformitatea și calitatea peliculei. Integrare și co-proiectare: Dezvoltarea cu succes amodulatoare de înaltă performanțănecesită capacități cuprinzătoare de co-proiectare, care implică colaborarea proiectanților de optoelectronică și cipuri electronice, furnizorilor de EDA, experților în surse și ambalaje. Complexitatea fabricației: Deși procesele optoelectronice pe bază de siliciu sunt mai puțin complexe decât electronica CMOS avansată, obținerea unei performanțe și a unui randament stabile necesită expertiză semnificativă și optimizarea procesului de fabricație.
Impulsat de boom-ul IA și de factorii geopolitici, domeniul beneficiază de investiții tot mai mari din partea guvernelor, industriei și sectorului privat din întreaga lume, creând noi oportunități de colaborare între mediul academic și industrie și promițând să accelereze inovația.
Data publicării: 30 decembrie 2024