Elektrooptiliste modulaatorite tulevik

Tulevikelektrooptilised modulaatorid

Elektrooptilistel modulaatoritel on tänapäevastes optoelektroonikasüsteemides keskne roll, mängides olulist rolli paljudes valdkondades alates kommunikatsioonist kuni kvantarvutuseni, reguleerides valguse omadusi. See artikkel käsitleb elektrooptiliste modulaatorite tehnoloogia praegust seisu, uusimaid läbimurdeid ja tulevast arengut.

Joonis 1: Erinevate jõudluse võrdlusoptiline modulaatortehnoloogiad, sealhulgas õhukese kilega liitiumniobaat (TFLN), III-V elektrilised neeldumismodulaatorid (EAM), ränipõhised ja polümeermodulaatorid, sisestamise kadu, ribalaiuse, energiatarbimise, suuruse ja tootmisvõimsuse osas.

Traditsioonilised ränipõhised elektrooptilised modulaatorid ja nende piirangud

Ränipõhised fotoelektrilised valgusmodulaatorid on olnud optiliste sidesüsteemide aluseks juba aastaid. Plasma dispersiooniefektil põhinevad seadmed on viimase 25 aasta jooksul teinud märkimisväärseid edusamme, suurendades andmeedastuskiirust kolme suurusjärgu võrra. Kaasaegsed ränipõhised modulaatorid suudavad saavutada neljatasemelise impulssamplituudmodulatsiooni (PAM4) kuni 224 Gb/s ja PAM8 modulatsiooniga isegi üle 300 Gb/s.

Ränipõhistel modulaatoritel on aga materjali omadustest tulenevad põhimõttelised piirangud. Kui optilised transiiverid vajavad üle 200 Gbaudi edastuskiirust, on nende seadmete ribalaiusega keeruline nõudlust rahuldada. See piirang tuleneb räni loomupärastest omadustest – liigse valguskao vältimise ja piisava juhtivuse säilitamise tasakaal loob paratamatuid kompromisse.

Tärkav modulaatori tehnoloogia ja materjalid

Traditsiooniliste ränipõhiste modulaatorite piirangud on ajendanud uuringuid alternatiivsete materjalide ja integreerimistehnoloogiate kohta. Õhukese kilega liitiumniobaat on saanud üheks paljulubavamaks platvormiks uue põlvkonna modulaatoritele.Õhukese kilega liitiumniobaat-elektrooptilised modulaatoridpärib liitiumniobaadi suurepäraseid omadusi, sealhulgas: lai läbipaistev aken, suur elektrooptiline koefitsient (r33 = 31 pm/V), lineaarne element, Kerri efekt võib toimida mitmes lainepikkuste vahemikus.

Hiljutised edusammud õhukese kilega liitiumniobaadi tehnoloogias on andnud märkimisväärseid tulemusi, sealhulgas modulaatori, mis töötab kiirusel 260 Gbaud ja andmeedastuskiirusega 1,96 Tb/s kanali kohta. Platvormil on ainulaadsed eelised, näiteks CMOS-ühilduv ajamipinge ja 3-dB ribalaius 100 GHz juures.

Tärkav tehnoloogiarakendus

Elektrooptiliste modulaatorite väljatöötamine on tihedalt seotud paljude valdkondade uute rakendustega. Tehisintellekti ja andmekeskuste valdkonnaskiired modulaatoridon olulised järgmise põlvkonna ühenduste jaoks ning tehisintellekti arvutusrakendused suurendavad nõudlust 800G ja 1,6T pistikühendusega transiiverite järele. Modulaatoritehnoloogiat rakendatakse ka järgmistes valdkondades: kvantinformatsiooni töötlemine neuromorfne andmetöötlus sagedusmoduleeritud pidevlaine (FMCW) lidar mikrolaine-footontehnoloogia

Eelkõige näitavad õhukese kilega liitiumniobaat-elektrooptilised modulaatorid tugevust optiliste arvutuslike töötlusmootorite puhul, pakkudes kiiret väikese energiatarbega modulatsiooni, mis kiirendab masinõppe ja tehisintellekti rakendusi. Sellised modulaatorid võivad töötada ka madalatel temperatuuridel ja sobivad kvantklassikaliste liideste jaoks ülijuhtivates liinides.

Järgmise põlvkonna elektrooptiliste modulaatorite väljatöötamine seisab silmitsi mitmete oluliste väljakutsetega: tootmiskulud ja ulatus: õhukese kilega liitiumniobaatmodulaatorite tootmine on praegu piiratud 150 mm vahvliga, mis toob kaasa kõrgemad kulud. Tööstusharu peab laiendama vahvli suurust, säilitades samal ajal kile ühtluse ja kvaliteedi. Integratsioon ja ühisprojekteerimine: edukas väljatöötaminesuure jõudlusega modulaatoridnõuab ulatuslikke ühisprojekteerimisvõimalusi, mis hõlmavad optoelektroonika ja elektrooniliste kiipide disainerite, EDA tarnijate, doseerimisvahendite ja pakendiekspertide koostööd. Tootmise keerukus: Kuigi ränipõhised optoelektroonika protsessid on vähem keerukad kui täiustatud CMOS-elektroonika, nõuab stabiilse jõudluse ja saagikuse saavutamine märkimisväärset ekspertiisi ja tootmisprotsesside optimeerimist.

Tehisintellekti buumi ja geopoliitiliste tegurite tõttu saab valdkond üha suuremaid investeeringuid valitsustelt, tööstuselt ja erasektorilt kogu maailmas, luues uusi koostöövõimalusi akadeemiliste ringkondade ja tööstuse vahel ning lubades kiirendada innovatsiooni.