Sähköoptisten modulaattorien tulevaisuus

Tulevaisuussähköoptiset modulaattorit

Sähköoptisilla modulaattoreilla on keskeinen rooli nykyaikaisissa optoelektronisissa järjestelmissä, ja niillä on tärkeä rooli monilla aloilla viestinnästä kvanttilaskentaan säätelemällä valon ominaisuuksia. Tässä artikkelissa käsitellään sähköoptisen modulaattoritekniikan nykytilaa, viimeisintä läpimurtoa ja tulevaa kehitystä

Kuva 1: Suorituskykyvertailu erioptinen modulaattoriteknologiat, mukaan lukien ohutkalvolitiumniobaatti (TFLN), III-V sähköabsorptiomodulaattorit (EAM), piipohjaiset ja polymeerimodulaattorit liitoshäviön, kaistanleveyden, virrankulutuksen, koon ja valmistuskapasiteetin osalta.

Perinteiset piipohjaiset sähköoptiset modulaattorit ja niiden rajoitukset

Piipohjaiset valosähköiset valomodulaattorit ovat olleet optisten viestintäjärjestelmien perusta useiden vuosien ajan. Plasman dispersiovaikutuksen perusteella tällaiset laitteet ovat edistyneet merkittävästi viimeisten 25 vuoden aikana ja lisänneet tiedonsiirtonopeuksia kolmella suuruusluokalla. Nykyaikaiset piipohjaiset modulaattorit voivat saavuttaa 4-tasoisen pulssiamplitudimodulaation (PAM4) jopa 224 Gb/s ja jopa yli 300 Gb/s PAM8-modulaatiolla.

Piipohjaisilla modulaattoreilla on kuitenkin materiaaliominaisuuksista johtuvia perustavanlaatuisia rajoituksia. Kun optiset lähetin-vastaanottimet vaativat yli 200+ Gbaudin siirtonopeuksia, näiden laitteiden kaistanleveyttä on vaikea vastata kysyntään. Tämä rajoitus johtuu piin luontaisista ominaisuuksista – tasapaino liiallisen valohäviön välttämiseksi ja riittävän johtavuuden säilyttämiseksi luo väistämättömiä kompromisseja.

Uusi modulaattoritekniikka ja materiaalit

Perinteisten piipohjaisten modulaattoreiden rajoitukset ovat johtaneet vaihtoehtoisten materiaalien ja integrointitekniikoiden tutkimiseen. Ohutkalvosta litiumniobaattia on tullut yksi lupaavimpia alustoja uuden sukupolven modulaattoreille.Ohutkalvoiset litiumniobaattisähköoptiset modulaattoritperii bulkkilitiumniobaatin erinomaiset ominaisuudet, mukaan lukien: leveä läpinäkyvä ikkuna, suuri sähköoptinen kerroin (r33 = 31 pm/V) lineaarinen kenno Kerrs-ilmiö voi toimia useilla aallonpituusalueilla

Viimeaikaiset edistysaskeleet ohutkalvolitiumniobaattiteknologiassa ovat tuottaneet merkittäviä tuloksia, mukaan lukien modulaattori, joka toimii 260 Gbaud:lla datanopeudella 1,96 Tb/s kanavaa kohti. Alustalla on ainutlaatuisia etuja, kuten CMOS-yhteensopiva taajuusmuuttajajännite ja 3 dB:n kaistanleveys 100 GHz.

Uusi teknologiasovellus

Sähköoptisten modulaattoreiden kehitys liittyy läheisesti uusiin sovelluksiin monilla aloilla. Tekoälyn ja datakeskusten alallanopeat modulaattoritovat tärkeitä seuraavan sukupolven yhteyksille, ja tekoälysovellukset lisäävät 800G ja 1.6T kytkettävien lähetin-vastaanottimien kysyntää. Modulaattoritekniikkaa sovelletaan myös: kvanttitietojen käsittelyyn neuromorfiseen laskentaan taajuusmoduloituun jatkuvaan aaltoon (FMCW) lidar-mikroaaltofotonitekniikkaan

Erityisesti ohutkalvoiset litiumniobaattisähköoptiset modulaattorit osoittavat vahvuutta optisissa laskennallisissa prosessointimoottoreissa, jotka tarjoavat nopean pienitehoisen modulaation, joka nopeuttaa koneoppimista ja tekoälysovelluksia. Tällaiset modulaattorit voivat toimia myös matalissa lämpötiloissa ja soveltuvat suprajohtavien linjojen kvanttiklassisiin rajapintoihin.

Seuraavan sukupolven sähköoptisten modulaattoreiden kehittämisessä on edessään useita suuria haasteita: Tuotantokustannukset ja mittakaava: ohutkalvolitiumniobaattimodulaattorit on tällä hetkellä rajoitettu 150 mm:n kiekkojen tuotantoon, mikä johtaa korkeampiin kustannuksiin. Teollisuuden on laajennettava kiekkojen kokoa säilyttäen samalla kalvon tasaisuus ja laatu. Integrointi ja yhteissuunnittelu: Onnistunut kehittäminenkorkean suorituskyvyn modulaattoritvaatii kattavia yhteissuunnitteluvalmiuksia, joihin liittyy optoelektroniikan ja elektronisten sirujen suunnittelijoiden, EDA-toimittajien, suihkulähteiden ja pakkausasiantuntijoiden yhteistyötä. Valmistuksen monimutkaisuus: Vaikka piipohjaiset optoelektroniikan prosessit ovat vähemmän monimutkaisia ​​kuin edistynyt CMOS-elektroniikka, vakaan suorituskyvyn ja tuoton saavuttaminen vaatii huomattavaa asiantuntemusta ja valmistusprosessin optimointia.

Tekoälybuumin ja geopoliittisten tekijöiden vetämänä ala saa lisääntyviä investointeja hallituksilta, teollisuudelta ja yksityiseltä sektorilta ympäri maailmaa, mikä luo uusia mahdollisuuksia akateemisen ja teollisuuden väliselle yhteistyölle ja lupaa vauhdittaa innovaatioita.