Die Zukunft elektrooptischer Modulatoren

Die Zukunft vonElektrooptische Modulatoren

Elektrooptische Modulatoren spielen eine zentrale Rolle in modernen optoelektronischen Systemen und spielen in vielen Bereichen von der Kommunikation bis zum Quantencomputing eine wichtige Rolle, indem sie die Eigenschaften von Licht regulieren. In diesem Artikel werden der aktuelle Stand, der jüngste Durchbruch und die zukünftige Entwicklung der elektrooptischen Modulatortechnologie erörtert

Abbildung 1: Leistungsvergleich verschiedeneroptischer ModulatorTechnologien, einschließlich Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN), III-V-elektrische Absorptionsmodulatoren (EAM), Silizium-basierte und Polymer-Modulatoren in Bezug auf Einfügedämpfung, Bandbreite, Stromverbrauch, Größe und Produktionskapazität.

Herkömmliche elektrooptische Modulatoren auf Siliziumbasis und ihre Grenzen

Photoelektrische Lichtmodulatoren auf Siliziumbasis sind seit vielen Jahren die Grundlage optischer Kommunikationssysteme. Basierend auf dem Plasmadispersionseffekt haben solche Geräte in den letzten 25 Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht und die Datenübertragungsraten um drei Größenordnungen gesteigert. Moderne Modulatoren auf Siliziumbasis können eine 4-stufige Pulsamplitudenmodulation (PAM4) von bis zu 224 Gbit/s und mit PAM8-Modulation sogar mehr als 300 Gbit/s erreichen.

Modulatoren auf Siliziumbasis unterliegen jedoch grundlegenden Einschränkungen, die sich aus den Materialeigenschaften ergeben. Wenn optische Transceiver Baudraten von mehr als 200 GBaud erfordern, kann die Bandbreite dieser Geräte den Bedarf nur schwer decken. Diese Einschränkung ergibt sich aus den inhärenten Eigenschaften von Silizium – das Gleichgewicht zwischen der Vermeidung übermäßiger Lichtverluste und der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Leitfähigkeit führt zwangsläufig zu Kompromissen.

Neue Modulatortechnologie und -materialien

Die Einschränkungen herkömmlicher Modulatoren auf Siliziumbasis haben die Forschung nach alternativen Materialien und Integrationstechnologien vorangetrieben. Dünnfilm-Lithiumniobat hat sich zu einer der vielversprechendsten Plattformen für eine neue Generation von Modulatoren entwickelt.Elektrooptische Dünnschicht-Lithiumniobat-ModulatorenErben Sie die hervorragenden Eigenschaften von Bulk-Lithiumniobat, einschließlich: breites transparentes Fenster, großer elektrooptischer Koeffizient (r33 = 31 pm/V), linearer Zell-Kerrs-Effekt, der in mehreren Wellenlängenbereichen wirken kann

Jüngste Fortschritte in der Dünnschicht-Lithiumniobat-Technologie haben zu bemerkenswerten Ergebnissen geführt, darunter ein Modulator, der mit 260 Gbaud und Datenraten von 1,96 Tb/s pro Kanal arbeitet. Die Plattform verfügt über einzigartige Vorteile wie eine CMOS-kompatible Antriebsspannung und eine 3-dB-Bandbreite von 100 GHz.

Neue Technologieanwendung

Die Entwicklung elektrooptischer Modulatoren steht in engem Zusammenhang mit neuen Anwendungen in vielen Bereichen. Im Bereich Künstliche Intelligenz und RechenzentrenHochgeschwindigkeitsmodulatorensind wichtig für die nächste Generation von Verbindungen, und KI-Computing-Anwendungen treiben die Nachfrage nach steckbaren 800G- und 1,6T-Transceivern voran. Die Modulatortechnologie wird auch angewendet auf: Quanteninformationsverarbeitung, neuromorphes Computing, frequenzmodulierte kontinuierliche Welle (FMCW), Lidar-Mikrowellen-Photonentechnologie

Insbesondere elektrooptische Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren zeigen ihre Stärke in optischen Rechenverarbeitungs-Engines, da sie eine schnelle Modulation mit geringem Stromverbrauch ermöglichen, die maschinelles Lernen und Anwendungen der künstlichen Intelligenz beschleunigt. Solche Modulatoren können auch bei niedrigen Temperaturen betrieben werden und eignen sich für quantenklassische Grenzflächen in supraleitenden Leitungen.

Die Entwicklung elektrooptischer Modulatoren der nächsten Generation steht vor mehreren großen Herausforderungen: Produktionskosten und -größe: Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren sind derzeit auf die Produktion von 150-mm-Wafern beschränkt, was zu höheren Kosten führt. Die Industrie muss die Wafergröße vergrößern und gleichzeitig die Einheitlichkeit und Qualität der Folie beibehalten. Integration und Co-Design: Die erfolgreiche Entwicklung vonHochleistungsmodulatorenerfordert umfassende Co-Design-Fähigkeiten, die die Zusammenarbeit von Optoelektronik- und Elektronikchip-Designern, EDA-Lieferanten, Quellen und Verpackungsexperten umfassen. Komplexität der Herstellung: Während siliziumbasierte optoelektronische Prozesse weniger komplex sind als fortschrittliche CMOS-Elektronik, erfordert das Erreichen einer stabilen Leistung und Ausbeute erhebliches Fachwissen und eine Optimierung des Herstellungsprozesses.

Angetrieben durch den KI-Boom und geopolitische Faktoren erhält der Bereich zunehmende Investitionen von Regierungen, Industrie und Privatsektor auf der ganzen Welt, was neue Möglichkeiten für die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie schafft und eine Beschleunigung der Innovation verspricht.