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 des Lichts regulieren. Dieser Artikel diskutiert den aktuellen Stand, die neuesten Durchbrüche und die zukünftige Entwicklung der elektrooptischen Modulatortechnologie.
Abbildung 1: Leistungsvergleich verschiedeneroptischer ModulatorTechnologien, darunter Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN), III-V-Elektroabsorptionsmodulatoren (EAM), Silizium- und Polymermodulatoren hinsichtlich Einfügungsverlust, Bandbreite, Stromverbrauch, Größe und Fertigungskapazität.
Herkömmliche elektrooptische Modulatoren auf Siliziumbasis und ihre Einschränkungen
Siliziumbasierte photoelektrische Lichtmodulatoren bilden seit vielen Jahren die Grundlage optischer Kommunikationssysteme. Basierend auf dem Plasmadispersionseffekt haben solche 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 unterliegen jedoch grundlegenden Einschränkungen, die sich aus den Materialeigenschaften ergeben. Wenn optische Transceiver Baudraten von über 200 Gbaud benötigen, kann die Bandbreite dieser Bausteine den Anforderungen kaum gerecht werden. Diese Einschränkung ergibt sich aus den inhärenten Eigenschaften von Silizium – die Balance zwischen der Vermeidung übermäßiger Lichtverluste und der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Leitfähigkeit führt zu unvermeidlichen Kompromissen.
Neue Modulatortechnologie und Materialien
Die Einschränkungen herkömmlicher siliziumbasierter Modulatoren haben die Forschung nach alternativen Materialien und Integrationstechnologien vorangetrieben. Dünnschicht-Lithiumniobat hat sich zu einer der vielversprechendsten Plattformen für eine neue Generation von Modulatoren entwickelt.Dünnschicht-Lithiumniobat-Elektrooptikmodulatorenbesitzen die hervorragenden Eigenschaften von Lithiumniobat, darunter: breites transparentes Fenster, großer elektrooptischer Koeffizient (r33 = 31 pm/V), lineare Zelle, Kerrs-Effekt kann in mehreren Wellenlängenbereichen wirken
Jüngste Fortschritte in der Dünnschicht-Lithiumniobat-Technologie haben bemerkenswerte Ergebnisse hervorgebracht, darunter einen Modulator mit 260 Gbaud und Datenraten von 1,96 Tbit/s pro Kanal. Die Plattform bietet einzigartige Vorteile wie eine CMOS-kompatible Antriebsspannung und eine 3-dB-Bandbreite von 100 GHz.
Anwendung neuer Technologien
Die Entwicklung elektrooptischer Modulatoren ist eng mit neuen Anwendungen in vielen Bereichen verbunden. Im Bereich der künstlichen Intelligenz und RechenzentrenHochgeschwindigkeitsmodulatorensind wichtig für die nächste Generation von Verbindungen, und KI-Computeranwendungen treiben die Nachfrage nach steckbaren 800G- und 1,6T-Transceivern voran. Modulatortechnologie wird auch in folgenden Bereichen eingesetzt: Quanteninformationsverarbeitung, neuromorphes Computing, Frequenzmodulierte Dauerstrichtechnik (FMCW), Lidar, Mikrowellen-Photonentechnologie
Insbesondere Dünnschicht-Lithiumniobat-Elektrooptikmodulatoren zeigen ihre Stärken in optischen Rechenmaschinen und ermöglichen eine schnelle Modulation mit geringem Stromverbrauch, die Anwendungen im Bereich maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz beschleunigt. Solche Modulatoren können auch bei niedrigen Temperaturen betrieben werden und eignen sich für quantenklassische Schnittstellen in supraleitenden Leitungen.
Die Entwicklung elektrooptischer Modulatoren der nächsten Generation steht vor mehreren großen Herausforderungen: Produktionskosten und -größe: Die Produktion von Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren ist derzeit auf 150-mm-Wafer beschränkt, was zu höheren Kosten führt. Die Industrie muss die Wafergröße erweitern und gleichzeitig die Gleichmäßigkeit und Qualität der Schicht beibehalten. Integration und Co-Design: Die erfolgreiche Entwicklung vonHochleistungsmodulatorenerfordert umfassende Co-Design-Fähigkeiten, die die Zusammenarbeit von Designern von Optoelektronik und elektronischen Chips, EDA-Lieferanten, Quellen und Verpackungsexperten beinhalten. Fertigungskomplexität: Während siliziumbasierte Optoelektronikprozesse weniger komplex sind als fortschrittliche CMOS-Elektronik, erfordert das Erreichen stabiler Leistung und Ausbeute erhebliches Fachwissen und eine Optimierung der Fertigungsprozesse.
Angetrieben durch den KI-Boom und geopolitische Faktoren erhält das Feld weltweit zunehmende Investitionen von Regierungen, der Industrie und dem privaten Sektor. Dies schafft neue Möglichkeiten für die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie und verspricht eine Beschleunigung der Innovation.
Veröffentlichungszeit: 30. Dezember 2024