O futuro demoduladores eletro-ópticos
Os moduladores eletro-ópticos desempenham um papel central nos sistemas optoeletrônicos modernos, desempenhando um papel importante em diversos campos, da comunicação à computação quântica, regulando as propriedades da luz. Este artigo discute o status 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 película fina (TFLN), moduladores de absorção elétrica III-V (EAM), moduladores baseados em silício e polímeros 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
Moduladores fotoelétricos de luz à base de silício têm sido a base dos sistemas de comunicação óptica há muitos anos. Com base no efeito de dispersão de plasma, esses dispositivos fizeram progressos notáveis nos últimos 25 anos, aumentando as taxas de transferência de dados em três ordens de magnitude. Os moduladores modernos à base 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, moduladores baseados em silício enfrentam limitações fundamentais decorrentes das propriedades do material. Quando 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 compensações inevitáveis.
Tecnologia e materiais de moduladores emergentes
As limitações dos moduladores tradicionais à base de silício impulsionaram a pesquisa de materiais alternativos e tecnologias de integração. O niobato de lítio em película fina tornou-se uma das plataformas mais promissoras para uma nova geração de moduladores.Moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio de película finaherdar as excelentes características do niobato de lítio a granel, incluindo: ampla janela transparente, grande coeficiente eletro-óptico (r33 = 31 pm/V) célula linear efeito Kerrs pode operar em várias faixas de comprimento de onda
Avanços recentes na tecnologia de niobato de lítio em película fina 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 a 100 GHz.
Aplicação de tecnologia emergente
O desenvolvimento de moduladores eletro-ópticos está intimamente relacionado a aplicações emergentes em diversos campos. No campo da inteligência artificial e de data centers,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 modulação também é aplicada a: processamento de informação quântica, computação neuromórfica, onda contínua modulada em frequência (FMCW), lidar, tecnologia de fótons de micro-ondas.
Em particular, moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio em película fina demonstram sua eficácia em mecanismos de processamento computacional óptico, proporcionando modulação rápida e de baixa potência que acelera aplicações de aprendizado de máquina e inteligência artificial. Esses moduladores também podem operar em baixas temperaturas e são adequados para interfaces quânticas clássicas em linhas supercondutoras.
O desenvolvimento de moduladores eletro-ópticos de próxima geração enfrenta vários desafios importantes: Custo de produção e escala: os moduladores de niobato de lítio de filme fino estão atualmente limitados à produção de 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 Co-design: O desenvolvimento bem-sucedido demoduladores de alto desempenhorequer capacidades abrangentes de co-design, envolvendo a colaboração de projetistas de optoeletrônica e chips eletrônicos, fornecedores de EDA, fontes e especialistas em encapsulamento. Complexidade de fabricação: Embora os processos de optoeletrônica baseados em silício sejam menos complexos do que os da eletrônica CMOS avançada, alcançar desempenho e rendimento estáveis requer expertise significativa e otimização do processo de fabricação.
Impulsionado pelo boom da IA e por fatores geopolíticos, o campo está recebendo cada vez mais investimentos de governos, indústria e setor privado ao redor do mundo, criando novas oportunidades de colaboração entre a academia e a indústria e prometendo acelerar a inovação.
Horário de publicação: 30 de dezembro de 2024