O futuro demoduladores electroópticos
Os moduladores electroópticos desempeñan un papel central nos sistemas optoelectrónicos modernos, desempeñando un papel importante en moitos campos, dende a comunicación ata a computación cuántica, ao regular as propiedades da luz. Este artigo analiza o estado actual, os últimos avances e o desenvolvemento futuro da tecnoloxía de moduladores electroópticos.
Figura 1: Comparación do rendemento de diferentesmodulador ópticotecnoloxías, incluíndo niobato de litio de película fina (TFLN), moduladores de absorción eléctrica (EAM) III-V, moduladores baseados en silicio e polímeros en termos de perda de inserción, ancho de banda, consumo de enerxía, tamaño e capacidade de fabricación.
Moduladores electroópticos tradicionais baseados en silicio e as súas limitacións
Os moduladores de luz fotoeléctrica baseados en silicio foron a base dos sistemas de comunicación óptica durante moitos anos. Baseándose no efecto de dispersión do plasma, estes dispositivos fixeron progresos notables nos últimos 25 anos, aumentando as taxas de transferencia de datos en tres ordes de magnitude. Os moduladores modernos baseados en silicio poden lograr unha modulación de amplitude de pulso de 4 niveis (PAM4) de ata 224 Gb/s, e incluso máis de 300 Gb/s coa modulación PAM8.
Non obstante, os moduladores baseados en silicio enfróntanse a limitacións fundamentais derivadas das propiedades do material. Cando os transceptores ópticos requiren velocidades de transmisión de máis de 200 Gbaudios, o ancho de banda destes dispositivos é difícil de satisfacer a demanda. Esta limitación deriva das propiedades inherentes do silicio: o equilibrio entre evitar a perda excesiva de luz e manter a condutividade suficiente crea compensacións inevitables.
Tecnoloxía e materiais moduladores emerxentes
As limitacións dos moduladores tradicionais baseados en silicio impulsaron a investigación de materiais alternativos e tecnoloxías de integración. O niobato de litio de película fina converteuse nunha das plataformas máis prometedoras para unha nova xeración de moduladores.Moduladores electroópticos de película fina de niobato de litioherdan as excelentes características do niobato de litio a granel, incluíndo: ampla xanela transparente, gran coeficiente electroóptico (r33 = 31 pm/V), célula lineal con efecto Kerrs que pode funcionar en múltiples rangos de lonxitudes de onda
Os recentes avances na tecnoloxía de niobato de litio de película fina produciron resultados extraordinarios, incluído un modulador que funciona a 260 Gbaudios con taxas de datos de 1,96 Tb/s por canle. A plataforma ten vantaxes únicas, como unha tensión de accionamento compatible con CMOS e un ancho de banda de 3 dB de 100 GHz.
Aplicación de tecnoloxía emerxente
O desenvolvemento de moduladores electroópticos está estreitamente relacionado coas aplicacións emerxentes en moitos campos. No campo da intelixencia artificial e os centros de datos,moduladores de alta velocidadeson importantes para a próxima xeración de interconexións, e as aplicacións de computación de IA están a impulsar a demanda de transceptores conectables de 800 G e 1,6 T. A tecnoloxía de modulación tamén se aplica a: procesamento de información cuántica computación neuromórfica tecnoloxía de fotóns de microondas lidar de onda continua modulada por frecuencia (FMCW)
En particular, os moduladores electroópticos de película fina de niobato de litio amosan forza nos motores de procesamento computacional óptico, proporcionando unha modulación rápida de baixa potencia que acelera as aplicacións de aprendizaxe automática e intelixencia artificial. Estes moduladores tamén poden funcionar a baixas temperaturas e son axeitados para interfaces clásicas cuánticas en liñas supercondutoras.
O desenvolvemento de moduladores electroópticos de próxima xeración enfróntase a varios desafíos importantes: custo de produción e escala: os moduladores de niobato de litio de película fina están actualmente limitados á produción de obleas de 150 mm, o que resulta en custos máis elevados. A industria necesita ampliar o tamaño das obleas mantendo a uniformidade e a calidade da película. Integración e codeseño: o desenvolvemento exitoso demoduladores de alto rendementorequire capacidades de codeseño exhaustivas, que impliquen a colaboración de deseñadores de optoelectrónica e chips electrónicos, provedores de EDA, fontes e expertos en empaquetado. Complexidade da fabricación: Aínda que os procesos de optoelectrónica baseados en silicio son menos complexos que os da electrónica CMOS avanzada, lograr un rendemento e un rendemento estables require unha experiencia significativa e unha optimización do proceso de fabricación.
Impulsado polo auxe da IA e os factores xeopolíticos, o campo está a recibir un maior investimento por parte de gobernos, industria e sector privado de todo o mundo, o que crea novas oportunidades de colaboración entre o mundo académico e a industria e promete acelerar a innovación.
Data de publicación: 30 de decembro de 2024