Die Zukunft vonelektrooptische Modulatoren
Elektrooptische Modulatoren spielen eine zentrale Rolle in modernen optoelektronischen Systemen und sind durch die Regulierung der Lichteigenschaften in vielen Bereichen von der Kommunikation bis zum Quantencomputing von großer Bedeutung. Dieser Artikel erörtert den aktuellen Stand, die jüngsten Durchbrüche und die zukünftige Entwicklung der elektrooptischen Modulatortechnologie.
Abbildung 1: Leistungsvergleich verschiedeneroptischer ModulatorTechnologien, einschließlich Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN), III-V-Elektroabsorptionsmodulatoren (EAM), Silizium-basierte und Polymermodulatoren, hinsichtlich Einfügungsdämpfung, Bandbreite, Leistungsaufnahme, Größe und Fertigungskapazität.
Traditionelle elektrooptische Modulatoren auf Siliziumbasis und ihre Grenzen
Siliziumbasierte photoelektrische Lichtmodulatoren bilden seit vielen Jahren die Grundlage optischer Kommunikationssysteme. Dank des Plasmadispersionseffekts haben diese Bauelemente in den letzten 25 Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt und die Datenübertragungsraten um drei Größenordnungen erhöht. Moderne siliziumbasierte Modulatoren erreichen eine 4-stufige Pulsamplitudenmodulation (PAM4) von bis zu 224 Gbit/s und mit PAM8-Modulation sogar über 300 Gbit/s.
Siliziumbasierte Modulatoren stoßen jedoch aufgrund der Materialeigenschaften an grundlegende Grenzen. Benötigen optische Transceiver Baudraten von über 200 Gbaud, reicht die Bandbreite dieser Bauelemente oft nicht aus. Diese Einschränkung beruht auf den inhärenten Eigenschaften von Silizium – der Balanceakt zwischen minimalem Lichtverlust und ausreichender Leitfähigkeit erfordert zwangsläufig Kompromisse.
Neue Modulatortechnologien und -materialien
Die Einschränkungen herkömmlicher siliziumbasierter Modulatoren haben die Forschung nach alternativen Materialien und Integrationstechnologien vorangetrieben. Lithiumniobat-Dünnschichten haben sich dabei als eine der vielversprechendsten Plattformen für eine neue Generation von Modulatoren erwiesen.Dünnschicht-Lithiumniobat-elektrooptische Modulatorenerben die hervorragenden Eigenschaften von Lithiumniobat in der Masse, darunter: breites transparentes Fenster, großer elektrooptischer Koeffizient (r33 = 31 pm/V), linearer Kerrs-Effekt der Zelle, Betrieb in mehreren Wellenlängenbereichen möglich
Jüngste Fortschritte in der Lithiumniobat-Dünnschichttechnologie haben bemerkenswerte Ergebnisse hervorgebracht, darunter ein Modulator, der mit 260 Gbaud und Datenraten von 1,96 Tb/s pro Kanal arbeitet. Die Plattform bietet einzigartige Vorteile wie eine CMOS-kompatible Ansteuerspannung und eine 3-dB-Bandbreite von 100 GHz.
Anwendung neuer Technologien
Die Entwicklung elektrooptischer Modulatoren ist eng mit neuen Anwendungen in vielen Bereichen verknüpft. Im Bereich der künstlichen Intelligenz und von Rechenzentren,HochgeschwindigkeitsmodulatorenSie sind wichtig für die nächste Generation von Verbindungen, und KI-Anwendungen treiben die Nachfrage nach steckbaren 800G- und 1,6T-Transceivern an. Modulatortechnologie findet außerdem Anwendung in: Quanteninformationsverarbeitung, neuromorphem Rechnen, frequenzmodulierter Dauerstrich-Lidartechnologie (FMCW) und Mikrowellenphotonentechnologie.
Insbesondere elektrooptische Dünnschichtmodulatoren aus Lithiumniobat erweisen sich als leistungsstark in optischen Rechenprozessoren. Sie ermöglichen eine schnelle und energiesparende Modulation, die Anwendungen im Bereich maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz beschleunigt. Solche Modulatoren sind zudem bei tiefen Temperaturen einsetzbar und eignen sich für quantenklassische Schnittstellen in supraleitenden Leitungen.
Die Entwicklung von elektrooptischen Modulatoren der nächsten Generation steht vor mehreren großen Herausforderungen: Produktionskosten und Skalierung: Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren sind derzeit auf die Waferproduktion mit 150 mm Durchmesser beschränkt, was zu höheren Kosten führt. Die Industrie muss die Wafergröße erweitern und gleichzeitig die Gleichmäßigkeit und Qualität der Schichten beibehalten. Integration und Co-Design: Die erfolgreiche Entwicklung vonHochleistungsmodulatorenErfordert umfassende Co-Design-Kompetenzen, die die Zusammenarbeit von Optoelektronik- und Elektronikchip-Designern, EDA-Anbietern, Fonting- und Packaging-Experten beinhalten. Fertigungskomplexität: Obwohl siliziumbasierte Optoelektronikprozesse weniger komplex sind als moderne CMOS-Elektronik, erfordert die Erzielung stabiler Leistung und Ausbeute umfangreiches Fachwissen und eine Optimierung der Fertigungsprozesse.
Angetrieben vom KI-Boom und geopolitischen Faktoren, erfährt der Bereich weltweit verstärkte Investitionen von Regierungen, Industrie und Privatwirtschaft, wodurch neue Möglichkeiten der Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie entstehen und die Innovation beschleunigt werden dürfte.
Veröffentlichungsdatum: 30. Dezember 2024