Fremtiden for 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 kvantedatamaskinering, ved å regulere lysets egenskaper. Denne artikkelen diskuterer nåværende status, siste gjennombrudd og fremtidig utvikling av elektrooptisk modulatorteknologi.

Figur 1: Ytelsessammenligning av forskjelligeoptisk modulatorteknologier, inkludert tynnfilmslitiumniobat (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 plasmadispersjonseffekten har slike enheter gjort bemerkelsesverdige fremskritt de siste 25 årene, og økt dataoverføringshastighetene 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.

Silisiumbaserte modulatorer står imidlertid overfor grunnleggende begrensninger som stammer fra materialegenskaper. Når optiske transceivere krever baudrater på mer enn 200+ Gbaud, er båndbredden til disse enhetene vanskelig å møte etterspørselen. Denne begrensningen stammer fra silisiums iboende egenskaper – balansen mellom å unngå overdrevent lystap samtidig som man opprettholder tilstrekkelig konduktivitet skaper uunngåelige avveininger.

Ny modulatorteknologi og -materialer

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

Nylige fremskritt innen tynnfilms-litiumniobatteknologi har gitt bemerkelsesverdige resultater, inkludert en modulator som opererer med 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 innen mange felt. Innen kunstig intelligens og datasentre,høyhastighetsmodulatorerer viktige for neste generasjon av sammenkoblinger, og AI-databehandlingsapplikasjoner driver etterspørselen etter 800G og 1.6T pluggbare transceivere. Modulatorteknologi brukes også til: kvanteinformasjonsbehandling nevromorfisk databehandling frekvensmodulert kontinuerlig bølge (FMCW) lidar mikrobølgefotonteknologi

Spesielt tynnfilms-litiumniobat-elektrooptiske modulatorer viser styrke i optiske beregningsmotorer, 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. Industrien må utvide waferstørrelsen samtidig som filmens ensartethet og kvalitet opprettholdes. Integrasjon og samdesign: Den vellykkede utviklingen avhøyytelsesmodulatorerkrever omfattende samdesignfunksjoner, som involverer samarbeid mellom optoelektronikk- og elektroniske brikkedesignere, EDA-leverandører, kilder og pakkeeksperter. Produksjonskompleksitet: Selv om silisiumbaserte optoelektroniske prosesser er mindre komplekse enn avansert CMOS-elektronikk, krever det betydelig ekspertise og optimalisering av produksjonsprosessen å oppnå stabil ytelse og utbytte.

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