Будущееэлектрооптические модуляторы
Электрооптические модуляторы играют центральную роль в современных оптоэлектронных системах, внося значительный вклад во многие области, от связи до квантовых вычислений, путем регулирования свойств света. В данной статье рассматривается текущее состояние, последние достижения и перспективы развития технологии электрооптических модуляторов.
Рисунок 1: Сравнение производительности различныхоптический модулятортехнологии, включая тонкопленочный ниобат лития (TFLN), модуляторы электрического поглощения на основе соединений III-V групп (EAM), а также модуляторы на основе кремния и полимеров, оцениваются с точки зрения потерь на входе, полосы пропускания, энергопотребления, размеров и производственных возможностей.
Традиционные кремниевые электрооптические модуляторы и их ограничения
Фотоэлектрические модуляторы света на основе кремния уже много лет лежат в основе оптических систем связи. Благодаря эффекту дисперсии плазмы, такие устройства за последние 25 лет достигли значительного прогресса, увеличив скорость передачи данных на три порядка. Современные кремниевые модуляторы могут обеспечивать 4-уровневую импульсно-амплитудную модуляцию (PAM4) до 224 Гбит/с и даже более 300 Гбит/с при модуляции PAM8.
Однако модуляторы на основе кремния сталкиваются с фундаментальными ограничениями, обусловленными свойствами материала. Когда оптическим трансиверам требуется скорость передачи данных более 200 Гбод, полоса пропускания этих устройств с трудом удовлетворяет требуемым параметрам. Это ограничение связано с присущими кремнию свойствами — баланс между предотвращением чрезмерных потерь света и поддержанием достаточной проводимости неизбежно приводит к компромиссам.
Новые технологии и материалы для модуляторов
Ограничения традиционных модуляторов на основе кремния подтолкнули к исследованиям альтернативных материалов и технологий интеграции. Тонкопленочный ниобат лития стал одной из наиболее перспективных платформ для нового поколения модуляторов.Электрооптические модуляторы на основе тонких пленок ниобата литияУнаследовали превосходные характеристики объемного ниобата лития, в том числе: широкое окно прозрачности, большой электрооптический коэффициент (r33 = 31 пм/В), линейная ячейка, эффект Керрса, возможность работы в нескольких диапазонах длин волн.
Последние достижения в технологии тонкопленочных ниобатов лития привели к замечательным результатам, включая модулятор, работающий на скорости 260 Гбод со скоростью передачи данных 1,96 Тбит/с на канал. Платформа обладает уникальными преимуществами, такими как совместимое с CMOS напряжение управления и полоса пропускания 3 дБ в 100 ГГц.
Применение новых технологий
Разработка электрооптических модуляторов тесно связана с появлением новых применений во многих областях. В области искусственного интеллекта и центров обработки данных,высокоскоростные модуляторыОни важны для межсоединений следующего поколения, а приложения искусственного интеллекта стимулируют спрос на подключаемые трансиверы 800G и 1.6T. Технология модуляции также применяется в: квантовой обработке информации, нейроморфных вычислениях, лидаре с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW), микроволновой фотонной технологии.
В частности, тонкопленочные электрооптические модуляторы на основе ниобата лития демонстрируют свои преимущества в вычислительных системах оптического диапазона, обеспечивая быструю модуляцию с низким энергопотреблением, что ускоряет работу приложений 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 следующего поколения сталкивается с рядом серьезных проблем: Стоимость и масштабы производства: в настоящее время производство тонкопленочных модуляторов на основе ниобата лития ограничено пластинами диаметром 150 мм, что приводит к увеличению затрат. Отрасли необходимо расширить размер пластин, сохраняя при этом однородность и качество пленки. Интеграция и совместное проектирование: успешная разработкавысокопроизводительные модуляторыТребуется комплексный подход к совместному проектированию, включающий сотрудничество разработчиков оптоэлектроники и электронных микросхем, поставщиков EDA, производителей и экспертов по упаковке. Сложность производства: хотя процессы производства оптоэлектроники на основе кремния менее сложны, чем процессы производства передовой КМОП-электроники, для достижения стабильной производительности и выхода годной продукции требуется значительный опыт и оптимизация производственных процессов.
Благодаря бурному развитию искусственного интеллекта и геополитическим факторам, эта область получает все больше инвестиций от правительств, промышленности и частного сектора по всему миру, создавая новые возможности для сотрудничества между академическими кругами и промышленностью и обещая ускорить инновации.
Дата публикации: 30 декабря 2024 г.