อนาคตของตัวควบคุมแสงไฟฟ้า

อนาคตของเครื่องควบคุมแสงไฟฟ้า

ตัวปรับแสงไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยมีบทบาทสำคัญในหลายสาขาตั้งแต่การสื่อสารไปจนถึงการคำนวณแบบควอนตัมโดยควบคุมคุณสมบัติของแสง บทความนี้จะกล่าวถึงสถานะปัจจุบัน ความก้าวหน้าล่าสุด และการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีตัวปรับแสงไฟฟ้า

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

โมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าแบบซิลิกอนแบบดั้งเดิมและข้อจำกัดของโมดูเลเตอร์เหล่านี้

ตัวปรับแสงโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้ซิลิกอนเป็นพื้นฐานของระบบสื่อสารด้วยแสงมาหลายปีแล้ว โดยอาศัยเอฟเฟกต์การกระจายตัวของพลาสมา อุปกรณ์ดังกล่าวจึงได้รับการพัฒนาอย่างน่าทึ่งในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา โดยเพิ่มอัตราการถ่ายโอนข้อมูลได้สามเท่าของขนาดเดิม ตัวปรับแสงที่ใช้ซิลิกอนสมัยใหม่สามารถมอดูเลตแอมพลิจูดพัลส์ 4 ระดับ (PAM4) ได้สูงถึง 224 Gb/s และมากกว่า 300 Gb/s ด้วยการมอดูเลต PAM8

อย่างไรก็ตาม ตัวปรับเปลี่ยนสัญญาณที่ใช้ซิลิกอนนั้นต้องเผชิญกับข้อจำกัดพื้นฐานที่เกิดจากคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อตัวรับส่งสัญญาณออปติคอลต้องการบอดเรทมากกว่า 200+ Gbaud แบนด์วิดท์ของอุปกรณ์เหล่านี้ก็ตอบสนองความต้องการได้ยาก ข้อจำกัดนี้เกิดจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของซิลิกอน ซึ่งความสมดุลระหว่างการหลีกเลี่ยงการสูญเสียแสงที่มากเกินไปในขณะที่รักษาสภาพนำไฟฟ้าที่เพียงพอจะสร้างความสมดุลที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

เทคโนโลยีและวัสดุโมดูเลเตอร์ที่กำลังเกิดขึ้นใหม่

ข้อจำกัดของตัวควบคุมแบบซิลิกอนแบบดั้งเดิมได้ผลักดันให้มีการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุทางเลือกและเทคโนโลยีการผสานรวม ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้กลายมาเป็นหนึ่งในแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับตัวควบคุมรุ่นใหม่โมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสืบทอดคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบตจำนวนมาก ได้แก่: หน้าต่างโปร่งใสกว้าง ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกขนาดใหญ่ (r33 = 31 pm/V) เซลล์เชิงเส้น ผล Kerrs สามารถทำงานได้ในช่วงความยาวคลื่นหลายช่วง

ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้ให้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง รวมถึงตัวปรับเปลี่ยนที่ทำงานที่ 260 Gbaud ด้วยอัตราข้อมูล 1.96 Tb/s ต่อช่องสัญญาณ แพลตฟอร์มนี้มีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น แรงดันไดรฟ์ที่เข้ากันได้กับ CMOS และแบนด์วิดท์ 3-dB ที่ 100 GHz

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ

การพัฒนาโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้ามีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการใช้งานใหม่ ๆ ในหลายสาขา ในด้านปัญญาประดิษฐ์และศูนย์ข้อมูลตัวปรับความเร็วสูงมีความสำคัญต่อการเชื่อมต่อในยุคหน้า และแอปพลิเคชันการคำนวณ AI กำลังขับเคลื่อนความต้องการทรานซีฟเวอร์แบบเสียบปลั๊กได้ 800G และ 1.6T เทคโนโลยีโมดูเลเตอร์ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้กับ: การประมวลผลข้อมูลควอนตัม การคำนวณแบบนิวโรมอร์ฟิก คลื่นต่อเนื่องที่ปรับความถี่ (FMCW) เทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนลิดาร์

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางแสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งในเครื่องประมวลผลการคำนวณแบบออปติก โดยให้การมอดูเลตพลังงานต่ำที่รวดเร็วซึ่งเร่งการเรียนรู้ของเครื่องจักรและการใช้งานปัญญาประดิษฐ์ โมดูเลเตอร์ดังกล่าวสามารถทำงานในอุณหภูมิต่ำได้เช่นกัน และเหมาะสำหรับอินเทอร์เฟซควอนตัมคลาสสิกในสายตัวนำยิ่งยวด

การพัฒนาโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้ารุ่นต่อไปเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญหลายประการ ได้แก่ ต้นทุนและขนาดการผลิต: ปัจจุบันโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางถูกจำกัดให้ผลิตเวเฟอร์ได้เพียง 150 มม. ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น อุตสาหกรรมจำเป็นต้องขยายขนาดเวเฟอร์ในขณะที่ยังคงรักษาความสม่ำเสมอและคุณภาพของฟิล์มไว้ การบูรณาการและการออกแบบร่วมกัน: การพัฒนาโมดูเลเตอร์ที่ประสบความสำเร็จโมดูเลเตอร์ประสิทธิภาพสูงต้องใช้ความสามารถในการออกแบบร่วมกันอย่างครอบคลุม ซึ่งเกี่ยวข้องกับความร่วมมือของผู้ออกแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์และชิปอิเล็กทรอนิกส์ ซัพพลายเออร์ EDA แหล่งผลิต และผู้เชี่ยวชาญด้านบรรจุภัณฑ์ ความซับซ้อนในการผลิต: แม้ว่ากระบวนการออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนจะมีความซับซ้อนน้อยกว่าอิเล็กทรอนิกส์ CMOS ขั้นสูง แต่การบรรลุประสิทธิภาพและผลผลิตที่เสถียรต้องอาศัยความเชี่ยวชาญและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตอย่างมาก

จากการเติบโตของ AI และปัจจัยภูมิรัฐศาสตร์ ทำให้สาขานี้ได้รับการลงทุนเพิ่มมากขึ้นจากรัฐบาล อุตสาหกรรม และภาคเอกชนทั่วโลก ซึ่งสร้างโอกาสใหม่ๆ สำหรับความร่วมมือระหว่างสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรม และมีแนวโน้มที่จะเร่งสร้างนวัตกรรม