O futuro demoduladores eletro-ópticos
Os moduladores eletro-ópticos desempenham um papel central nos sistemas optoeletrônicos modernos, sendo importantes em diversas áreas, desde a comunicação até a computação quântica, ao regular as propriedades da luz. Este artigo discute o estado atual, os avanços mais recentes e o desenvolvimento futuro da tecnologia de moduladores eletro-ópticos.
Figura 1: Comparação de desempenho de diferentesmodulador ópticotecnologias, incluindo niobato de lítio de filme fino (TFLN), moduladores de absorção elétrica III-V (EAM), moduladores à base de silício e de polímero em termos de perda de inserção, largura de banda, consumo de energia, tamanho e capacidade de fabricação.
Moduladores eletro-ópticos tradicionais baseados em silício e suas limitações
Os moduladores fotoelétricos de silício têm sido a base dos sistemas de comunicação óptica por muitos anos. Baseados no efeito de dispersão de plasma, esses dispositivos apresentaram avanços notáveis nos últimos 25 anos, aumentando as taxas de transferência de dados em três ordens de magnitude. Os moduladores modernos de silício podem atingir modulação de amplitude de pulso de 4 níveis (PAM4) de até 224 Gb/s e até mais de 300 Gb/s com modulação PAM8.
No entanto, os moduladores baseados em silício enfrentam limitações fundamentais decorrentes das propriedades do material. Quando os transceptores ópticos exigem taxas de transmissão superiores a 200 Gbaud, a largura de banda desses dispositivos dificilmente atende à demanda. Essa limitação decorre das propriedades inerentes do silício – o equilíbrio entre evitar perdas excessivas de luz e manter condutividade suficiente cria compromissos inevitáveis.
Tecnologias e materiais moduladores emergentes
As limitações dos moduladores tradicionais à base de silício impulsionaram a pesquisa em materiais alternativos e tecnologias de integração. O niobato de lítio em filme fino tornou-se uma das plataformas mais promissoras para uma nova geração de moduladores.Moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio de película finaHerda as excelentes características do niobato de lítio em massa, incluindo: ampla janela de transparência, grande coeficiente eletro-óptico (r33 = 31 pm/V), célula linear, efeito Kerrs e capacidade de operar em múltiplas faixas de comprimento de onda.
Os recentes avanços na tecnologia de filme fino de niobato de lítio produziram resultados notáveis, incluindo um modulador operando a 260 Gbaud com taxas de dados de 1,96 Tb/s por canal. A plataforma possui vantagens exclusivas, como tensão de acionamento compatível com CMOS e largura de banda de 3 dB de 100 GHz.
Aplicação de tecnologias emergentes
O desenvolvimento de moduladores eletro-ópticos está intimamente relacionado com aplicações emergentes em diversas áreas. No campo da inteligência artificial e dos centros de dados,moduladores de alta velocidadeSão importantes para a próxima geração de interconexões, e as aplicações de computação de IA estão impulsionando a demanda por transceptores plugáveis de 800G e 1,6T. A tecnologia de moduladores também é aplicada em: processamento de informação quântica, computação neuromórfica, onda contínua modulada em frequência (FMCW), lidar e tecnologia de fótons de micro-ondas.
Em particular, os moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio em película fina demonstram grande potencial em processadores ópticos computacionais, proporcionando modulação rápida e de baixo consumo de energia que acelera aplicações de aprendizado de máquina e inteligência artificial. Esses moduladores também podem operar em baixas temperaturas e são adequados para interfaces quântico-clássicas em linhas supercondutoras.
O desenvolvimento de moduladores eletro-ópticos de próxima geração enfrenta vários desafios importantes: Custo e escala de produção: os moduladores de niobato de lítio de filme fino estão atualmente limitados à produção em wafers de 150 mm, resultando em custos mais elevados. A indústria precisa expandir o tamanho dos wafers, mantendo a uniformidade e a qualidade do filme. Integração e codesign: o desenvolvimento bem-sucedido demoduladores de alto desempenhoRequer capacidades abrangentes de codesign, envolvendo a colaboração de projetistas de optoeletrônica e chips eletrônicos, fornecedores de EDA, fontes de alimentação e especialistas em embalagens. Complexidade de fabricação: Embora os processos de optoeletrônica baseados em silício sejam menos complexos do que a eletrônica CMOS avançada, alcançar desempenho e rendimento estáveis requer conhecimento especializado significativo e otimização do processo de fabricação.
Impulsionada pelo boom da IA e por fatores geopolíticos, a área está recebendo investimentos crescentes de governos, indústria e setor privado em todo o mundo, criando novas oportunidades de colaboração entre a academia e a indústria e prometendo acelerar a inovação.
Data de publicação: 30 de dezembro de 2024