อนาคตของตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า

อนาคตของตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า

ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในระบบอิเล็กโทรออปติกสมัยใหม่ โดยมีบทบาทสำคัญในหลายสาขา ตั้งแต่การสื่อสารไปจนถึงการคำนวณควอนตัม ด้วยการควบคุมคุณสมบัติของแสง บทความนี้กล่าวถึงสถานะปัจจุบัน ความก้าวหน้าล่าสุด และการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ต่างๆตัวปรับสัญญาณแสงเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง (TFLN), ตัวปรับสัญญาณดูดซับไฟฟ้า III-V (EAM), ตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอน และตัวปรับสัญญาณโพลีเมอร์ ในแง่ของการสูญเสียการแทรก, แบนด์วิดท์, การใช้พลังงาน, ขนาด และกำลังการผลิต

ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าแบบซิลิคอนดั้งเดิมและข้อจำกัดของมัน

ตัวปรับสัญญาณแสงแบบโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้ซิลิคอนเป็นพื้นฐานนั้นเป็นรากฐานของระบบสื่อสารด้วยแสงมานานหลายปีแล้ว โดยอาศัยผลการกระจายตัวของพลาสมา อุปกรณ์เหล่านี้ได้พัฒนาไปอย่างมากในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา ทำให้ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลเพิ่มขึ้นถึงสามเท่าตัว ตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันสามารถทำการมอดูเลชั่นแบบพัลส์แอมพลิจูด 4 ระดับ (PAM4) ได้ที่ความเร็วสูงสุด 224 Gb/s และมากกว่า 300 Gb/s ด้วยการมอดูเลชั่น PAM8

อย่างไรก็ตาม ตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอนมีข้อจำกัดพื้นฐานที่เกิดจากคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อตัวรับส่งสัญญาณแสงต้องการอัตราการส่งข้อมูลมากกว่า 200+ Gbaud แบนด์วิดท์ของอุปกรณ์เหล่านี้ก็ยากที่จะตอบสนองความต้องการได้ ข้อจำกัดนี้เกิดจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของซิลิคอน นั่นคือ การรักษาสมดุลระหว่างการหลีกเลี่ยงการสูญเสียแสงมากเกินไปในขณะที่ยังคงรักษาการนำไฟฟ้าที่เพียงพอ ทำให้เกิดข้อแลกเปลี่ยนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

เทคโนโลยีและวัสดุตัวปรับสัญญาณที่กำลังเกิดขึ้นใหม่

ข้อจำกัดของตัวปรับสัญญาณแบบดั้งเดิมที่ใช้ซิลิคอนเป็นพื้นฐานได้ผลักดันให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุทางเลือกและเทคโนโลยีการรวมระบบ ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตได้กลายเป็นหนึ่งในแพลตฟอร์มที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับตัวปรับสัญญาณรุ่นใหม่ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสืบทอดคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม ได้แก่: ช่วงความโปร่งใสที่กว้าง ค่าสัมประสิทธิ์ทางไฟฟ้าเชิงแสงสูง (r33 = 31 pm/V) เซลล์เชิงเส้น และปรากฏการณ์เคอร์ส สามารถทำงานได้ในช่วงความยาวคลื่นหลายช่วง

ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้ก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง รวมถึงตัวปรับสัญญาณที่ทำงานที่ความเร็ว 260 กิกะบิตต่อวินาที (Gbaud) ด้วยอัตราการส่งข้อมูล 1.96 เทราไบต์ต่อวินาที (Tb/s) ต่อช่องสัญญาณ แพลตฟอร์มนี้มีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น แรงดันขับที่เข้ากันได้กับ CMOS และแบนด์วิดท์ 3 dB ที่ 100 GHz

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเกิดใหม่

การพัฒนาตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้ามีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ ในหลายสาขา เช่น ในด้านปัญญาประดิษฐ์และศูนย์ข้อมูลตัวปรับสัญญาณความเร็วสูงเทคโนโลยีตัวปรับสัญญาณมีความสำคัญต่อการเชื่อมต่อในยุคต่อไป และแอปพลิเคชันการประมวลผล AI กำลังผลักดันความต้องการทรานซีฟเวอร์แบบเสียบปลั๊กได้ขนาด 800G และ 1.6T นอกจากนี้ เทคโนโลยีตัวปรับสัญญาณยังถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆ เช่น การประมวลผลข้อมูลควอนตัม การคำนวณแบบนิวโรโมฟิก คลื่นต่อเนื่องแบบปรับความถี่ (FMCW) ไลดาร์ ไมโครเวฟ โฟตอน

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตแสดงศักยภาพที่โดดเด่นในด้านเครื่องประมวลผลเชิงคำนวณทางแสง โดยให้การปรับสัญญาณที่รวดเร็วและใช้พลังงานต่ำ ซึ่งช่วยเร่งการเรียนรู้ของเครื่องจักรและการประยุกต์ใช้ปัญญาประดิษฐ์ ตัวปรับสัญญาณดังกล่าวสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำและเหมาะสมสำหรับส่วนต่อประสานควอนตัม-คลาสสิกในสายตัวนำยิ่งยวด

การพัฒนาตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าเจเนอเรชั่นถัดไปเผชิญกับความท้าทายสำคัญหลายประการ ได้แก่ ต้นทุนและขนาดการผลิต: ปัจจุบันตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจำกัดอยู่ที่การผลิตเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น อุตสาหกรรมจำเป็นต้องขยายขนาดเวเฟอร์ในขณะที่ยังคงรักษาความสม่ำเสมอและคุณภาพของฟิล์มไว้ การบูรณาการและการออกแบบร่วม: การพัฒนาที่ประสบความสำเร็จของตัวปรับสัญญาณประสิทธิภาพสูงจำเป็นต้องมีขีดความสามารถในการออกแบบร่วมอย่างครอบคลุม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันของผู้ออกแบบชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ ผู้จัดจำหน่าย EDA โรงพิมพ์ และผู้เชี่ยวชาญด้านบรรจุภัณฑ์ ความซับซ้อนในการผลิต: แม้ว่ากระบวนการผลิตออปโตอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นฐานซิลิคอนจะมีความซับซ้อนน้อยกว่าอิเล็กทรอนิกส์ CMOS ขั้นสูง แต่การบรรลุประสิทธิภาพและผลผลิตที่เสถียรนั้นต้องอาศัยความเชี่ยวชาญและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตอย่างมาก

ด้วยแรงผลักดันจากความเฟื่องฟูของปัญญาประดิษฐ์และปัจจัยทางภูมิรัฐศาสตร์ ทำให้สาขานี้ได้รับการลงทุนเพิ่มขึ้นจากภาครัฐ อุตสาหกรรม และภาคเอกชนทั่วโลก ซึ่งสร้างโอกาสใหม่ ๆ สำหรับความร่วมมือระหว่างสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรม และมีแนวโน้มที่จะเร่งนวัตกรรมให้เร็วขึ้น