El futur demoduladors electroòptics
Els moduladors electroòptics tenen un paper central en els sistemes optoelectrònics moderns, i representen una funció important en molts camps, des de la comunicació fins a la computació quàntica, mitjançant la regulació de les propietats de la llum. Aquest article analitza l'estat actual, els darrers avenços i el desenvolupament futur de la tecnologia dels moduladors electroòptics.
Figura 1: Comparació del rendiment de diferentsmodulador òptictecnologies, incloent-hi el niobat de liti de pel·lícula fina (TFLN), els moduladors d'absorció elèctrica (EAM) III-V, els moduladors basats en silici i els moduladors de polímer pel que fa a la pèrdua d'inserció, l'ample de banda, el consum d'energia, la mida i la capacitat de fabricació.
Moduladors electroòptics tradicionals basats en silici i les seves limitacions
Els moduladors de llum fotoelèctrics basats en silici han estat la base dels sistemes de comunicació òptica durant molts anys. Basant-se en l'efecte de dispersió del plasma, aquests dispositius han fet progressos notables en els darrers 25 anys, augmentant les taxes de transferència de dades en tres ordres de magnitud. Els moduladors moderns basats en silici poden aconseguir una modulació d'amplitud de pols de 4 nivells (PAM4) de fins a 224 Gb/s, i fins i tot més de 300 Gb/s amb la modulació PAM8.
Tanmateix, els moduladors basats en silici s'enfronten a limitacions fonamentals derivades de les propietats del material. Quan els transceptors òptics requereixen velocitats de transmissió de més de 200 Gbaud, l'amplada de banda d'aquests dispositius és difícil de satisfer la demanda. Aquesta limitació prové de les propietats inherents del silici: l'equilibri entre evitar la pèrdua excessiva de llum i mantenir una conductivitat suficient crea compromisos inevitables.
Tecnologia i materials moduladors emergents
Les limitacions dels moduladors tradicionals basats en silici han impulsat la recerca de materials alternatius i tecnologies d'integració. El niobat de liti de pel·lícula fina s'ha convertit en una de les plataformes més prometedores per a una nova generació de moduladors.Moduladors electroòptics de niobat de liti de pel·lícula finahereten les excel·lents característiques del niobat de liti a granel, incloent-hi: finestra transparent àmplia, gran coeficient electroòptic (r33 = 31 pm/V), cel·la lineal amb efecte Kerrs que pot funcionar en múltiples rangs de longitud d'ona
Els avenços recents en la tecnologia de niobat de liti de pel·lícula fina han donat resultats notables, incloent-hi un modulador que funciona a 260 Gbaud amb velocitats de dades d'1,96 Tb/s per canal. La plataforma té avantatges únics, com ara un voltatge d'accionament compatible amb CMOS i un ample de banda de 3 dB de 100 GHz.
Aplicació de tecnologia emergent
El desenvolupament de moduladors electroòptics està estretament relacionat amb aplicacions emergents en molts camps. En el camp de la intel·ligència artificial i els centres de dades,moduladors d'alta velocitatsón importants per a la propera generació d'interconnexions, i les aplicacions de computació d'IA estan impulsant la demanda de transceptors connectables de 800G i 1.6T. La tecnologia de modulació també s'aplica a: processament d'informació quàntica computació neuromòrfica tecnologia de fotons de microones lidar d'ona contínua modulada per freqüència (FMCW)
En particular, els moduladors electroòptics de niobat de liti de pel·lícula fina mostren força en motors de processament computacional òptic, proporcionant una modulació ràpida de baixa potència que accelera les aplicacions d'aprenentatge automàtic i intel·ligència artificial. Aquests moduladors també poden funcionar a baixes temperatures i són adequats per a interfícies quàntiques-clàssiques en línies superconductores.
El desenvolupament de moduladors electroòptics de nova generació s'enfronta a diversos reptes importants: Cost de producció i escala: els moduladors de niobat de liti de pel·lícula fina actualment estan limitats a la producció de làmines de 150 mm, cosa que comporta costos més elevats. La indústria necessita ampliar la mida de les làmines mantenint la uniformitat i la qualitat de la pel·lícula. Integració i codisseny: el desenvolupament reeixit demoduladors d'alt rendimentrequereix capacitats de codisseny completes, que impliquen la col·laboració de dissenyadors d'optoelectrònica i xips electrònics, proveïdors d'EDA, fonts i experts en envasos. Complexitat de fabricació: Tot i que els processos d'optoelectrònica basats en silici són menys complexos que l'electrònica CMOS avançada, aconseguir un rendiment i un rendiment estables requereix una experiència significativa i una optimització del procés de fabricació.
Impulsat per l'auge de la IA i els factors geopolítics, el camp està rebent una inversió creixent dels governs, la indústria i el sector privat d'arreu del món, creant noves oportunitats de col·laboració entre el món acadèmic i la indústria i prometent accelerar la innovació.
Data de publicació: 30 de desembre de 2024