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 articolo discute lo stato attuale, le ultime innovazioni e gli sviluppi futuri della tecnologia dei modulatori elettro-ottici.
Figura 1: Confronto delle prestazioni di diversimodulatore otticotecnologie, tra cui il niobato di litio a film sottile (TFLN), i modulatori di assorbimento elettrico III-V (EAM), i modulatori a base di silicio e polimeri in termini di perdita di inserzione, larghezza di banda, consumo energetico, dimensioni e capacità produttiva.
Modulatori elettro-ottici tradizionali a base di silicio e loro limiti
I modulatori di luce fotoelettrici al silicio sono da molti anni alla base dei sistemi di comunicazione ottica. Basati sull'effetto di dispersione del plasma, questi dispositivi hanno compiuto notevoli progressi negli ultimi 25 anni, aumentando la velocità di trasferimento dati di tre ordini di grandezza. I moderni modulatori al silicio possono raggiungere una modulazione di ampiezza di impulso a 4 livelli (PAM4) fino a 224 Gb/s, e persino oltre 300 Gb/s con la modulazione PAM8.
Tuttavia, i modulatori al silicio presentano limitazioni fondamentali derivanti dalle proprietà del materiale. Quando i transceiver ottici richiedono velocità di trasmissione superiori a 200+ Gbaud, la larghezza di banda di questi dispositivi risulta difficile da soddisfare. Questa limitazione deriva dalle proprietà intrinseche del silicio: il compromesso tra evitare un'eccessiva perdita di luce e mantenere una conduttività sufficiente crea inevitabili compromessi.
Tecnologia e materiali emergenti dei modulatori
I limiti dei modulatori tradizionali al silicio hanno spinto la ricerca verso 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 in niobato di litio a film sottileeredita le eccellenti caratteristiche del niobato di litio in massa, tra cui: ampia finestra trasparente, elevato coefficiente elettro-ottico (r33 = 31 pm/V), cella lineare, l'effetto Kerrs può operare in più intervalli di lunghezza d'onda
I recenti progressi nella tecnologia del niobato di litio a film sottile hanno prodotto risultati notevoli, tra cui un modulatore che opera a 260 Gbaud con velocità di trasmissione dati di 1,96 Tb/s per canale. La piattaforma offre vantaggi unici come la tensione di pilotaggio compatibile con CMOS e una larghezza di banda di 3 dB pari a 100 GHz.
Applicazione di tecnologie emergenti
Lo sviluppo di 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 AI stanno trainando la domanda di transceiver collegabili a 800G e 1,6T. La tecnologia dei modulatori viene applicata anche a: elaborazione di informazioni quantistiche, calcolo neuromorfico, tecnologia lidar a microonde a onda continua modulata in frequenza (FMCW).
In particolare, i modulatori elettro-ottici in niobato di litio a film sottile si dimostrano validi nei motori di elaborazione computazionale ottica, offrendo una modulazione rapida e a bassa potenza che accelera le applicazioni di apprendimento automatico e intelligenza artificiale. Questi modulatori possono anche operare a basse temperature e sono adatti per interfacce quantistiche-classiche in linee superconduttrici.
Lo sviluppo di modulatori elettro-ottici di nuova generazione si trova ad 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 del film. Integrazione e progettazione congiunta: 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, esperti di fonderie e packaging. Complessità produttiva: sebbene i processi optoelettronici basati su silicio siano meno complessi rispetto all'elettronica CMOS avanzata, il raggiungimento di prestazioni e resa stabili richiede competenze significative e l'ottimizzazione dei processi produttivi.
Grazie al boom dell'intelligenza artificiale e a fattori geopolitici, il settore sta ricevendo crescenti investimenti da parte di governi, industria e settore privato in tutto il mondo, creando nuove opportunità di collaborazione tra mondo accademico e industria e promettendo di accelerare l'innovazione.
Data di pubblicazione: 30-12-2024