Elektrooptisko modulatoru nākotne

Nākotneelektrooptiskie modulatori

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

1. attēls. Dažādu veiktspējas salīdzinājumsoptiskais modulatorstehnoloģijas, tostarp plānslāņa litija niobāts (TFLN), III-V elektriskās absorbcijas modulatori (EAM), silīcija bāzes un polimēru modulatori ievietošanas zuduma, joslas platuma, enerģijas patēriņa, izmēra un ražošanas jaudas ziņā.

Tradicionālie silīcija bāzes elektrooptiskie modulatori un to ierobežojumi

Fotoelektriskie gaismas modulatori uz silīcija bāzes ir bijuši optisko sakaru sistēmu pamatā daudzus gadus. Pamatojoties uz plazmas izkliedes efektu, šādas ierīces pēdējo 25 gadu laikā ir panākušas ievērojamu progresu, palielinot datu pārraides ātrumu par trim kārtām. Mūsdienu uz silīcija bāzes veidotie modulatori var sasniegt 4 līmeņu impulsa amplitūdas modulāciju (PAM4) līdz 224 Gb/s un pat vairāk nekā 300 Gb/s ar PAM8 modulāciju.

Tomēr uz silīcija bāzes veidotiem modulatoriem ir būtiski ierobežojumi, kas izriet no materiāla īpašībām. Ja optiskajiem raiduztvērējiem ir nepieciešams bodu ātrums, kas pārsniedz 200 Gbaud, šo ierīču joslas platumu ir grūti nodrošināt. Šis ierobežojums izriet no silīcija raksturīgajām īpašībām – līdzsvars, kas ļauj izvairīties no pārmērīga gaismas zuduma, vienlaikus saglabājot pietiekamu vadītspēju, rada neizbēgamus kompromisus.

Jaunā modulatoru tehnoloģija un materiāli

Tradicionālo uz silīcija bāzes veidoto modulatoru ierobežojumi ir veicinājuši alternatīvu materiālu un integrācijas tehnoloģiju izpēti. Plānais litija niobāts ir kļuvis par vienu no daudzsološākajām platformām jaunās paaudzes modulatoriem.Plānas plēves litija niobāta elektrooptiskie modulatoripārmanto lieliskā litija niobāta īpašības, tostarp: plats caurspīdīgs logs, liels elektrooptiskais koeficients (r33 = 31 pm/V) lineārā šūna Kerrs efekts var darboties vairākos viļņu garuma diapazonos

Nesenie sasniegumi plānās kārtiņas litija niobāta tehnoloģijā ir devuši ievērojamus rezultātus, tostarp modulators, kas darbojas ar 260 Gbaud ar 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.

Jauno tehnoloģiju pielietojums

Elektrooptisko modulatoru izstrāde ir cieši saistīta ar jauniem lietojumiem daudzās jomās. Mākslīgā intelekta un datu centru jomāātrgaitas modulatoriir svarīgi nākamās paaudzes starpsavienojumiem, un AI skaitļošanas lietojumprogrammas veicina pieprasījumu pēc 800 G un 1,6 T pievienojamiem raiduztvērējiem. Modulatoru tehnoloģija tiek izmantota arī: kvantu informācijas apstrādei neiromorfiskai skaitļošanai; frekvences modulētai nepārtrauktai viļņai (FMCW) lidara mikroviļņu fotonu tehnoloģijai

Jo īpaši plānās kārtiņas litija niobāta elektrooptiskie modulatori parāda 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 vairākiem lieliem izaicinājumiem: Ražošanas izmaksas un mērogs: plānslāņa litija niobāta modulatori pašlaik ir ierobežoti līdz 150 mm vafeļu ražošanai, kā rezultātā palielinās izmaksas. Nozarei ir jāpaplašina vafeļu izmērs, vienlaikus saglabājot plēves viendabīgumu un kvalitāti. Integrācija un kopdizains: veiksmīga attīstībaaugstas veiktspējas modulatoriir nepieciešamas visaptverošas kopprojektēšanas iespējas, kas ietver optoelektronikas un elektronisko mikroshēmu dizaineru, EDA piegādātāju, fontu un iepakojuma ekspertu sadarbību. Ražošanas sarežģītība: lai gan uz silīciju balstīti optoelektronikas procesi ir mazāk sarežģīti nekā uzlabotā CMOS elektronika, stabilas veiktspējas un ražīguma sasniegšanai ir nepieciešamas ievērojamas zināšanas un ražošanas procesa optimizācija.

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