Framtiden förelektrooptiska modulatorer
Elektrooptiska modulatorer spelar en central roll i moderna optoelektroniska system och spelar en viktig roll inom många områden, från kommunikation till kvantberäkning, genom att reglera ljusets egenskaper. Denna artikel diskuterar den nuvarande statusen, det senaste genombrottet och den framtida utvecklingen av elektrooptisk modulatorteknik.
Figur 1: Prestandajämförelse av olikaoptisk modulatortekniker, inklusive tunnfilmslitiumniobat (TFLN), III-V elektriska absorptionsmodulatorer (EAM), kiselbaserade och polymermodulatorer vad gäller insättningsförlust, bandbredd, strömförbrukning, storlek och tillverkningskapacitet.
Traditionella kiselbaserade elektrooptiska modulatorer och deras begränsningar
Kiselbaserade fotoelektriska ljusmodulatorer har varit basen för optiska kommunikationssystem i många år. Baserat på plasmadispersionseffekten har sådana enheter gjort anmärkningsvärda framsteg under de senaste 25 åren, vilket ökat dataöverföringshastigheterna med tre storleksordningar. Moderna kiselbaserade modulatorer kan uppnå 4-nivå pulsamplitudmodulering (PAM4) på upp till 224 Gb/s, och till och med mer än 300 Gb/s med PAM8-modulering.
Kiselbaserade modulatorer står dock inför grundläggande begränsningar som härrör från materialegenskaper. När optiska transceivrar kräver baudrater på mer än 200+ Gbaud är bandbredden för dessa enheter svår att möta efterfrågan. Denna begränsning härrör från kiselns inneboende egenskaper – balansen mellan att undvika överdriven ljusförlust samtidigt som tillräcklig konduktivitet bibehålls skapar oundvikliga avvägningar.
Framväxande modulatorteknik och material
Begränsningarna hos traditionella kiselbaserade modulatorer har drivit forskning om alternativa material och integrationstekniker. Tunnfilmslitiumniobat har blivit en av de mest lovande plattformarna för en ny generation av modulatorer.Elektrooptiska modulatorer av tunnfilmslitiumniobatärver de utmärkta egenskaperna hos litiumniobat i bulk, inklusive: brett transparent fönster, stor elektrooptisk koefficient (r33 = 31 pm/V) linjär cell Kerrs-effekten kan fungera i flera våglängdsområden
Nya framsteg inom tunnfilmsteknik för litiumniobat har gett anmärkningsvärda resultat, inklusive en modulator som arbetar med 260 Gbaud med datahastigheter på 1,96 Tb/s per kanal. Plattformen har unika fördelar som CMOS-kompatibel drivspänning och 3 dB bandbredd på 100 GHz.
Tillämpning av framväxande teknik
Utvecklingen av elektrooptiska modulatorer är nära relaterad till nya tillämpningar inom många områden. Inom området artificiell intelligens och datacenter,höghastighetsmodulatorerär viktiga för nästa generations sammankopplingar, och AI-beräkningstillämpningar driver efterfrågan på 800G- och 1.6T-pluggbara transceivers. Modulatorteknik tillämpas också på: kvantinformationsbehandling neuromorfisk beräkning frekvensmodulerad kontinuerlig våg (FMCW) lidar mikrovågsfotonteknik
Särskilt tunnfilms-litiumniobat-elektrooptiska modulatorer visar styrka i optiska beräkningsmotorer, där de ger snabb lågeffektsmodulering som accelererar maskininlärning och artificiell intelligens-tillämpningar. Sådana modulatorer kan också arbeta vid låga temperaturer och är lämpliga för kvantklassiska gränssnitt i supraledande linjer.
Utvecklingen av nästa generations elektrooptiska modulatorer står inför flera stora utmaningar: Produktionskostnad och skala: tunnfilms-litiumniobatmodulatorer är för närvarande begränsade till 150 mm waferproduktion, vilket resulterar i högre kostnader. Industrin behöver utöka waferstorleken samtidigt som filmens enhetlighet och kvalitet bibehålls. Integration och samdesign: Den framgångsrika utvecklingen avhögpresterande modulatorerkräver omfattande samdesignkapacitet, som involverar samarbete mellan optoelektronik- och elektronikchipdesigners, EDA-leverantörer, källor och förpackningsexperter. Tillverkningskomplexitet: Även om kiselbaserade optoelektroniska processer är mindre komplexa än avancerad CMOS-elektronik, kräver det betydande expertis och optimering av tillverkningsprocessen att uppnå stabil prestanda och avkastning.
Drivet av AI-boomen och geopolitiska faktorer får området ökade investeringar från regeringar, industrin och den privata sektorn runt om i världen, vilket skapar nya möjligheter för samarbete mellan akademi och industri och lovar att accelerera innovation.
Publiceringstid: 30 dec 2024