Fremtiden for elektrooptiske modulatorer

Fremtiden forelektrooptiske modulatorer

Elektrooptiske modulatorer spiller en central rolle i moderne optoelektroniske systemer og spiller en vigtig rolle inden for mange områder, lige fra kommunikation til kvanteberegning, ved at regulere lysets egenskaber. Denne artikel diskuterer den nuværende status, det seneste gennembrud og den fremtidige udvikling af elektrooptisk modulatorteknologi.

Figur 1: Ydelsessammenligning af forskelligeoptisk modulatorteknologier, herunder tyndfilmslithiumniobat (TFLN), III-V elektriske absorptionsmodulatorer (EAM), siliciumbaserede og polymermodulatorer med hensyn til indsættelsestab, 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 plasmadispersionseffekten 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-niveau pulsamplitudemodulation (PAM4) på ​​op til 224 Gb/s og endda mere end 300 Gb/s med PAM8-modulation.

Siliciumbaserede modulatorer står dog over for grundlæggende begrænsninger, der stammer fra materialeegenskaber. Når optiske transceivere kræver baudhastigheder på mere end 200+ Gbaud, er båndbredden for 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 kompromiser.

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.Elektrooptiske modulatorer af tyndfilmslitiumniobatArver de fremragende egenskaber ved lithiumniobat i bulk, herunder: bredt transparent vindue, stor elektrooptisk koefficient (r33 = 31 pm/V) lineær celle Kerrs-effekten kan fungere i flere bølgelængdeområder

Nylige fremskridt inden for tyndfilms-lithiumniobatteknologi har givet bemærkelsesværdige resultater, herunder en modulator, der opererer 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 teknologisk anvendelse

Udviklingen af ​​elektrooptiske modulatorer er tæt forbundet med nye anvendelser inden for 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-stikbare transceivere. Modulatorteknologi anvendes også til: kvanteinformationsbehandling, neuromorfisk databehandling, frekvensmoduleret kontinuerlig bølge (FMCW), lidar, mikrobølgefotonteknologi

Især viser elektrooptiske modulatorer af tyndfilmslithiumniobat styrke i optiske beregningsmotorer, hvor de leverer hurtig modulering med lavt strømforbrug, der accelererer maskinlæring og kunstig intelligens-applikationer. Sådanne modulatorer kan også fungere ved lave temperaturer og er velegnede til kvanteklassiske grænseflader i superledende linjer.

Udviklingen af ​​næste generations 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 er nødt til at udvide waferstørrelsen, samtidig med at filmens ensartethed og kvalitet opretholdes. Integration og co-design: Den succesfulde udvikling afhøjtydende modulatorerkræver omfattende co-design-kapaciteter, der involverer samarbejde mellem optoelektronik- og elektroniske chipdesignere, EDA-leverandører, kilder og emballageeksperter. Produktionskompleksitet: Mens siliciumbaserede optoelektroniske processer er mindre komplekse end avanceret CMOS-elektronik, kræver opnåelse af stabil ydeevne og udbytte betydelig ekspertise og optimering af fremstillingsprocesser.

Drevet af AI-boomet og geopolitiske faktorer modtager feltet øgede investeringer fra regeringer, industrien og den private sektor over hele verden, hvilket skaber nye muligheder for samarbejde mellem den akademiske verden og industrien og lover at accelerere innovation.