O futuro dos moduladores eletro-ópticos

O futuro demoduladores eletro-ópticos

Os moduladores eletro-ópticos desempenham um papel central nos sistemas optoeletrônicos modernos, desempenhando um papel importante em muitos campos, desde a comunicação até a 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 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 de luz fotoelétrica à base de silício têm sido a base dos sistemas de comunicação óptica há muitos anos. Com base no efeito de dispersão de plasma, tais dispositivos fizeram progressos notáveis ​​nos últimos 25 anos, aumentando as taxas de transferência de dados em três ordens de grandeza. Moduladores modernos baseados em 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 é difícil de atender à demanda. Esta limitação decorre das propriedades inerentes do silício – o equilíbrio entre evitar a perda excessiva de luz e manter uma condutividade suficiente cria compensações inevitáveis.

Tecnologia e materiais moduladores emergentes

As limitações dos moduladores tradicionais baseados em silício impulsionaram a pesquisa de materiais alternativos e tecnologias de integração. O niobato de lítio de película fina tornou-se uma das plataformas mais promissoras para uma nova geração de moduladores.Moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio de filme finoherdam as excelentes características do niobato de lítio em massa, incluindo: ampla janela transparente, grande coeficiente eletro-óptico (r33 = 31 pm/V) célula linear O efeito Kerrs pode operar em múltiplas faixas de comprimento de onda

Avanços recentes na tecnologia de niobato de lítio de 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 tem vantagens exclusivas, como tensão de unidade compatível com CMOS e largura de banda de 3 dB de 100 GHz.

Aplicação de tecnologia emergente

O desenvolvimento de moduladores eletro-ópticos está intimamente relacionado com aplicações emergentes em muitos campos. No campo da inteligência artificial e 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 conectáveis ​​de 800G e 1,6T. A tecnologia moduladora também é aplicada a: processamento de informações quânticas computação neuromórfica Onda contínua modulada em frequência (FMCW) tecnologia de fótons de micro-ondas lidar

Em particular, moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio de filme fino mostram força em motores de processamento computacional óptico, fornecendo modulação rápida de baixa potência que acelera aplicativos 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 e escala de produção: os moduladores de niobato de lítio de película fina estão atualmente limitados à produção de wafer de 150 mm, resultando em custos mais elevados. A indústria precisa expandir o tamanho do wafer enquanto mantém a uniformidade e a qualidade do filme. Integração e Co-design: O desenvolvimento bem-sucedido demoduladores de alto desempenhorequer recursos abrangentes de co-design, envolvendo a colaboração de designers de optoeletrônica e de chips eletrônicos, fornecedores de EDA, fontes e especialistas em embalagens. Complexidade de fabricação: Embora os processos optoeletrônicos baseados em silício sejam menos complexos do que os eletrônicos CMOS avançados, alcançar desempenho e rendimento estáveis ​​requer experiência significativa e otimização do processo de fabricação.

Impulsionado pelo boom da IA ​​e por factores geopolíticos, o campo está a receber um investimento crescente por parte dos governos, da indústria e do sector privado em todo o mundo, criando novas oportunidades de colaboração entre o meio académico e a indústria e prometendo acelerar a inovação.