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. Detta dokument diskuterar den nuvarande statusen, senaste genombrottet och framtida utveckling av elektrooptisk modulatorteknologi
Figur 1: Prestandajämförelse av olikaoptisk modulatorteknologier, inklusive tunnfilmslitiumniobat (TFLN), III-V elektriska absorptionsmodulatorer (EAM), kiselbaserade och polymermodulatorer när det gäller insättningsförlust, bandbredd, strömförbrukning, storlek och tillverkningskapacitet.
Traditionella kiselbaserade elektrooptiska modulatorer och deras begränsningar
Kiselbaserade fotoelektriska ljusmodulatorer har varit grunden för optiska kommunikationssystem i många år. Baserat på plasmadispersionseffekten har sådana anordningar gjort anmärkningsvärda framsteg under de senaste 25 åren och ökat dataöverföringshastigheterna med tre storleksordningar. Moderna kiselbaserade modulatorer kan uppnå 4-nivås pulsamplitudmodulering (PAM4) på upp till 224 Gb/s, och till och med mer än 300 Gb/s med PAM8-modulering.
Kiselbaserade modulatorer möter dock grundläggande begränsningar som härrör från materialegenskaper. När optiska transceivrar kräver baudhastigheter på mer än 200+ Gbaud är bandbredden för dessa enheter svår att möta efterfrågan. Denna begränsning härrör från de inneboende egenskaperna hos kisel – balansen att undvika alltför stor ljusförlust samtidigt som tillräcklig konduktivitet bibehålls skapar oundvikliga kompromisser.
Ny modulatorteknik och material
Begränsningarna hos traditionella kiselbaserade modulatorer har drivit forskning om alternativa material och integrationsteknologier. Tunnfilmslitiumniobat har blivit en av de mest lovande plattformarna för en ny generation modulatorer.Elektrooptiska modulatorer av tunnfilmslitiumniobatärver de utmärkta egenskaperna hos bulk litiumniobat, inklusive: brett transparent fönster, stor elektrooptisk koefficient (r33 = 31 pm/V) linjär cell Kerrs effekt kan fungera i flera våglängdsområden
De senaste framstegen inom tunnfilmslitiumniobatteknologi har gett anmärkningsvärda resultat, inklusive en modulator som arbetar på 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.
Framväxande teknologiapplikation
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-datorapplikationer driver efterfrågan på 800G och 1.6T pluggbara transceivrar. Modulatorteknik tillämpas också på: kvantinformationsbehandling neuromorfisk beräkning Frequency modulated continuous wave (FMCW) lidar mikrovågsfotonteknologi
Speciellt visar elektrooptiska modulatorer av tunnfilmslitiumniobat styrka i optiska beräkningsmotorer, vilket ger snabb lågeffektmodulering som accelererar maskininlärning och tillämpningar för artificiell intelligens. Sådana modulatorer kan också arbeta vid låga temperaturer och är lämpliga för kvantklassiska gränssnitt i supraledande ledningar.
Utvecklingen av nästa generations elektrooptiska modulatorer står inför flera stora utmaningar: Produktionskostnad och skala: tunnfilmslitiumniobatmodulatorer 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 Co-design: Den framgångsrika utvecklingen avhögpresterande modulatorerkräver omfattande samdesignfunktioner, som involverar samarbete mellan optoelektronik och elektroniska chipdesigners, EDA-leverantörer, founts och förpackningsexperter. Tillverkningskomplexitet: Även om kiselbaserade optoelektronikprocesser är mindre komplexa än avancerad CMOS-elektronik, krävs betydande expertis och optimering av tillverkningsprocessen för att uppnå stabil prestanda och avkastning.
Drivet av AI-boomen och geopolitiska faktorer, får området ökade investeringar från regeringar, industri och den privata sektorn runt om i världen, vilket skapar nya möjligheter för samarbete mellan akademi och industri och lovar att påskynda innovation.
Posttid: 2024-12-30