อนาคตของตัวปรับแสงแบบไฟฟ้า

อนาคตของโมดูเลเตอร์แสงไฟฟ้า

อิเล็กโทรออปติกมอดูเลเตอร์มีบทบาทสำคัญในระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยมีบทบาทสำคัญในหลายสาขาตั้งแต่การสื่อสารไปจนถึงการคำนวณควอนตัมโดยการควบคุมคุณสมบัติของแสง บทความนี้จะกล่าวถึงสถานะปัจจุบัน ความก้าวหน้าล่าสุด และการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติก

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของที่แตกต่างกันโมดูเลเตอร์แสงเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง (TFLN), โมดูเลเตอร์การดูดซับไฟฟ้า III-V (EAM), โมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนและโพลีเมอร์ในแง่ของการสูญเสียการแทรก แบนด์วิธ การใช้พลังงาน ขนาด และกำลังการผลิต

อิเล็กโทรออปติกมอดูเลเตอร์แบบใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิมและข้อจำกัด

ตัวปรับแสงโฟโตอิเล็กทริคที่ใช้ซิลิคอนเป็นพื้นฐานของระบบการสื่อสารด้วยแสงมาหลายปีแล้ว จากผลการกระจายตัวของพลาสมา อุปกรณ์ดังกล่าวมีความก้าวหน้าอย่างน่าทึ่งในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา โดยเพิ่มอัตราการถ่ายโอนข้อมูลขึ้นสามเท่า โมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนสมัยใหม่สามารถบรรลุพัลส์แอมพลิจูดมอดูเลชั่น (PAM4) 4 ระดับสูงถึง 224 Gb/s และมากกว่า 300 Gb/s ด้วยโมดูเลชั่น PAM8

อย่างไรก็ตาม โมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนเผชิญกับข้อจำกัดพื้นฐานอันเนื่องมาจากคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อตัวรับส่งสัญญาณแบบออปติคัลต้องการอัตรารับส่งข้อมูลมากกว่า 200+ Gbaud แบนด์วิดท์ของอุปกรณ์เหล่านี้จึงยากที่จะตอบสนองความต้องการได้ ข้อจำกัดนี้เกิดจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของซิลิคอน - ความสมดุลของการหลีกเลี่ยงการสูญเสียแสงมากเกินไปในขณะที่ยังคงรักษาค่าการนำไฟฟ้าที่เพียงพอจะทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

เทคโนโลยีและวัสดุโมดูเลเตอร์ที่เกิดขึ้นใหม่

ข้อจำกัดของโมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิมได้ขับเคลื่อนการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุทางเลือกและเทคโนโลยีบูรณาการ ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้กลายเป็นหนึ่งในแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับโมดูเลเตอร์รุ่นใหม่ตัวปรับอิเล็กโทรออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสืบทอดคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบตจำนวนมาก รวมถึง: หน้าต่างโปร่งใสกว้าง, ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกขนาดใหญ่ (r33 = 31 pm/V) เซลล์เชิงเส้น Kerrs effect สามารถทำงานได้ในช่วงความยาวคลื่นหลายช่วง

ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางให้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง รวมถึงโมดูเลเตอร์ที่ทำงานที่ 260 Gbaud ด้วยอัตราข้อมูล 1.96 Tb/s ต่อช่องสัญญาณ แพลตฟอร์มนี้มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใคร เช่น แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ที่รองรับ CMOS และแบนด์วิดท์ 3-dB ที่ 100 GHz

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเกิดใหม่

การพัฒนาโมดูเลเตอร์แบบอิเล็กโทรออปติกมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการใช้งานที่เกิดขึ้นใหม่ในหลายสาขา ในด้านปัญญาประดิษฐ์และศูนย์ข้อมูลโมดูเลเตอร์ความเร็วสูงมีความสำคัญสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายรุ่นต่อไป และแอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์ AI กำลังผลักดันความต้องการตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบได้ 800G และ 1.6T เทคโนโลยีโมดูเลเตอร์ยังนำไปใช้กับ: การประมวลผลข้อมูลควอนตัม การคำนวณแบบนิวโรมอร์ฟิก ความถี่คลื่นต่อเนื่องแบบมอดูเลต (FMCW) เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบลิดาร์

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางแสดงความแข็งแกร่งในกลไกการประมวลผลเชิงแสง โดยให้การมอดูเลตพลังงานต่ำที่รวดเร็วซึ่งจะช่วยเร่งการเรียนรู้ของเครื่องจักรและแอปพลิเคชันปัญญาประดิษฐ์ โมดูเลเตอร์ดังกล่าวยังสามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำได้ และเหมาะสำหรับอินเทอร์เฟซควอนตัมคลาสสิกในสายตัวนำยิ่งยวด

การพัฒนาโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกเจเนอเรชันใหม่เผชิญกับความท้าทายที่สำคัญหลายประการ: ต้นทุนและขนาดการผลิต: ปัจจุบันโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางถูกจำกัดอยู่ที่การผลิตเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น อุตสาหกรรมจำเป็นต้องขยายขนาดแผ่นเวเฟอร์โดยยังคงรักษาความสม่ำเสมอและคุณภาพของฟิล์มไว้ การบูรณาการและการออกแบบร่วม: การพัฒนาที่ประสบความสำเร็จของโมดูเลเตอร์ประสิทธิภาพสูงต้องการความสามารถในการออกแบบร่วมที่ครอบคลุม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันของออปโตอิเล็กทรอนิกส์และนักออกแบบชิปอิเล็กทรอนิกส์ ซัพพลายเออร์ EDA น้ำพุ และผู้เชี่ยวชาญด้านบรรจุภัณฑ์ ความซับซ้อนในการผลิต: แม้ว่ากระบวนการออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนจะซับซ้อนน้อยกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ CMOS ขั้นสูง แต่การบรรลุประสิทธิภาพและผลผลิตที่มั่นคงนั้นต้องใช้ความเชี่ยวชาญที่สำคัญและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต

ด้วยแรงผลักดันจากความเจริญรุ่งเรืองของ AI และปัจจัยทางภูมิศาสตร์การเมือง สาขานี้ได้รับการลงทุนเพิ่มขึ้นจากรัฐบาล อุตสาหกรรม และภาคเอกชนทั่วโลก สร้างโอกาสใหม่สำหรับการทำงานร่วมกันระหว่างสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรม และสัญญาว่าจะเร่งสร้างนวัตกรรม