อนาคตของโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้า

อนาคตของตัวปรับแสงไฟฟ้า

ตัวปรับแสงไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยมีบทบาทสำคัญในหลายสาขา ตั้งแต่การสื่อสารไปจนถึงการประมวลผลควอนตัม โดยการควบคุมคุณสมบัติของแสง บทความนี้จะกล่าวถึงสถานะปัจจุบัน ความก้าวหน้าล่าสุด และการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีตัวปรับแสงไฟฟ้า

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวปรับแสงเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (TFLN) ตัวปรับการดูดซับไฟฟ้า III-V (EAM) ตัวปรับที่ใช้ซิลิกอนและโพลีเมอร์ในแง่ของการสูญเสียการแทรก แบนด์วิดท์ การใช้พลังงาน ขนาด และกำลังการผลิต

ตัวปรับแสงแบบอิเล็กโทรดที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิมและข้อจำกัด

ตัวปรับแสงโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้ซิลิคอนเป็นพื้นฐานของระบบสื่อสารด้วยแสงมายาวนานหลายปี อุปกรณ์เหล่านี้มีความก้าวหน้าอย่างน่าทึ่งในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา โดยอาศัยปรากฏการณ์การกระจายตัวของพลาสมา ทำให้อัตราการถ่ายโอนข้อมูลเพิ่มขึ้นถึงสามเท่า ตัวปรับแสงที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันสามารถปรับระดับแอมพลิจูดพัลส์ 4 ระดับ (PAM4) ได้สูงสุด 224 Gb/s และสูงกว่า 300 Gb/s ด้วยการปรับระดับ PAM8

อย่างไรก็ตาม ตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอนต้องเผชิญกับข้อจำกัดพื้นฐานอันเนื่องมาจากคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อตัวรับส่งสัญญาณแสงต้องการอัตราบอดเรตมากกว่า 200 กิกะบิตต่อวินาที (GBaud) แบนด์วิดท์ของอุปกรณ์เหล่านี้จะตอบสนองความต้องการได้ยาก ข้อจำกัดนี้เกิดจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของซิลิคอน ซึ่งความสมดุลระหว่างการหลีกเลี่ยงการสูญเสียแสงที่มากเกินไปกับการรักษาสภาพนำไฟฟ้าที่เพียงพอ ก่อให้เกิดการแลกเปลี่ยนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

เทคโนโลยีและวัสดุโมดูเลเตอร์ที่กำลังเกิดขึ้นใหม่

ข้อจำกัดของตัวปรับสัญญาณแบบซิลิคอนแบบดั้งเดิมได้ผลักดันให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุทางเลือกและเทคโนโลยีการผสานรวม ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้กลายเป็นหนึ่งในแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับตัวปรับสัญญาณรุ่นใหม่ตัวปรับแสงไฟฟ้าลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสืบทอดคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบตจำนวนมาก ได้แก่: หน้าต่างโปร่งใสกว้าง, ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกขนาดใหญ่ (r33 = 31 pm/V) เซลล์เชิงเส้น เอฟเฟกต์ Kerrs สามารถทำงานได้ในช่วงความยาวคลื่นหลายช่วง

ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้ให้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง ซึ่งรวมถึงตัวปรับสัญญาณที่ทำงานที่ความเร็ว 260 Gbaud ด้วยอัตราข้อมูล 1.96 Tb/s ต่อช่องสัญญาณ แพลตฟอร์มนี้มีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น แรงดันไฟฟ้าไดรฟ์ที่รองรับ CMOS และแบนด์วิดท์ 3-dB ที่ความถี่ 100 GHz

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ

การพัฒนาตัวปรับสัญญาณออปติกไฟฟ้ามีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ ในหลายสาขา ในด้านปัญญาประดิษฐ์และศูนย์ข้อมูลตัวปรับความเร็วสูงมีความสำคัญต่อการเชื่อมต่อยุคหน้า และแอปพลิเคชันการประมวลผล AI กำลังผลักดันความต้องการตัวรับส่งสัญญาณแบบเสียบปลั๊ก 800G และ 1.6T เทคโนโลยีโมดูเลเตอร์ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้กับ: การประมวลผลข้อมูลควอนตัม การประมวลผลแบบนิวโรมอร์ฟิก คลื่นต่อเนื่องแบบปรับความถี่ (FMCW) เทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนแบบลิดาร์

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้า-ออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางแสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งในเครื่องประมวลผลเชิงคำนวณเชิงแสง โดยให้การมอดูเลตพลังงานต่ำที่รวดเร็ว ซึ่งช่วยเร่งการใช้งานการเรียนรู้ของเครื่องจักรและปัญญาประดิษฐ์ ตัวปรับสัญญาณเหล่านี้ยังสามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำและเหมาะสำหรับอินเทอร์เฟซควอนตัมคลาสสิกในสายตัวนำยิ่งยวด

การพัฒนาโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้ารุ่นใหม่ต้องเผชิญกับความท้าทายสำคัญหลายประการ ได้แก่ ต้นทุนและขนาดการผลิต: ปัจจุบันโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีกำลังการผลิตเวเฟอร์เพียง 150 มม. เท่านั้น ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น อุตสาหกรรมจำเป็นต้องขยายขนาดเวเฟอร์ควบคู่ไปกับการรักษาความสม่ำเสมอและคุณภาพของฟิล์ม การบูรณาการและการออกแบบร่วมกัน: การพัฒนาที่ประสบความสำเร็จตัวปรับเปลี่ยนประสิทธิภาพสูงจำเป็นต้องมีความสามารถในการออกแบบร่วมกันอย่างครอบคลุม ซึ่งเกี่ยวข้องกับความร่วมมือระหว่างนักออกแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์และชิปอิเล็กทรอนิกส์ ซัพพลายเออร์ EDA แหล่งผลิต และผู้เชี่ยวชาญด้านบรรจุภัณฑ์ ความซับซ้อนในการผลิต: แม้ว่ากระบวนการออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนจะมีความซับซ้อนน้อยกว่าอิเล็กทรอนิกส์ CMOS ขั้นสูง แต่การบรรลุประสิทธิภาพและผลผลิตที่เสถียรนั้นต้องอาศัยความเชี่ยวชาญและการปรับปรุงกระบวนการผลิตอย่างมาก

เนื่องด้วยแรงผลักดันจากการเติบโตของ AI และปัจจัยทางภูมิรัฐศาสตร์ ทำให้สาขานี้ได้รับการลงทุนเพิ่มมากขึ้นจากรัฐบาล อุตสาหกรรม และภาคเอกชนทั่วโลก ซึ่งสร้างโอกาสใหม่ๆ สำหรับความร่วมมือระหว่างสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรม และมีแนวโน้มที่จะเร่งสร้างนวัตกรรม