آینده مدولاتورهای الکترواپتیکال

آینده ازمدولاتورهای الکترواپتیکال

مدولاتورهای الکترواپتیکی نقش اصلی را 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 وضعیت فعلی، آخرین پیشرفت و توسعه آینده فناوری مدولاتور الکترواپتیک را مورد بحث قرار می دهد

شکل 1: مقایسه عملکرد مختلفمدولاتور نوریفن‌آوری‌هایی، از جمله لایه نازک لیتیوم نیوبات (TFLN)، تعدیل‌کننده‌های جذب الکتریکی III-V (EAM)، تعدیل‌کننده‌های مبتنی بر سیلیکون و پلیمر از نظر از دست دادن درج، پهنای باند، مصرف انرژی، اندازه و ظرفیت تولید.

مدولاتورهای الکترواپتیک سنتی مبتنی بر سیلیکون و محدودیت های آنها

تعدیل کننده های نور فوتوالکتریک مبتنی بر سیلیکون سال ها اساس سیستم های ارتباطی نوری بوده اند. بر اساس اثر پراکندگی پلاسما، چنین دستگاه هایی در 25 سال گذشته پیشرفت قابل توجهی داشته اند و نرخ انتقال داده را تا سه مرتبه افزایش داده اند. مدولاتورهای مبتنی بر سیلیکون مدرن می توانند مدولاسیون دامنه پالس 4 سطحی (PAM4) تا 224 گیگابیت بر ثانیه و حتی بیش از 300 گیگابیت بر ثانیه را با مدولاسیون PAM8 بدست آورند.

با این حال، تعدیل کننده های مبتنی بر سیلیکون با محدودیت های اساسی ناشی از خواص مواد مواجه هستند. هنگامی که فرستنده‌های نوری به نرخ‌های بادی بیش از 200+ Gbaud نیاز دارند، پهنای باند این دستگاه‌ها برای پاسخگویی به تقاضا دشوار است. این محدودیت از خواص ذاتی سیلیکون سرچشمه می گیرد - تعادل جلوگیری از اتلاف نور بیش از حد در حالی که رسانایی کافی حفظ می شود، معاوضه های اجتناب ناپذیری را ایجاد می کند.

تکنولوژی و مواد مدولاتور در حال ظهور

محدودیت‌های تعدیل‌کننده‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون، تحقیقات را به سمت مواد جایگزین و فناوری‌های یکپارچه سوق داده است. لایه نازک لیتیوم نیوبات به یکی از امیدوارکننده‌ترین پلتفرم‌ها برای نسل جدیدی از تعدیل‌کننده‌ها تبدیل شده است.مدولاتورهای الکترواپتیک لیتیوم نیوبات لایه نازکویژگی‌های عالی نیوبات لیتیوم فله را به ارث می‌برند، از جمله: پنجره شفاف گسترده، ضریب الکترواپتیک بزرگ (r33 = 31 pm/V) اثر سلول خطی Kerrs می‌تواند در محدوده‌های طول موج چندگانه عمل کند.

پیشرفت های اخیر در فناوری لایه نازک لیتیوم نیوبات نتایج قابل توجهی را به همراه داشته است، از جمله تعدیل کننده ای که در 260 گیگاباد با سرعت داده 1.96 ترابایت بر ثانیه در هر کانال کار می کند. این پلتفرم دارای مزایای منحصر به فردی مانند ولتاژ درایو سازگار با CMOS و پهنای باند 3 دسی بل 100 گیگاهرتز است.

کاربرد فناوری نوظهور

توسعه مدولاتورهای الکترواپتیک ارتباط نزدیکی با کاربردهای نوظهور در بسیاری از زمینه ها دارد. در زمینه هوش مصنوعی و مراکز داده،تعدیل کننده های سرعت بالابرای نسل بعدی اتصالات مهم هستند و برنامه های محاسباتی هوش مصنوعی تقاضا برای فرستنده گیرنده های قابل اتصال 800G و 1.6T را افزایش می دهند. فناوری مدولاتور همچنین در موارد زیر استفاده می شود: پردازش اطلاعات کوانتومی محاسبات نورومورفیک موج پیوسته مدوله شده فرکانس (FMCW) فناوری فوتون مایکروویو لیدار

به طور خاص، مدولاتورهای الکترواپتیک لیتیوم نیوبات لایه نازک در موتورهای پردازش محاسباتی نوری قدرت نشان می‌دهند و مدولاسیون سریع کم مصرف را ارائه می‌دهند که یادگیری ماشین و کاربردهای هوش مصنوعی را تسریع می‌کند. چنین مدولاتورهایی همچنین می توانند در دماهای پایین کار کنند و برای رابط های کوانتومی کلاسیک در خطوط ابررسانا مناسب هستند.

توسعه نسل بعدی مدولاتورهای الکترواپتیکی با چندین چالش عمده روبرو است: هزینه و مقیاس تولید: مدولاتورهای لیتیوم نیوبات لایه نازک در حال حاضر به تولید ویفر 150 میلی متری محدود می شوند و در نتیجه هزینه های بالاتری را به همراه دارند. صنعت باید اندازه ویفر را افزایش دهد و در عین حال یکنواختی و کیفیت فیلم را حفظ کند. یکپارچه سازی و طراحی مشترک: توسعه موفقیت آمیزتعدیل کننده های با کارایی بالابه قابلیت‌های طراحی مشترک جامع نیاز دارد که شامل همکاری طراحان تراشه‌های الکترونیکی و الکترونیک نوری، تامین‌کنندگان EDA، فونت‌ها و کارشناسان بسته‌بندی می‌شود. پیچیدگی ساخت: در حالی که فرآیندهای الکترونیک نوری مبتنی بر سیلیکون پیچیدگی کمتری نسبت به الکترونیک پیشرفته CMOS دارند، دستیابی به عملکرد و بازدهی پایدار نیازمند تخصص قابل توجه و بهینه‌سازی فرآیند تولید است.

با رونق هوش مصنوعی و عوامل ژئوپلیتیکی، این رشته سرمایه گذاری فزاینده ای از دولت ها، صنعت و بخش خصوصی در سراسر جهان دریافت می کند و فرصت های جدیدی را برای همکاری بین دانشگاه و صنعت ایجاد می کند و نوید را برای تسریع نوآوری می دهد.