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 достижения и будущее развитие технологии электрооптических модуляторов.
Рисунок 1. Сравнение производительности различныхоптический модулятортехнологии, включая тонкопленочный ниобат лития (TFLN), модуляторы электрического поглощения III-V (EAM), кремниевые и полимерные модуляторы с точки зрения вносимых потерь, полосы пропускания, энергопотребления, размера и производственных мощностей.
Традиционные электрооптические модуляторы на основе кремния и их ограничения
Фотоэлектрические модуляторы света на основе кремния уже много лет составляют основу оптических систем связи. Благодаря эффекту дисперсии плазмы такие устройства добились значительного прогресса за последние 25 лет, увеличив скорость передачи данных на три порядка. Современные модуляторы на основе кремния способны обеспечить 4-уровневую импульсно-амплитудную модуляцию (PAM4) со скоростью до 224 Гбит/с и даже более 300 Гбит/с с модуляцией PAM8.
Однако модуляторы на основе кремния сталкиваются с фундаментальными ограничениями, связанными со свойствами материала. Когда оптическим трансиверам требуется скорость передачи данных более 200 Гбод, полоса пропускания этих устройств трудно удовлетворить спрос. Это ограничение связано с присущими кремнию свойствами: баланс между предотвращением чрезмерных потерь света и сохранением достаточной проводимости приводит к неизбежным компромиссам.
Новые технологии и материалы модуляторов
Ограничения традиционных модуляторов на основе кремния стимулировали исследования альтернативных материалов и технологий интеграции. Тонкопленочный ниобат лития стал одной из наиболее перспективных платформ для модуляторов нового поколения.Тонкопленочные электрооптические модуляторы из 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
Последние достижения в технологии тонкопленочных ниобатов лития дали замечательные результаты, в том числе модулятор, работающий на скорости 260 Гбод со скоростью передачи данных 1,96 Тбит/с на канал. Платформа обладает уникальными преимуществами, такими как CMOS-совместимое напряжение возбуждения и полоса пропускания 3 дБ 100 ГГц.
Применение новых технологий
Разработка электрооптических модуляторов тесно связана с новыми приложениями во многих областях. В сфере искусственного интеллекта и центров обработки данных,высокоскоростные модуляторыважны для межсоединений следующего поколения, а вычислительные приложения искусственного интеллекта стимулируют спрос на подключаемые трансиверы 800G и 1,6T. Технология модулятора также применяется для: квантовой обработки информации, нейроморфных вычислений, частотно-модулированной непрерывной волны (FMCW), лидара, технологии микроволновых фотонов.
В частности, тонкопленочные электрооптические модуляторы из ниобата лития демонстрируют свою эффективность в оптических вычислительных процессорах, обеспечивая быструю модуляцию с низким энергопотреблением, которая ускоряет машинное обучение и приложения искусственного интеллекта. Такие модуляторы могут работать также при низких температурах и подходят для квантово-классических интерфейсов в сверхпроводящих линиях.
Разработка электрооптических модуляторов следующего поколения сталкивается с несколькими серьезными проблемами: Стоимость и масштабы производства: тонкопленочные модуляторы из ниобата лития в настоящее время ограничены производством пластин диаметром 150 мм, что приводит к более высоким затратам. Промышленности необходимо увеличивать размер пластин, сохраняя при этом однородность и качество пленки. Интеграция и совместное проектирование: успешное развитиевысокопроизводительные модуляторытребует комплексных возможностей совместного проектирования, включая сотрудничество разработчиков оптоэлектроники и электронных микросхем, поставщиков EDA, источников и экспертов по упаковке. Сложность производства. Хотя процессы оптоэлектроники на основе кремния менее сложны, чем передовая электроника КМОП, достижение стабильной производительности и производительности требует значительного опыта и оптимизации производственного процесса.
Благодаря буму искусственного интеллекта и геополитическим факторам эта область получает все больше инвестиций от правительств, промышленности и частного сектора по всему миру, что создает новые возможности для сотрудничества между научными кругами и промышленностью и обещает ускорить инновации.
Время публикации: 30 декабря 2024 г.