Prihodnost elektrooptičnih modulatorjev

Prihodnostelektrooptični modulatorji

Elektrooptični modulatorji igrajo osrednjo vlogo v sodobnih optoelektronskih sistemih in igrajo pomembno vlogo na številnih področjih, od komunikacije do kvantnega računalništva, saj uravnavajo lastnosti svetlobe. Ta članek obravnava trenutno stanje, najnovejše preboje in prihodnji razvoj tehnologije elektrooptičnih modulatorjev.

Slika 1: Primerjava učinkovitosti različnihoptični modulatortehnologije, vključno s tankoplastnim litijevim niobatom (TFLN), modulatorji električne absorpcije III-V (EAM), modulatorji na osnovi silicija in polimerov, glede na vstavitvene izgube, pasovno širino, porabo energije, velikost in proizvodno zmogljivost.

Tradicionalni elektrooptični modulatorji na osnovi silicija in njihove omejitve

Fotoelektrični modulatorji svetlobe na osnovi silicija so že vrsto let osnova optičnih komunikacijskih sistemov. Zaradi učinka disperzije plazme so takšne naprave v zadnjih 25 letih dosegle izjemen napredek in povečale hitrosti prenosa podatkov za tri velikostne razrede. Sodobni modulatorji na osnovi silicija lahko dosežejo 4-stopenjsko pulzno amplitudno modulacijo (PAM4) do 224 Gb/s, z modulacijo PAM8 pa celo več kot 300 Gb/s.

Vendar se modulatorji na osnovi silicija soočajo s temeljnimi omejitvami, ki izhajajo iz lastnosti materiala. Ko optični oddajniki-sprejemniki zahtevajo hitrosti prenosa več kot 200 Gbaudov, je pasovna širina teh naprav težko zadostiti zahtevam. Ta omejitev izhaja iz inherentnih lastnosti silicija – ravnovesje med izogibanjem prekomerni izgubi svetlobe in ohranjanjem zadostne prevodnosti ustvarja neizogibne kompromise.

Nova tehnologija in materiali modulatorjev

Omejitve tradicionalnih modulatorjev na osnovi silicija so spodbudile raziskave alternativnih materialov in integracijskih tehnologij. Tankoplastni litijev niobat je postal ena najbolj obetavnih platform za novo generacijo modulatorjev.Tankoplastni elektrooptični modulatorji iz litijevega niobatapodedujejo odlične lastnosti litijevega niobata v razsutem stanju, vključno z: širokim prozornim oknom, velikim elektrooptičnim koeficientom (r33 = 31 pm/V), linearno celico Kerrsovega učinka, ki lahko deluje v več valovnih dolžinah

Nedavni napredek v tehnologiji tankih filmov litijevega niobata je prinesel izjemne rezultate, vključno z modulatorjem, ki deluje s hitrostjo 260 Gbaudov in hitrostjo prenosa podatkov 1,96 Tb/s na kanal. Platforma ima edinstvene prednosti, kot sta pogonska napetost, združljiva s CMOS, in pasovna širina 3 dB pri 100 GHz.

Uporaba nove tehnologije

Razvoj elektrooptičnih modulatorjev je tesno povezan z nastajajočimi aplikacijami na številnih področjih. Na področju umetne inteligence in podatkovnih centrov,visokohitrostni modulatorjiso pomembni za naslednjo generacijo medsebojnih povezav, aplikacije računalništva umetne inteligence pa spodbujajo povpraševanje po vtičnih oddajnikih-sprejemnikih z zmogljivostjo 800G in 1,6T. Tehnologija modulatorjev se uporablja tudi za: kvantno obdelavo informacij, nevromorfno računalništvo, frekvenčno modulirano neprekinjeno valovanje (FMCW), lidar, mikrovalovno fotonsko tehnologijo.

Predvsem tankoslojni elektrooptični modulatorji iz litijevega niobata kažejo moč v optičnih računalniških procesnih mehanizmih, saj zagotavljajo hitro modulacijo z nizko porabo energije, ki pospešuje strojno učenje in aplikacije umetne inteligence. Takšni modulatorji lahko delujejo tudi pri nizkih temperaturah in so primerni za kvantno-klasične vmesnike v superprevodnih linijah.

Razvoj elektrooptičnih modulatorjev naslednje generacije se sooča z več večjimi izzivi: Stroški proizvodnje in obseg: tankoplastni litijevi niobatni modulatorji so trenutno omejeni na proizvodnjo rezin velikosti 150 mm, kar ima za posledico višje stroške. Industrija mora povečati velikost rezin, hkrati pa ohraniti enakomernost in kakovost filma. Integracija in sočasna zasnova: Uspešen razvojvisokozmogljivi modulatorjizahteva celovite zmogljivosti sooblikovanja, ki vključujejo sodelovanje oblikovalcev optoelektronike in elektronskih čipov, dobaviteljev EDA, proizvajalcev in strokovnjakov za embalažo. Zahtevnost izdelave: Čeprav so procesi optoelektronike na osnovi silicija manj zapleteni kot napredna CMOS elektronika, doseganje stabilne zmogljivosti in izkoristka zahteva znatno strokovno znanje in optimizacijo proizvodnega procesa.

Zaradi razcveta umetne inteligence in geopolitičnih dejavnikov področje prejema vse večje naložbe vlad, industrije in zasebnega sektorja po vsem svetu, kar ustvarja nove priložnosti za sodelovanje med akademskimi krogi in industrijo ter obeta pospešitev inovacij.