Бъдещето наелектрооптични модулатори
Електрооптичните модулатори играят централна роля в съвременните оптоелектронни системи, играейки важна роля в много области - от комуникациите до квантовите изчисления, чрез регулиране на свойствата на светлината. Тази статия разглежда текущото състояние, най-новите открития и бъдещото развитие на технологията на електрооптичните модулатори.
Фигура 1: Сравнение на производителността на различниоптичен модулатортехнологии, включително тънкослоен литиев ниобат (TFLN), III-V модулатори на електрическа абсорбция (EAM), силициеви и полимерни модулатори по отношение на загубите при вмъкване, честотна лента, консумация на енергия, размер и производствен капацитет.
Традиционни електрооптични модулатори на силициева основа и техните ограничения
Силициевите фотоелектрични модулатори на светлината са основата на оптичните комуникационни системи в продължение на много години. Базирани на ефекта на плазмена дисперсия, такива устройства са постигнали забележителен напредък през последните 25 години, увеличавайки скоростите на пренос на данни с три порядъка. Съвременните силициеви модулатори могат да постигнат 4-степенна импулсно-амплитудна модулация (PAM4) до 224 Gb/s и дори повече от 300 Gb/s с PAM8 модулация.
Въпреки това, силициевите модулатори са изправени пред фундаментални ограничения, произтичащи от свойствата на материала. Когато оптичните приемо-предаватели изискват скорости на предаване над 200+ Gbaud, честотната лента на тези устройства трудно може да отговори на търсенето. Това ограничение произтича от присъщите свойства на силиция – балансът между избягване на прекомерна загуба на светлина и поддържане на достатъчна проводимост създава неизбежни компромиси.
Нова технология и материали за модулатори
Ограниченията на традиционните силициеви модулатори насочиха изследванията към алтернативни материали и технологии за интеграция. Тънкослойният литиев ниобат се превърна в една от най-обещаващите платформи за ново поколение модулатори.Тънкослойни електрооптични модулатори от литиев ниобатнаследяват отличните характеристики на насипния литиев ниобат, включително: широк прозрачен прозорец, голям електрооптичен коефициент (r33 = 31 pm/V), линейна клетка, ефект на Керс, може да работи в множество диапазони на дължината на вълната.
Последните постижения в технологията за тънкослойни литиево-ниобатни технологии дадоха забележителни резултати, включително модулатор, работещ на 260 Gbaud със скорост на предаване на данни от 1,96 Tb/s на канал. Платформата има уникални предимства като CMOS-съвместимо захранващо напрежение и 3 dB честотна лента от 100 GHz.
Приложение на нововъзникващи технологии
Разработването на електрооптични модулатори е тясно свързано с нововъзникващи приложения в много области. В областта на изкуствения интелект и центровете за данни,високоскоростни модулаториса важни за следващото поколение взаимовръзки, а приложенията за изкуствен интелект стимулират търсенето на 800G и 1.6T щепселни приемо-предаватели. Модулаторната технология се прилага и за: квантова обработка на информация, невроморфни изчисления, честотно модулирана непрекъсната вълна (FMCW), лидар, микровълнова фотонна технология.
По-специално, тънкослойните електрооптични модулатори от литиев ниобат показват силни страни в оптичните изчислителни процесори, осигурявайки бърза модулация с ниска мощност, която ускорява приложенията за машинно обучение и изкуствен интелект. Такива модулатори могат да работят и при ниски температури и са подходящи за квантово-класически интерфейси в свръхпроводящи линии.
Разработването на електрооптични модулатори от следващо поколение е изправено пред няколко основни предизвикателства: Производствена цена и мащаб: тънкослойните литиево-ниобатни модулатори в момента са ограничени до производство на пластини с размер 150 мм, което води до по-високи разходи. Индустрията трябва да разшири размера на пластините, като същевременно запази еднородността и качеството на филма. Интеграция и съвместно проектиране: Успешното разработване на...високопроизводителни модулаториизисква всеобхватни възможности за съвместно проектиране, включващи сътрудничеството на дизайнери на оптоелектроника и електронни чипове, доставчици на EDA, производители и експерти по опаковки. Сложност на производството: Въпреки че процесите на оптоелектроника на базата на силиций са по-малко сложни от усъвършенстваната CMOS електроника, постигането на стабилна производителност и добив изисква значителен опит и оптимизация на производствения процес.
Водена от бума на изкуствения интелект и геополитическите фактори, областта получава увеличени инвестиции от правителствата, индустрията и частния сектор по целия свят, създавайки нови възможности за сътрудничество между академичните среди и индустрията и обещавайки ускоряване на иновациите.
Време на публикуване: 30 декември 2024 г.