עתידם של מודולטורים אלקטרו-אופטיים

עתידו שלמודולטורים אלקטרו-אופטיים

מודולטורים אלקטרו-אופטיים ממלאים תפקיד מרכזי במערכות אופטו-אלקטרוניות מודרניות, וממלאים תפקיד חשוב בתחומים רבים, החל מתקשורת ועד חישוב קוונטי, על ידי ויסות תכונות האור. מאמר זה דן במצב הנוכחי, בפריצת הדרך האחרונה ובפיתוח העתידי של טכנולוגיית מודולטורים אלקטרו-אופטיים.

איור 1: השוואת ביצועים של דגמים שוניםמודולטור אופטיטכנולוגיות, כולל ליתיום ניובט שכבה דקה (TFLN), מודולטורים לבליעה חשמלית III-V (EAM), מודולטורים מבוססי סיליקון ופולימרים מבחינת אובדן הכנסה, רוחב פס, צריכת חשמל, גודל וקיבולת ייצור.

מודולטורים אלקטרו-אופטיים מסורתיים מבוססי סיליקון ומגבלותיהם

מודולטורים פוטואלקטריים מבוססי סיליקון היו הבסיס למערכות תקשורת אופטיות במשך שנים רבות. בהתבסס על אפקט פיזור הפלזמה, התקנים כאלה עשו התקדמות ניכרת ב-25 השנים האחרונות, והגדילו את קצב העברת הנתונים בשלושה סדרי גודל. מודולטורים מודרניים מבוססי סיליקון יכולים להשיג אפנון אמפליטודת דופק בארבע רמות (PAM4) של עד 224 ג'יגה-ביט לשנייה, ואף יותר מ-300 ג'יגה-ביט לשנייה עם אפנון PAM8.

עם זאת, מודולטורים מבוססי סיליקון מתמודדים עם מגבלות מהותיות הנובעות מתכונות החומר. כאשר משדרים אופטיים דורשים קצב באוד של יותר מ-200+ ג'יגה-באוד, רוחב הפס של התקנים אלה קשה לעמוד בדרישה. מגבלה זו נובעת מהתכונות הטבועות בסיליקון - האיזון בין הימנעות מאובדן אור מוגזם תוך שמירה על מוליכות מספקת יוצר פשרות בלתי נמנעות.

טכנולוגיית מודולטור וחומרים מתפתחים

המגבלות של מודולטורים מסורתיים מבוססי סיליקון הניעו מחקר על חומרים חלופיים וטכנולוגיות אינטגרציה. ליתיום ניובט דק הפך לאחת הפלטפורמות המבטיחות ביותר עבור דור חדש של מודולטורים.מודולטורים אלקטרו-אופטיים בעלי שכבה דקה של ליתיום ניובטיורש את המאפיינים המצוינים של ליתיום ניובט בתפזורת, כולל: חלון שקוף רחב, מקדם אלקטרו-אופטי גדול (r33 = 31 pm/V) תא ליניארי אפקט קרס יכול לפעול בטווחי אורכי גל מרובים.

התקדמות אחרונה בטכנולוגיית ליתיום ניובט בשכבה דקה הניבה תוצאות יוצאות דופן, כולל מודולטור הפועל במהירות של 260 ג'יגה-בייט עם קצבי נתונים של 1.96 טרה-ביט לשנייה לערוץ. לפלטפורמה יתרונות ייחודיים כגון מתח כונן תואם CMOS ורוחב פס של 3dB של 100 גיגה-הרץ.

יישום טכנולוגי מתפתח

פיתוח מודולטורים אלקטרו-אופטיים קשור קשר הדוק ליישומים מתפתחים בתחומים רבים. בתחום הבינה המלאכותית ומרכזי נתונים,מודולטורים במהירות גבוההחשובים לדור הבא של חיבורים, ויישומי מחשוב בינה מלאכותית מניעים את הביקוש למשדרי-מקלט ניתנים לחיבור של 800G ו-1.6T. טכנולוגיית מודולטור מיושמת גם ב: עיבוד מידע קוונטי, מחשוב נוירומורפי, גל רציף מווסת תדר (FMCW), לידאר, טכנולוגיית פוטונים במיקרוגל.

בפרט, מודולטורים אלקטרו-אופטיים בעלי שכבה דקה של ליתיום ניובט מראים חוזק במנועי עיבוד חישובי אופטי, ומספקים אפנון מהיר בהספק נמוך המאיץ יישומי למידת מכונה ובינה מלאכותית. מודולטורים כאלה יכולים לפעול גם בטמפרטורות נמוכות ומתאימים לממשקים קוונטיים-קלאסיים בקווים מוליכי-על.

פיתוח מודולטורים אלקטרו-אופטיים מהדור הבא עומד בפני מספר אתגרים עיקריים: עלות ייצור וקנה מידה: מודולטורים של ליתיום ניובט בשכבה דקה מוגבלים כיום לייצור פרוסות דק של 150 מ"מ, מה שמביא לעלויות גבוהות יותר. התעשייה צריכה להרחיב את גודל הפרוסות תוך שמירה על אחידות ואיכות הסרט. אינטגרציה ועיצוב משותף: פיתוח מוצלח שלמודולטורים בעלי ביצועים גבוהיםדורש יכולות תכנון משותף מקיפות, הכוללות שיתוף פעולה של מעצבי אופטואלקטרוניקה ושבבים אלקטרוניים, ספקי EDA, מקורות ומומחי אריזה. מורכבות ייצור: בעוד שתהליכי אופטואלקטרוניקה מבוססי סיליקון פחות מורכבים מאלקטרוניקה מתקדמת של CMOS, השגת ביצועים ותפוקה יציבים דורשת מומחיות משמעותית ואופטימיזציה של תהליכי ייצור.

בהשראת פריחת הבינה המלאכותית וגורמים גיאופוליטיים, התחום זוכה להשקעות גוברות מצד ממשלות, תעשייה והמגזר הפרטי ברחבי העולם, מה שיוצר הזדמנויות חדשות לשיתוף פעולה בין האקדמיה לתעשייה ומבטיח להאיץ את החדשנות.