Prihodnost elektrooptičnih modulatorjev

Prihodnostelektro optični modulatorji

Elektrooptični modulatorji imajo osrednjo vlogo v sodobnih optoelektronskih sistemih, saj igrajo pomembno vlogo na številnih področjih od komunikacije do kvantnega računalništva z uravnavanjem lastnosti svetlobe. Ta članek obravnava trenutni status, najnovejši preboj in prihodnji razvoj tehnologije elektrooptičnih modulatorjev

Slika 1: Primerjava delovanja različnihoptični modulatortehnologije, vključno s tankoslojnim litijevim niobatom (TFLN), modulatorji električne absorpcije III-V (EAM), modulatorji na osnovi silicija in polimernimi modulatorji glede vstavljene izgube, pasovne širine, porabe energije, velikosti in proizvodne zmogljivosti.

Tradicionalni elektrooptični modulatorji na osnovi silicija in njihove omejitve

Fotoelektrični svetlobni modulatorji na osnovi silicija so že vrsto let osnova optičnih komunikacijskih sistemov. Na podlagi plazemskega disperzijskega učinka so takšne naprave v zadnjih 25 letih dosegle izjemen napredek in povečale hitrost prenosa podatkov za tri velikosti. Sodobni modulatorji na osnovi silicija lahko dosežejo 4-nivojsko impulzno 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. Kadar optični oddajniki-sprejemniki zahtevajo hitrost prenosa več kot 200+ Gbaud, pasovna širina teh naprav težko zadosti povpraševanju. Ta omejitev izhaja iz inherentnih lastnosti silicija – ravnovesje izogibanja pretirani izgubi svetlobe ob ohranjanju zadostne prevodnosti ustvarja neizogibne kompromise.

Nastajajoča modulatorska tehnologija in materiali

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.Tankoslojni elektrooptični modulatorji litijevega niobatapodedujejo odlične lastnosti litijevega niobata v razsutem stanju, vključno z: širokim prozornim oknom, velikim elektrooptičnim koeficientom (r33 = 31 pm/V) linearno celico Kerrsov učinek lahko deluje v več območjih valovnih dolžin

Nedavni napredek v tehnologiji tankoslojnega litijevega niobata je dal izjemne rezultate, vključno z modulatorjem, ki deluje pri 260 Gbaud s 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 100 GHz.

Uporaba nastajajoče tehnologije

Razvoj elektrooptičnih modulatorjev je tesno povezan z nastajajočimi aplikacijami na številnih področjih. Na področju umetne inteligence in podatkovnih centrov,modulatorji visoke hitrostiso pomembne za naslednjo generacijo medsebojnih povezav, računalniške aplikacije z umetno inteligenco pa spodbujajo povpraševanje po priključnih sprejemnikih in oddajnikih 800G in 1,6T. Tehnologija modulatorja se uporablja tudi za: kvantno obdelavo informacij nevromorfno računalništvo frekvenčno modulirano kontinuirano valovanje (FMCW) lidar mikrovalovno fotonsko tehnologijo

Zlasti tankoslojni elektrooptični modulatorji iz litijevega niobata kažejo moč v motorjih za optično računalniško obdelavo, 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 velikimi izzivi: Proizvodni stroški in obseg: tankoslojni modulatorji litijevega niobata so trenutno omejeni na proizvodnjo rezin 150 mm, kar povzroča višje stroške. Industrija mora povečati velikost rezin, hkrati pa ohraniti enotnost in kakovost filma. Integracija in sooblikovanje: uspešen razvojvisokozmogljivi modulatorjizahteva celovite zmogljivosti sooblikovanja, ki vključujejo sodelovanje oblikovalcev optoelektronike in elektronskih čipov, dobaviteljev EDA, fontan in strokovnjakov za pakiranje. Kompleksnost izdelave: Čeprav so optoelektronski procesi na osnovi silicija manj zapleteni kot napredna elektronika CMOS, doseganje stabilne zmogljivosti in izkoristka zahteva znatno strokovno znanje in optimizacijo proizvodnega procesa.

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