Το μέλλον τουηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές
Οι ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στα σύγχρονα οπτοηλεκτρονικά συστήματα, παίζοντας σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς, από την επικοινωνία έως την κβαντική υπολογιστική, ρυθμίζοντας τις ιδιότητες του φωτός. Η παρούσα εργασία εξετάζει την τρέχουσα κατάσταση, τις τελευταίες εξελίξεις και τις μελλοντικές εξελίξεις στην τεχνολογία ηλεκτροοπτικών διαμορφωτών.
Σχήμα 1: Σύγκριση απόδοσης διαφορετικώνοπτικός διαμορφωτήςτεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένου του λεπτού υμενίου νιοβικού λιθίου (TFLN), των διαμορφωτών ηλεκτρικής απορρόφησης III-V (EAM), των διαμορφωτών με βάση το πυρίτιο και των πολυμερών, όσον αφορά την απώλεια εισαγωγής, το εύρος ζώνης, την κατανάλωση ενέργειας, το μέγεθος και την παραγωγική ικανότητα.
Παραδοσιακοί ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές με βάση το πυρίτιο και οι περιορισμοί τους
Οι φωτοηλεκτρικοί διαμορφωτές φωτός με βάση το πυρίτιο αποτελούν τη βάση των οπτικών συστημάτων επικοινωνίας εδώ και πολλά χρόνια. Με βάση το φαινόμενο διασποράς πλάσματος, τέτοιες συσκευές έχουν σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδο τα τελευταία 25 χρόνια, αυξάνοντας τους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων κατά τρεις τάξεις μεγέθους. Οι σύγχρονοι διαμορφωτές με βάση το πυρίτιο μπορούν να επιτύχουν διαμόρφωση πλάτους παλμού 4 επιπέδων (PAM4) έως και 224 Gb/s, και ακόμη και πάνω από 300 Gb/s με διαμόρφωση PAM8.
Ωστόσο, οι διαμορφωτές που βασίζονται στο πυρίτιο αντιμετωπίζουν θεμελιώδεις περιορισμούς που προκύπτουν από τις ιδιότητες των υλικών. Όταν οι οπτικοί πομποδέκτες απαιτούν ρυθμούς baud άνω των 200+ Gbaud, το εύρος ζώνης αυτών των συσκευών είναι δύσκολο να καλύψει τη ζήτηση. Αυτός ο περιορισμός πηγάζει από τις εγγενείς ιδιότητες του πυριτίου - η ισορροπία μεταξύ της αποφυγής υπερβολικής απώλειας φωτός και της διατήρησης επαρκούς αγωγιμότητας δημιουργεί αναπόφευκτους συμβιβασμούς.
Αναδυόμενη τεχνολογία και υλικά διαμορφωτών
Οι περιορισμοί των παραδοσιακών διαμορφωτών με βάση το πυρίτιο έχουν οδηγήσει την έρευνα σε εναλλακτικά υλικά και τεχνολογίες ολοκλήρωσης. Το νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης έχει γίνει μια από τις πιο πολλά υποσχόμενες πλατφόρμες για μια νέα γενιά διαμορφωτών.Ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίουκληρονομούν τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά του νιοβικού λιθίου σε μορφή χύδην, όπως: ευρύ διαφανές παράθυρο, μεγάλο ηλεκτροοπτικό συντελεστή (r33 = 31 pm/V), γραμμικό κύτταρο, το φαινόμενο Kerrs μπορεί να λειτουργήσει σε πολλαπλά εύρη μήκους κύματος.
Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου έχουν αποφέρει αξιοσημείωτα αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένου ενός διαμορφωτή που λειτουργεί στα 260 Gbaud με ρυθμούς δεδομένων 1,96 Tb/s ανά κανάλι. Η πλατφόρμα έχει μοναδικά πλεονεκτήματα όπως τάση οδήγησης συμβατή με CMOS και εύρος ζώνης 3 dB στα 100 GHz.
Εφαρμογή αναδυόμενης τεχνολογίας
Η ανάπτυξη ηλεκτροοπτικών διαμορφωτών συνδέεται στενά με αναδυόμενες εφαρμογές σε πολλούς τομείς. Στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης και των κέντρων δεδομένων,διαμορφωτές υψηλής ταχύτηταςείναι σημαντικά για την επόμενη γενιά διασυνδέσεων και οι εφαρμογές υπολογιστικής τεχνητής νοημοσύνης οδηγούν στη ζήτηση για πομποδέκτες 800G και 1.6T με δυνατότητα σύνδεσης. Η τεχνολογία διαμορφωτή εφαρμόζεται επίσης σε: κβαντική επεξεργασία πληροφοριών νευρομορφική υπολογιστική τεχνολογία φωτονίων μικροκυμάτων με διαμόρφωση συχνότητας (FMCW) lidar
Συγκεκριμένα, οι ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου παρουσιάζουν ισχύ σε μηχανές οπτικής υπολογιστικής επεξεργασίας, παρέχοντας γρήγορη διαμόρφωση χαμηλής ισχύος που επιταχύνει τις εφαρμογές μηχανικής μάθησης και τεχνητής νοημοσύνης. Τέτοιοι διαμορφωτές μπορούν επίσης να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες και είναι κατάλληλοι για κβαντοκλασικές διεπαφές σε υπεραγώγιμες γραμμές.
Η ανάπτυξη ηλεκτροοπτικών διαμορφωτών επόμενης γενιάς αντιμετωπίζει αρκετές σημαντικές προκλήσεις: Κόστος παραγωγής και κλίμακα: οι διαμορφωτές λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου περιορίζονται επί του παρόντος στην παραγωγή πλακιδίων 150 mm, με αποτέλεσμα υψηλότερο κόστος. Η βιομηχανία πρέπει να επεκτείνει το μέγεθος των πλακιδίων διατηρώντας παράλληλα την ομοιομορφία και την ποιότητα της μεμβράνης. Ενσωμάτωση και Συν-σχεδιασμός: Η επιτυχημένη ανάπτυξηδιαμορφωτές υψηλής απόδοσηςαπαιτεί ολοκληρωμένες δυνατότητες συνδυασμένου σχεδιασμού, που περιλαμβάνουν τη συνεργασία σχεδιαστών οπτοηλεκτρονικής και ηλεκτρονικών τσιπ, προμηθευτών EDA, πηγών και ειδικών συσκευασίας. Πολυπλοκότητα κατασκευής: Ενώ οι διαδικασίες οπτοηλεκτρονικής με βάση το πυρίτιο είναι λιγότερο πολύπλοκες από τα προηγμένα ηλεκτρονικά CMOS, η επίτευξη σταθερής απόδοσης και απόδοσης απαιτεί σημαντική εμπειρογνωμοσύνη και βελτιστοποίηση της διαδικασίας κατασκευής.
Λόγω της άνθησης της Τεχνητής Νοημοσύνης και γεωπολιτικών παραγόντων, ο τομέας λαμβάνει αυξημένες επενδύσεις από κυβερνήσεις, βιομηχανία και τον ιδιωτικό τομέα σε όλο τον κόσμο, δημιουργώντας νέες ευκαιρίες για συνεργασία μεταξύ ακαδημαϊκών κύκλων και βιομηχανίας και υπόσχοντας να επιταχύνει την καινοτομία.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Δεκεμβρίου 2024