Бъдещето на електрооптичните модулатори

Бъдещето наелектрооптични модулатори

Електрооптичните модулатори играят централна роля в съвременните оптоелектронни системи, като играят важна роля в много области от комуникация до квантово изчисление чрез регулиране на свойствата на светлината. Този документ обсъжда текущото състояние, последния пробив и бъдещото развитие на технологията на електрооптичния модулатор

Фигура 1: Сравнение на производителността на различниоптичен модулатортехнологии, включително тънкослоен литиев ниобат (TFLN), модулатори на електрическа абсорбция III-V (EAM), базирани на силиций и полимерни модулатори по отношение на загуба на вмъкване, честотна лента, консумация на енергия, размер и производствен капацитет.

Традиционни силициеви електрооптични модулатори и техните ограничения

Базираните на силиций фотоелектрични светлинни модулатори са в основата на оптичните комуникационни системи от много години. Въз основа на ефекта на плазмената дисперсия, такива устройства постигнаха забележителен напредък през последните 25 години, увеличавайки скоростта на трансфер на данни с три порядъка. Съвременните базирани на силиций модулатори могат да постигнат 4-степенна импулсна амплитудна модулация (PAM4) до 224 Gb/s и дори повече от 300 Gb/s с PAM8 модулация.

Въпреки това, базираните на силиций 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 на избягване на прекомерна загуба на светлина при поддържане на достатъчна проводимост създава неизбежни компромиси.

Нововъзникващи модулаторни технологии и материали

Ограниченията на традиционните базирани на силиций модулатори накараха изследванията на алтернативни материали и интеграционни технологии. Тънкослойният литиев ниобат се превърна в една от най-обещаващите платформи за ново поколение модулатори.Тънкослойни литиево-ниобатни електрооптични модулаторинаследяват отличните характеристики на насипния литиев ниобат, включително: широк прозрачен прозорец, голям електрооптичен коефициент (r33 = 31 pm/V) линейна клетка Ефектът на Керс може да работи в множество диапазони на дължина на вълната

Последните постижения в технологията на тънкослойния литиев ниобат дадоха забележителни резултати, включително модулатор, работещ при 260 Gbaud със скорости на данни от 1,96 Tb/s на канал. Платформата има уникални предимства като CMOS-съвместимо задвижващо напрежение и 3-dB честотна лента от 100 GHz.

Приложение на нови 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 изчислителните приложения с изкуствен интелект стимулират търсенето на 800G и 1.6T щепселни трансивъри. Технологията на модулатора се прилага и за: обработка на квантова информация невроморфно изчисление Честотно модулирана непрекъсната вълна (FMCW) лидар микровълнова фотонна технология

По-специално, тънкослойните литиево-ниобатни електрооптични модулатори показват сила в двигателите за оптична изчислителна обработка, осигурявайки бърза модулация с ниска мощност, която ускорява машинното обучение и приложенията за изкуствен интелект. Такива модулатори могат също да работят при ниски температури и са подходящи за квантово-класически интерфейси в свръхпроводящи линии.

Разработването на следващо поколение електрооптични модулатори е изправено пред няколко големи предизвикателства: Производствени разходи и мащаб: тънкослойните литиево-ниобатни модулатори в момента са ограничени до 150 mm производство на пластини, което води до по-високи разходи. Индустрията трябва да увеличи размера на вафлите, като същевременно запази еднородността и качеството на филма. Интегриране и съвместно проектиране: успешното развитие нависокопроизводителни модулаториизисква всеобхватни възможности за съвместно проектиране, включващи сътрудничеството на дизайнери на оптоелектроника и електронни чипове, доставчици на EDA, източници и експерти по опаковане. Производствена сложност: Въпреки че базираните на силиций оптоелектронни процеси 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 ИИ и геополитическите фактори, областта получава увеличени инвестиции от правителства, индустрия и частния сектор по целия свят, създавайки нови възможности за сътрудничество между академичните среди и индустрията и обещавайки да ускори иновациите.