Fremtiden forelektrooptiske modulatorer
Elektrooptiske modulatorer spiller en central rolle i moderne optoelektroniske systemer og spiller en vigtig rolle på mange områder fra kommunikation til kvanteberegning ved at regulere lysets egenskaber. Dette papir diskuterer den nuværende status, seneste gennembrud og fremtidig udvikling af elektrooptisk modulatorteknologi
Figur 1: Præstationssammenligning af forskelligeoptisk modulatorteknologier, herunder tyndfilm lithiumniobat (TFLN), III-V elektriske absorptionsmodulatorer (EAM), siliciumbaserede og polymermodulatorer med hensyn til indføringstab, båndbredde, strømforbrug, størrelse og produktionskapacitet.
Traditionelle siliciumbaserede elektrooptiske modulatorer og deres begrænsninger
Siliciumbaserede fotoelektriske lysmodulatorer har været grundlaget for optiske kommunikationssystemer i mange år. Baseret på plasmaspredningseffekten har sådanne enheder gjort bemærkelsesværdige fremskridt i løbet af de sidste 25 år og øget dataoverførselshastighederne med tre størrelsesordener. Moderne siliciumbaserede modulatorer kan opnå 4-niveaus pulsamplitudemodulation (PAM4) på op til 224 Gb/s, og endda mere end 300 Gb/s med PAM8-modulation.
Siliciumbaserede modulatorer står imidlertid over for fundamentale begrænsninger som følge af materialeegenskaber. Når optiske transceivere kræver baud-hastigheder på mere end 200+ Gbaud, er båndbredden af disse enheder vanskelig at imødekomme efterspørgslen. Denne begrænsning stammer fra siliciums iboende egenskaber - balancen mellem at undgå for stort lystab og samtidig opretholde tilstrækkelig ledningsevne skaber uundgåelige afvejninger.
Ny modulatorteknologi og materialer
Begrænsningerne ved traditionelle siliciumbaserede modulatorer har drevet forskning i alternative materialer og integrationsteknologier. Tyndfilmslithiumniobat er blevet en af de mest lovende platforme for en ny generation af modulatorer.Tyndfilm lithium niobat elektro-optiske modulatorerarve de fremragende egenskaber af bulk lithium niobat, herunder: bredt gennemsigtigt vindue, stor elektro-optisk koefficient (r33 = 31 pm/V) lineær celle Kerrs effekt kan fungere i flere bølgelængdeområder
Nylige fremskridt inden for tyndfilmslithiumniobatteknologi har givet bemærkelsesværdige resultater, herunder en modulator, der arbejder ved 260 Gbaud med datahastigheder på 1,96 Tb/s pr. kanal. Platformen har unikke fordele såsom CMOS-kompatibel drevspænding og 3-dB båndbredde på 100 GHz.
Ny teknologiapplikation
Udviklingen af elektrooptiske modulatorer er tæt forbundet med nye applikationer på mange områder. Inden for kunstig intelligens og datacentre,højhastighedsmodulatorerer vigtige for den næste generation af sammenkoblinger, og AI-computerapplikationer driver efterspørgslen efter 800G og 1.6T pluggbare transceivere. Modulatorteknologi anvendes også på: kvanteinformationsbehandling neuromorfisk databehandling Frequency modulated continuous wave (FMCW) lidar mikrobølgefotonteknologi
Især tyndfilm lithiumniobat elektro-optiske modulatorer viser styrke i optiske databehandlingsmotorer, hvilket giver hurtig laveffektmodulering, der accelererer maskinlæring og kunstig intelligens applikationer. Sådanne modulatorer kan også fungere ved lave temperaturer og er velegnede til kvante-klassiske grænseflader i superledende linjer.
Udviklingen af næste generation af elektrooptiske modulatorer står over for flere store udfordringer: Produktionsomkostninger og skala: Tyndfilms lithiumniobatmodulatorer er i øjeblikket begrænset til 150 mm waferproduktion, hvilket resulterer i højere omkostninger. Industrien skal udvide waferstørrelsen, samtidig med at filmens ensartethed og kvalitet bevares. Integration og Co-design: Den succesfulde udvikling afhøjtydende modulatorerkræver omfattende co-design-kapaciteter, der involverer samarbejde mellem optoelektronik og elektroniske chipdesignere, EDA-leverandører, fonte og emballageeksperter. Fremstillingskompleksitet: Mens siliciumbaserede optoelektronikprocesser er mindre komplekse end avanceret CMOS-elektronik, kræver det betydelig ekspertise og optimering af fremstillingsprocessen for at opnå stabil ydeevne og udbytte.
Drevet af AI-boomet og geopolitiske faktorer, modtager feltet øgede investeringer fra regeringer, industri og den private sektor rundt om i verden, hvilket skaber nye muligheder for samarbejde mellem den akademiske verden og industrien og lover at accelerere innovation.
Indlægstid: 30. december 2024