Будущееэлектрооптические модуляторы
Электрооптические модуляторы играют центральную роль в современных оптоэлектронных системах, играя важную роль во многих областях, от связи до квантовых вычислений, регулируя свойства света. В данной статье обсуждается текущее состояние, последние достижения и перспективы развития технологии электрооптических модуляторов.
Рисунок 1: Сравнение производительности разныхоптический модулятортехнологии, включая тонкопленочный ниобат лития (TFLN), III-V электрические абсорбционные модуляторы (EAM), кремниевые и полимерные модуляторы с точки зрения вносимых потерь, полосы пропускания, энергопотребления, размера и производственной мощности.
Традиционные электрооптические модуляторы на основе кремния и их ограничения
Кремниевые фотоэлектрические модуляторы света уже много лет являются основой оптических систем связи. Благодаря эффекту плазменной дисперсии такие устройства добились значительного прогресса за последние 25 лет, увеличив скорость передачи данных на три порядка. Современные кремниевые модуляторы способны достигать 4-уровневой амплитудной модуляции импульсов (PAM4) со скоростью до 224 Гбит/с и даже более 300 Гбит/с при модуляции PAM8.
Однако кремниевые модуляторы сталкиваются с фундаментальными ограничениями, обусловленными свойствами материала. Когда оптическим приёмопередатчикам требуется скорость передачи данных более 200 Гбод, пропускная способность этих устройств не может удовлетворить эту потребность. Это ограничение обусловлено собственными свойствами кремния: необходимость избегать чрезмерных потерь света и поддерживать достаточную проводимость неизбежно приводит к компромиссам.
Новые технологии и материалы для модуляторов
Ограничения традиционных кремниевых модуляторов стимулировали исследования альтернативных материалов и технологий интеграции. Тонкоплёночный ниобат лития стал одной из наиболее перспективных платформ для нового поколения модуляторов.Тонкопленочные электрооптические модуляторы на основе ниобата литияунаследовали превосходные характеристики объемного ниобата лития, в том числе: широкое прозрачное окно, большой электрооптический коэффициент (r33 = 31 пм/В), линейная ячейка, эффект Керра может работать в нескольких диапазонах длин волн
Недавние достижения в области технологии тонкоплёночных ниобатов лития дали впечатляющие результаты, включая модулятор, работающий на скорости 260 Гбод и скорости передачи данных 1,96 Тбит/с на канал. Платформа обладает уникальными преимуществами, такими как напряжение питания, совместимое с КМОП-технологией, и полоса пропускания 100 ГГц по уровню 3 дБ.
Применение новых технологий
Разработка электрооптических модуляторов тесно связана с новыми приложениями во многих областях. В области искусственного интеллекта и центров обработки данных,высокоскоростные модуляторыОни важны для следующего поколения межсоединений, а приложения ИИ-вычислений стимулируют спрос на подключаемые приёмопередатчики 800G и 1.6T. Технология модуляции также применяется в: квантовой обработке информации, нейроморфных вычислениях, лидарах с частотно-модулированными непрерывными волнами (FMCW), микроволновых фотонных технологиях.
В частности, тонкоплёночные электрооптические модуляторы на основе ниобата лития демонстрируют высокую эффективность в системах оптической обработки данных, обеспечивая быструю модуляцию при низком энергопотреблении, что ускоряет приложения машинного обучения и искусственного интеллекта. Такие модуляторы также могут работать при низких температурах и подходят для квантово-классических интерфейсов в сверхпроводящих линиях.
Разработка электрооптических модуляторов нового поколения сталкивается с рядом серьёзных проблем: Стоимость производства и масштаб: тонкоплёночные модуляторы на основе ниобата лития в настоящее время ограничены пластинами диаметром 150 мм, что приводит к повышению затрат. Отрасли необходимо увеличить размер пластин, сохраняя при этом однородность и качество плёнки. Интеграция и совместная разработка: успешная разработкавысокопроизводительные модуляторыТребуются комплексные возможности совместного проектирования, включающие сотрудничество разработчиков оптоэлектроники и электронных микросхем, поставщиков систем автоматизированного проектирования (EDA), шрифтов и специалистов по корпусированию. Сложность производства: хотя процессы производства кремниевых оптоэлектронных компонентов менее сложны, чем передовая КМОП-электроника, достижение стабильной производительности и выхода годных изделий требует значительных знаний и оптимизации производственных процессов.
Благодаря буму в сфере искусственного интеллекта и геополитическим факторам эта сфера получает все больше инвестиций от правительств, промышленности и частного сектора по всему миру, что создает новые возможности для сотрудничества между академическими кругами и промышленностью и обещает ускорить инновации.
Время публикации: 30 декабря 2024 г.