Fremtiden til elektrooptiske modulatorer

Fremtiden tilelektrooptiske modulatorer

Elektrooptiske modulatorer spiller en sentral rolle i moderne optoelektroniske systemer, og spiller en viktig rolle på mange felt fra kommunikasjon til kvanteberegning ved å regulere lysets egenskaper. Denne artikkelen diskuterer nåværende status, siste gjennombrudd og fremtidig utvikling av elektrooptisk modulatorteknologi

Figur 1: Ytelsessammenligning av ulikeoptisk modulatorteknologier, inkludert tynnfilm litiumniobat (TFLN), III-V elektriske absorpsjonsmodulatorer (EAM), silisiumbaserte og polymermodulatorer når det gjelder innsettingstap, båndbredde, strømforbruk, størrelse og produksjonskapasitet.

Tradisjonelle silisiumbaserte elektrooptiske modulatorer og deres begrensninger

Silisiumbaserte fotoelektriske lysmodulatorer har vært grunnlaget for optiske kommunikasjonssystemer i mange år. Basert på plasmaspredningseffekten har slike enheter gjort bemerkelsesverdige fremskritt de siste 25 årene, og økt dataoverføringshastigheten med tre størrelsesordener. Moderne silisiumbaserte modulatorer kan oppnå 4-nivå pulsamplitudemodulasjon (PAM4) på ​​opptil 224 Gb/s, og enda mer enn 300 Gb/s med PAM8-modulasjon.

Imidlertid møter silisiumbaserte modulatorer grunnleggende begrensninger som stammer fra materialegenskaper. Når optiske transceivere krever overføringshastigheter på mer enn 200+ Gbaud, er båndbredden til disse enhetene vanskelig å møte etterspørselen. Denne begrensningen stammer fra de iboende egenskapene til silisium - balansen mellom å unngå overdreven lystap og samtidig opprettholde tilstrekkelig ledningsevne skaper uunngåelige avveininger.

Fremvoksende modulatorteknologi og materialer

Begrensningene til tradisjonelle silisiumbaserte modulatorer har drevet forskning på alternative materialer og integrasjonsteknologier. Tynnfilmlitiumniobat har blitt en av de mest lovende plattformene for en ny generasjon modulatorer.Tynnfilm litiumniobat elektrooptiske modulatorerarv de utmerkede egenskapene til bulk litiumniobat, inkludert: bredt gjennomsiktig vindu, stor elektro-optisk koeffisient (r33 = 31 pm/V) lineær celle Kerrs effekt kan operere i flere bølgelengdeområder

Nylige fremskritt innen tynnfilmlitiumniobatteknologi har gitt bemerkelsesverdige resultater, inkludert en modulator som opererer på 260 Gbaud med datahastigheter på 1,96 Tb/s per kanal. Plattformen har unike fordeler som CMOS-kompatibel drivspenning og 3-dB båndbredde på 100 GHz.

Ny teknologiapplikasjon

Utviklingen av elektrooptiske modulatorer er nært knyttet til nye applikasjoner på mange felt. Innen kunstig intelligens og datasentre,høyhastighets modulatorerer viktige for neste generasjon av sammenkoblinger, og AI-databehandlingsapplikasjoner driver etterspørselen etter 800G og 1.6T pluggbare transceivere. Modulatorteknologi brukes også på: kvanteinformasjonsbehandling nevromorf databehandling Frequency modulated continuous wave (FMCW) lidar mikrobølgefotonteknologi

Spesielt tynnfilm litiumniobat elektrooptiske modulatorer viser styrke i optiske databehandlingsmotorer, og gir rask laveffektmodulering som akselererer maskinlæring og kunstig intelligens-applikasjoner. Slike modulatorer kan også operere ved lave temperaturer og er egnet for kvanteklassiske grensesnitt i superledende linjer.

Utviklingen av neste generasjons elektrooptiske modulatorer står overfor flere store utfordringer: Produksjonskostnader og skala: Tynnfilms litiumniobatmodulatorer er for tiden begrenset til 150 mm waferproduksjon, noe som resulterer i høyere kostnader. Bransjen må utvide waferstørrelsen samtidig som filmens enhetlighet og kvalitet opprettholdes. Integrasjon og Co-design: Den vellykkede utviklingen avmodulatorer med høy ytelsekrever omfattende co-design-funksjoner, som involverer samarbeid mellom optoelektronikk og elektroniske brikkedesignere, EDA-leverandører, fonter og emballasjeeksperter. Produksjonskompleksitet: Mens silisiumbaserte optoelektronikkprosesser er mindre komplekse enn avansert CMOS-elektronikk, krever det betydelig ekspertise og optimalisering av produksjonsprosessen for å oppnå stabil ytelse og ytelse.

Drevet av AI-boomen og geopolitiske faktorer, mottar feltet økte investeringer fra myndigheter, industri og privat sektor rundt om i verden, og skaper nye muligheter for samarbeid mellom akademia og industri og lover å akselerere innovasjon.