Sähköoptisten modulaattoreiden 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 modulaattoriteknologian nykytilaa, viimeisintä läpimurtoa ja tulevaa kehitystä.

Kuva 1: Erilaisten suorituskyvyn vertailuoptinen modulaattoriteknologioita, mukaan lukien ohutkalvolitiumniobaatti (TFLN), III-V sähköiset absorptiomodulaattorit (EAM), piipohjaiset ja polymeerimodulaattorit, väliinkytkentähäviön, kaistanleveyden, tehonkulutuksen, koon ja valmistuskapasiteetin suhteen.

Perinteiset piipohjaiset sähköoptiset modulaattorit ja niiden rajoitukset

Piipohjaiset fotoelektriset valomodulaattorit ovat olleet optisten tietoliikennejärjestelmien perusta jo vuosia. Plasmadispersiovaikutukseen perustuvat laitteet ovat edistyneet huomattavasti viimeisten 25 vuoden aikana ja lisänneet tiedonsiirtonopeuksia kolmella kertaluokkaa. Nykyaikaiset piipohjaiset modulaattorit voivat saavuttaa jopa 224 Gb/s:n nelitasoisen pulssiamplitudimodulaation (PAM4) ja jopa yli 300 Gb/s:n nopeuden PAM8-modulaatiolla.

Piipohjaisilla modulaattoreilla on kuitenkin perustavanlaatuisia rajoituksia, jotka johtuvat materiaalien ominaisuuksista. Kun optiset lähetin-vastaanottimet vaativat yli 200 Gbaudin baudinopeuksia, näiden laitteiden kaistanleveyden täyttäminen on vaikeaa. Tämä rajoitus johtuu piin luontaisista ominaisuuksista – liiallisen valohäviön välttäminen ja riittävän johtavuuden ylläpitäminen luovat väistämättömiä kompromisseja.

Kehittyvä modulaattoriteknologia ja -materiaalit

Perinteisten piipohjaisten modulaattoreiden rajoitukset ovat vauhdittaneet vaihtoehtoisten materiaalien ja integrointiteknologioiden tutkimusta. Ohutkalvoinen litiumniobaatti on tullut yhdeksi lupaavimmista alustoista uuden sukupolven modulaattoreille.Ohutkalvoiset litiumniobaattielektro-optiset modulaattoritperivät litiumniobaatin erinomaiset ominaisuudet, mukaan lukien: leveä läpinäkyvä ikkuna, suuri sähköoptinen kerroin (r33 = 31 pm/V), lineaarinen kenno, Kerrsin ilmiö voi toimia useilla aallonpituusalueilla

Viimeaikaiset edistysaskeleet ohutkalvolitiumniobaattiteknologiassa ovat tuottaneet merkittäviä tuloksia, mukaan lukien modulaattorin, joka toimii 260 Gbaudin nopeudella ja jonka tiedonsiirtonopeus on 1,96 Tb/s kanavaa kohden. Alustalla on ainutlaatuisia etuja, kuten CMOS-yhteensopiva käyttöjännite ja 3 dB:n kaistanleveys 100 GHz:ssä.

Nouseva teknologiasovellus

Sähköoptisten modulaattoreiden kehitys liittyy läheisesti monilla aloilla kehittyviin sovelluksiin. Tekoälyn ja datakeskusten alallasuurnopeusmodulaattoritovat tärkeitä seuraavan sukupolven yhteenliitännöille, ja tekoälylaskentasovellukset lisäävät 800G- ja 1.6T-pistokeliitäntäisten lähetin-vastaanottimien kysyntää. Modulaattoriteknologiaa sovelletaan myös: kvantti-informaation käsittelyyn neuromorfiseen laskentaan taajuusmoduloituun jatkuvaan aaltoon (FMCW) lidar-mikroaalto-fotoniteknologiaan

Erityisesti ohutkalvoiset litiumniobaattielektro-optiset modulaattorit osoittavat vahvuutta optisissa laskennallisissa prosessoreissa, sillä ne tarjoavat nopeaa ja pienitehoista modulointia, joka nopeuttaa koneoppimista ja tekoälysovelluksia. Tällaiset modulaattorit voivat toimia myös matalissa lämpötiloissa ja sopivat kvanttiklassisiin rajapintoihin suprajohtavissa linjoissa.

Seuraavan sukupolven sähköoptisten modulaattoreiden kehittäminen kohtaa useita merkittäviä haasteita: Tuotantokustannukset ja mittakaava: ohutkalvoisten litiumniobaattimodulaattoreiden kiekkojen tuotanto on tällä hetkellä rajoitettu 150 mm:n kokoon, mikä johtaa korkeampiin kustannuksiin. Alan on laajennettava kiekkojen kokoa samalla, kun säilytetään kalvon tasaisuus ja laatu. Integrointi ja yhteissuunnittelu: Onnistunut kehityskorkean suorituskyvyn modulaattoritedellyttää kattavia yhteissuunnitteluvalmiuksia, joihin osallistuvat optoelektroniikan ja elektronisten sirujen suunnittelijat, EDA-toimittajien, lähdemateriaalien ja pakkausasiantuntijoiden yhteistyö. Valmistuksen monimutkaisuus: Vaikka piipohjaiset optoelektroniikan prosessit ovat vähemmän monimutkaisia ​​kuin edistyneet CMOS-elektroniikkaprosessit, vakaan suorituskyvyn ja saannon saavuttaminen vaatii merkittävää asiantuntemusta ja valmistusprosessien optimointia.

Tekoälybuumin ja geopoliittisten tekijöiden vauhdittamana ala saa yhä enemmän investointeja hallituksilta, teollisuudelta ja yksityiseltä sektorilta ympäri maailmaa, mikä luo uusia yhteistyömahdollisuuksia akateemisen maailman ja teollisuuden välille ja lupaa kiihdyttää innovaatioita.