Il futuro dei modulatori elettro-ottici

Il futuro dimodulatori elettro-ottici

I modulatori elettro-ottici svolgono un ruolo centrale nei moderni sistemi optoelettronici, svolgendo un ruolo importante in molti campi, dalla comunicazione all'informatica quantistica, regolando le proprietà della luce. Questo documento discute lo stato attuale, le ultime scoperte e lo sviluppo futuro della tecnologia del modulatore elettroottico

Figura 1: Confronto delle prestazioni di diversimodulatore otticotecnologie, tra cui niobato di litio a film sottile (TFLN), modulatori di assorbimento elettrico (EAM) III-V, modulatori polimerici e a base di silicio in termini di perdita di inserzione, larghezza di banda, consumo energetico, dimensioni e capacità di produzione.

Modulatori elettro-ottici tradizionali a base di silicio e loro limiti

I modulatori di luce fotoelettrici a base di silicio costituiscono da molti anni la base dei sistemi di comunicazione ottica. Basandosi sull’effetto di dispersione del plasma, tali dispositivi hanno compiuto notevoli progressi negli ultimi 25 anni, aumentando la velocità di trasferimento dei dati di tre ordini di grandezza. I moderni modulatori basati sul silicio possono raggiungere una modulazione di ampiezza dell'impulso a 4 livelli (PAM4) fino a 224 Gb/s e anche più di 300 Gb/s con la modulazione PAM8.

Tuttavia, i modulatori a base di silicio devono affrontare limitazioni fondamentali derivanti dalle proprietà dei materiali. Quando i ricetrasmettitori ottici richiedono velocità di trasmissione superiori a 200+ Gbaud, la larghezza di banda di questi dispositivi è difficile da soddisfare la domanda. Questa limitazione deriva dalle proprietà intrinseche del silicio: l’equilibrio tra evitare un’eccessiva perdita di luce mantenendo una conduttività sufficiente crea inevitabili compromessi.

Tecnologia e materiali emergenti del modulatore

I limiti dei tradizionali modulatori a base di silicio hanno spinto la ricerca su materiali alternativi e tecnologie di integrazione. Il niobato di litio a film sottile è diventato una delle piattaforme più promettenti per una nuova generazione di modulatori.Modulatori elettro-ottici a film sottile al niobato di litioereditano le eccellenti caratteristiche del niobato di litio sfuso, tra cui: ampia finestra trasparente, ampio coefficiente elettro-ottico (r33 = 31 pm/V) cella lineare L'effetto Kerrs può operare in più intervalli di lunghezze d'onda

I recenti progressi nella tecnologia del niobato di litio a film sottile hanno prodotto risultati notevoli, tra cui un modulatore che funziona a 260 Gbaud con velocità dati di 1,96 Tb/s per canale. La piattaforma presenta vantaggi unici come la tensione di comando compatibile con CMOS e la larghezza di banda di 3 dB di 100 GHz.

Applicazione tecnologica emergente

Lo sviluppo dei modulatori elettro-ottici è strettamente correlato alle applicazioni emergenti in molti campi. Nel campo dell’intelligenza artificiale e dei data center,modulatori ad alta velocitàsono importanti per la prossima generazione di interconnessioni e le applicazioni di calcolo dell’intelligenza artificiale stanno guidando la domanda di ricetrasmettitori collegabili 800G e 1.6T. La tecnologia del modulatore viene applicata anche a: elaborazione di informazioni quantistiche calcolo neuromorfico onda continua a modulazione di frequenza (FMCW) tecnologia lidar a microonde e fotoni

In particolare, i modulatori elettro-ottici di niobato di litio a film sottile mostrano forza nei motori di elaborazione computazionale ottica, fornendo una modulazione rapida a bassa potenza che accelera le applicazioni di apprendimento automatico e intelligenza artificiale. Tali modulatori possono funzionare anche a basse temperature e sono adatti per interfacce quanto-classiche in linee superconduttrici.

Lo sviluppo di modulatori elettro-ottici di prossima generazione deve affrontare diverse sfide importanti: Costi di produzione e scala: i modulatori al niobato di litio a film sottile sono attualmente limitati alla produzione di wafer da 150 mm, con conseguenti costi più elevati. L'industria deve espandere le dimensioni dei wafer mantenendo l'uniformità e la qualità della pellicola. Integrazione e Co-design: lo sviluppo di successo dimodulatori ad alte prestazionirichiede capacità di co-progettazione complete, che coinvolgono la collaborazione di progettisti di optoelettronica e chip elettronici, fornitori di EDA, fonti ed esperti di packaging. Complessità di produzione: sebbene i processi optoelettronici basati sul silicio siano meno complessi dell'elettronica CMOS avanzata, il raggiungimento di prestazioni e rendimenti stabili richiede competenze significative e ottimizzazione del processo di produzione.

Spinto dal boom dell’intelligenza artificiale e da fattori geopolitici, il settore sta ricevendo maggiori investimenti da parte dei governi, dell’industria e del settore privato di tutto il mondo, creando nuove opportunità di collaborazione tra il mondo accademico e l’industria e promettendo di accelerare l’innovazione.