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 этой статье обсуждается текущее состояние, последние прорывы и будущее развитие технологии электрооптических модуляторов.
Рисунок 1: Сравнение производительности различныхоптический модулятортехнологии, включая тонкопленочный ниобат лития (TFLN), модуляторы электрического поглощения III-V групп (EAM), модуляторы на основе кремния и полимеров с точки зрения вносимых потерь, полосы пропускания, энергопотребления, размера и производственной мощности.
Традиционные электрооптические модуляторы на основе кремния и их ограничения
Фотоэлектрические модуляторы света на основе кремния уже много лет являются основой оптических систем связи. Такие устройства, основанные на эффекте плазменной дисперсии, достигли значительного прогресса за последние 25 лет, увеличив скорость передачи данных на три порядка. Современные модуляторы на основе кремния могут достигать 4-уровневой амплитудной модуляции импульсов (PAM4) до 224 Гбит/с и даже более 300 Гбит/с с модуляцией PAM8.
Однако модуляторы на основе кремния сталкиваются с фундаментальными ограничениями, вытекающими из свойств материала. Когда оптические трансиверы требуют скорости передачи данных более 200+ Гбод, пропускная способность этих устройств с трудом удовлетворяет спрос. Это ограничение вытекает из внутренних свойств кремния — баланс между предотвращением чрезмерных потерь света и сохранением достаточной проводимости создает неизбежные компромиссы.
Новые технологии и материалы для модуляторов
Ограничения традиционных модуляторов на основе кремния привели к исследованиям альтернативных материалов и технологий интеграции. Тонкопленочный ниобат лития стал одной из самых многообещающих 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 Керрса может работать в нескольких диапазонах длин волн
Недавние достижения в области технологии тонкопленочного ниобата лития дали замечательные результаты, 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 КМОП напряжение привода и полоса пропускания 3 дБ 100 ГГц.
Применение новых технологий
Развитие электрооптических модуляторов тесно связано с новыми приложениями во многих областях. В области искусственного интеллекта и центров обработки данных,высокоскоростные модуляторыважны для следующего поколения взаимосвязей, а приложения для вычислений на основе ИИ стимулируют спрос на подключаемые трансиверы 800G и 1.6T. Технология модуляторов также применяется к: квантовой обработке информации нейроморфным вычислениям частотно-модулированным непрерывным волнам (FMCW) лидару микроволновой фотонной технологии
В частности, тонкопленочные электрооптические модуляторы на основе ниобата лития демонстрируют силу в оптических вычислительных процессорах, обеспечивая быструю модуляцию с низким энергопотреблением, которая ускоряет машинное обучение и приложения 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 несколькими серьезными проблемами: Стоимость производства и масштаб: тонкопленочные модуляторы на основе ниобата лития в настоящее время ограничены производством пластин размером 150 мм, что приводит к более высоким затратам. Отрасли необходимо расширить размер пластин, сохраняя при этом однородность и качество пленки. Интеграция и совместное проектирование: успешная разработкавысокопроизводительные модуляторытребует всесторонних возможностей совместного проектирования, включающих сотрудничество разработчиков оптоэлектроники и электронных чипов, поставщиков EDA, шрифтов и экспертов по упаковке. Сложность производства: хотя процессы оптоэлектроники на основе кремния менее сложны, чем усовершенствованная КМОП-электроника, достижение стабильной производительности и выхода продукции требует значительных знаний и оптимизации производственного процесса.
Благодаря буму ИИ 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.