Elektrooptisko modulatoru nākotne

Nākotneelektrooptiskie modulatori

Elektrooptiskajiem modulatoriem ir būtiska loma mūsdienu optoelektroniskajās sistēmās, tiem ir svarīga loma daudzās jomās, sākot no komunikācijas līdz kvantu skaitļošanai, regulējot gaismas īpašības. Šajā rakstā ir aplūkots elektrooptisko modulatoru tehnoloģijas pašreizējais stāvoklis, jaunākie sasniegumi un turpmākā attīstība.

1. attēls: Dažādu veiktspējas salīdzinājumsoptiskais modulatorstehnoloģijas, tostarp plānkārtiņas litija niobāts (TFLN), III-V elektriskās absorbcijas modulatori (EAM), uz silīcija bāzes veidoti un polimēru modulatori, attiecībā uz ievietošanas zudumiem, joslas platumu, enerģijas patēriņu, izmēru un ražošanas jaudu.

Tradicionālie uz silīcija bāzes veidotie elektrooptiskie modulatori un to ierobežojumi

Silīcija bāzes fotoelektriskie gaismas modulatori jau daudzus gadus ir bijuši optisko sakaru sistēmu pamatā. Balstoties uz plazmas dispersijas efektu, šādas ierīces pēdējo 25 gadu laikā ir guvušas ievērojamus panākumus, palielinot datu pārraides ātrumu par trim lieluma kārtām. Mūsdienu silīcija bāzes modulatori var sasniegt 4 līmeņu impulsa amplitūdas modulāciju (PAM4) līdz pat 224 Gb/s un pat vairāk nekā 300 Gb/s ar PAM8 modulāciju.

Tomēr uz silīcija bāzes veidotajiem modulatoriem ir būtiski ierobežojumi, kas izriet no materiālu īpašībām. Ja optiskajiem raidītājiem ir nepieciešams datu pārraides ātrums, kas pārsniedz 200 Gbaud, šo ierīču joslas platumam ir grūti apmierināt šo pieprasījumu. Šis ierobežojums izriet no silīcija raksturīgajām īpašībām — līdzsvars starp pārmērīgu gaismas zudumu novēršanu un pietiekamas vadītspējas saglabāšanu rada neizbēgamus kompromisus.

Jaunās modulatoru tehnoloģijas un materiāli

Tradicionālo uz silīcija bāzes veidoto modulatoru ierobežojumi ir veicinājuši alternatīvu materiālu un integrācijas tehnoloģiju izpēti. Plānās plēves litija niobāts ir kļuvis par vienu no daudzsološākajām platformām jaunas paaudzes modulatoriem.Plānas plēves litija niobāta elektrooptiskie modulatorimanto lieliskās litija niobāta masas īpašības, tostarp: platu caurspīdīgu logu, lielu elektrooptisko koeficientu (r33 = 31 pm/V), lineāru šūnu, Kerra efekts var darboties vairākos viļņu garuma diapazonos.

Jaunākie sasniegumi plāno kārtiņu litija niobāta tehnoloģijā ir devuši ievērojamus rezultātus, tostarp modulatoru, kas darbojas ar 260 Gbaud datu pārraides ātrumu 1,96 Tb/s uz kanālu. Platformai ir unikālas priekšrocības, piemēram, ar CMOS saderīgs piedziņas spriegums un 3 dB joslas platums 100 GHz.

Jaunās tehnoloģijas pielietojums

Elektrooptisko modulatoru izstrāde ir cieši saistīta ar jauniem pielietojumiem daudzās jomās. Mākslīgā intelekta un datu centru jomāātrgaitas modulatoriir svarīgi nākamās paaudzes starpsavienojumiem, un mākslīgā intelekta skaitļošanas lietojumprogrammas veicina pieprasījumu pēc 800G un 1,6T pievienojamiem raidītājiem/uztvērējiem. Modulatoru tehnoloģija tiek izmantota arī: kvantu informācijas apstrādē, neiromorfiskajā skaitļošanā, frekvences modulētajā nepārtrauktā viļņa (FMCW) tehnoloģijā, lidarā, mikroviļņu fotonu tehnoloģijā.

Jo īpaši plānas kārtiņas litija niobāta elektrooptiskie modulatori uzrāda izturību optiskās skaitļošanas apstrādes dzinējos, nodrošinot ātru mazjaudas modulāciju, kas paātrina mašīnmācīšanos un mākslīgā intelekta lietojumprogrammas. Šādi modulatori var darboties arī zemā temperatūrā un ir piemēroti kvantu klasiskajām saskarnēm supravadošās līnijās.

Nākamās paaudzes elektrooptisko modulatoru izstrāde saskaras ar vairākām būtiskām problēmām: Ražošanas izmaksas un mērogs: plānplēves litija niobāta modulatoru ražošana pašlaik ir ierobežota līdz 150 mm plāksnēm, kā rezultātā izmaksas ir augstākas. Nozarei ir jāpaplašina plāksnīšu izmērs, vienlaikus saglabājot plēves vienmērīgumu un kvalitāti. Integrācija un kopprojektēšana: veiksmīga izstrādeaugstas veiktspējas modulatoriprasa visaptverošas kopīgas projektēšanas iespējas, iesaistot optoelektronikas un elektronisko mikroshēmu dizainerus, EDA piegādātājus, izejmateriālu piegādātājus un iepakošanas ekspertus. Ražošanas sarežģītība: Lai gan uz silīcija bāzes izgatavoti optoelektronikas procesi ir mazāk sarežģīti nekā progresīva CMOS elektronika, stabilas veiktspējas un ražības sasniegšanai ir nepieciešamas ievērojamas zināšanas un ražošanas procesa optimizācija.

Mākslīgā intelekta uzplaukuma un ģeopolitisko faktoru ietekmē šī joma saņem arvien lielākas investīcijas no valdībām, rūpniecības un privātā sektora visā pasaulē, radot jaunas iespējas sadarbībai starp akadēmisko un rūpniecības aprindām un solot paātrināt inovācijas.