آینده مدولاتورهای الکترواپتیکی

آینده‌یمدولاتورهای الکترواپتیکی

مدولاتورهای الکترواپتیکی نقش محوری در سیستم‌های اپتوالکترونیکی مدرن ایفا می‌کنند و با تنظیم خواص نور، نقش مهمی در بسیاری از زمینه‌ها از ارتباطات گرفته تا محاسبات کوانتومی ایفا می‌کنند. این مقاله به بررسی وضعیت فعلی، آخرین پیشرفت‌ها و توسعه آینده فناوری مدولاتور الکترواپتیکی می‌پردازد.

شکل ۱: مقایسه عملکرد انواع مختلفمدولاتور نوریفناوری‌ها، از جمله لایه نازک لیتیوم نیوبات (TFLN)، مدولاتورهای جذب الکتریکی III-V (EAM)، مدولاتورهای مبتنی بر سیلیکون و پلیمری از نظر تلفات ورودی، پهنای باند، مصرف برق، اندازه و ظرفیت تولید.

مدولاتورهای الکترواپتیکی سنتی مبتنی بر سیلیکون و محدودیت‌های آنها

مدولاتورهای نور فوتوالکتریک مبتنی بر سیلیکون سال‌هاست که اساس سیستم‌های ارتباطی نوری بوده‌اند. بر اساس اثر پراکندگی پلاسما، چنین دستگاه‌هایی در طول 25 سال گذشته پیشرفت چشمگیری داشته‌اند و نرخ انتقال داده را سه برابر افزایش داده‌اند. مدولاتورهای مدرن مبتنی بر سیلیکون می‌توانند به مدولاسیون دامنه پالس 4 سطحی (PAM4) تا 224 گیگابیت بر ثانیه و حتی بیش از 300 گیگابیت بر ثانیه با مدولاسیون PAM8 دست یابند.

با این حال، مدولاتورهای مبتنی بر سیلیکون با محدودیت‌های اساسی ناشی از خواص مواد مواجه هستند. هنگامی که فرستنده-گیرنده‌های نوری به نرخ انتقال داده بیش از 200+ گیگابیت بر ثانیه نیاز دارند، پهنای باند این دستگاه‌ها برای برآورده کردن تقاضا دشوار است. این محدودیت از خواص ذاتی سیلیکون ناشی می‌شود - تعادل بین جلوگیری از اتلاف بیش از حد نور و حفظ رسانایی کافی، بده‌بستان‌های اجتناب‌ناپذیری را ایجاد می‌کند.

فناوری و مواد مدولاتور نوظهور

محدودیت‌های مدولاتورهای سنتی مبتنی بر سیلیکون، تحقیقات را به سمت مواد جایگزین و فناوری‌های یکپارچه‌سازی سوق داده است. نیوبات لیتیوم لایه نازک به یکی از امیدوارکننده‌ترین پلتفرم‌ها برای نسل جدیدی از مدولاتورها تبدیل شده است.مدولاتورهای الکترواپتیکی لایه نازک لیتیوم نیوباتویژگی‌های عالی لیتیوم نیوبات فله‌ای را به ارث می‌برند، از جمله: پنجره شفاف عریض، ضریب الکترواپتیکی بزرگ (r33 = 31 pm/V)، سلول خطی، اثر کرز می‌تواند در چندین محدوده طول موج عمل کند.

پیشرفت‌های اخیر در فناوری لایه نازک لیتیوم نیوبات نتایج قابل توجهی به همراه داشته است، از جمله یک مدولاتور که با سرعت 260 گیگابیت بر ثانیه و نرخ داده 1.96 ترابیت بر ثانیه در هر کانال کار می‌کند. این پلتفرم مزایای منحصر به فردی مانند ولتاژ درایو سازگار با CMOS و پهنای باند 3 دسی‌بل 100 گیگاهرتز دارد.

کاربرد فناوری نوظهور

توسعه مدولاتورهای الکترواپتیکی ارتباط نزدیکی با کاربردهای نوظهور در بسیاری از زمینه‌ها دارد. در زمینه هوش مصنوعی و مراکز داده،مدولاتورهای پرسرعتبرای نسل بعدی اتصالات داخلی مهم هستند و کاربردهای محاسبات هوش مصنوعی، تقاضا برای فرستنده/گیرنده‌های قابل اتصال ۸۰۰G و ۱.۶T را افزایش می‌دهند. فناوری مدولاتور همچنین در موارد زیر کاربرد دارد: پردازش اطلاعات کوانتومی، محاسبات نورومورفیک، موج پیوسته مدوله شده با فرکانس (FMCW)، لیدار، فناوری فوتون مایکروویو

به طور خاص، مدولاتورهای الکترواپتیکی لایه نازک لیتیوم نیوبات، قدرت خود را در موتورهای پردازش محاسباتی نوری نشان می‌دهند و مدولاسیون سریع و کم‌مصرفی را فراهم می‌کنند که یادگیری ماشین و کاربردهای هوش مصنوعی را تسریع می‌کند. چنین مدولاتورهایی همچنین می‌توانند در دماهای پایین کار کنند و برای رابط‌های کوانتومی-کلاسیک در خطوط ابررسانا مناسب هستند.

توسعه مدولاتورهای الکترواپتیکی نسل بعدی با چندین چالش عمده روبرو است: هزینه تولید و مقیاس: مدولاتورهای نیوبات لیتیوم لایه نازک در حال حاضر به تولید ویفر ۱۵۰ میلی‌متری محدود شده‌اند که منجر به هزینه‌های بالاتر می‌شود. این صنعت باید ضمن حفظ یکنواختی و کیفیت فیلم، اندازه ویفر را افزایش دهد. ادغام و طراحی مشترک: توسعه موفقیت‌آمیزمدولاتورهای با کارایی بالانیازمند قابلیت‌های جامع طراحی مشترک است که شامل همکاری طراحان تراشه‌های اپتوالکترونیک و الکترونیکی، تأمین‌کنندگان EDA، تولیدکنندگان و متخصصان بسته‌بندی می‌شود. پیچیدگی تولید: در حالی که فرآیندهای اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون از الکترونیک پیشرفته CMOS پیچیدگی کمتری دارند، دستیابی به عملکرد و بازده پایدار نیازمند تخصص قابل توجه و بهینه‌سازی فرآیند تولید است.

با رونق هوش مصنوعی و عوامل ژئوپلیتیکی، این حوزه سرمایه‌گذاری فزاینده‌ای را از سوی دولت‌ها، صنایع و بخش خصوصی در سراسر جهان دریافت می‌کند که فرصت‌های جدیدی را برای همکاری بین دانشگاه و صنعت ایجاد کرده و نویدبخش تسریع نوآوری است.