El futuro demoduladores electroópticos
Los moduladores electroópticos desempeñan un papel fundamental en los sistemas optoelectrónicos modernos, siendo esenciales en numerosos campos, desde las comunicaciones hasta la computación cuántica, mediante la regulación de las propiedades de la luz. Este artículo analiza el estado actual, los últimos avances y el desarrollo futuro de la tecnología de moduladores electroópticos.
Figura 1: Comparación del rendimiento de diferentesmodulador ópticotecnologías, incluyendo niobato de litio de película delgada (TFLN), moduladores de absorción eléctrica III-V (EAM), moduladores basados en silicio y polímeros en términos de pérdida de inserción, ancho de banda, consumo de energía, tamaño y capacidad de fabricación.
Moduladores electroópticos tradicionales basados en silicio y sus limitaciones
Los moduladores fotoeléctricos de luz basados en silicio han sido la base de los sistemas de comunicación óptica durante muchos años. Gracias al efecto de dispersión de plasma, estos dispositivos han experimentado un progreso notable en los últimos 25 años, aumentando las velocidades de transferencia de datos en tres órdenes de magnitud. Los moduladores modernos basados en silicio pueden alcanzar una modulación de amplitud de pulso de cuatro niveles (PAM4) de hasta 224 Gb/s, e incluso más de 300 Gb/s con modulación PAM8.
Sin embargo, los moduladores basados en silicio presentan limitaciones fundamentales derivadas de las propiedades del material. Cuando los transceptores ópticos requieren velocidades de transmisión superiores a 200 Gbaud, el ancho de banda de estos dispositivos difícilmente puede satisfacer la demanda. Esta limitación se debe a las propiedades inherentes del silicio: el equilibrio entre evitar una pérdida excesiva de luz y mantener una conductividad suficiente genera compromisos inevitables.
Tecnologías y materiales moduladores emergentes
Las limitaciones de los moduladores tradicionales basados en silicio han impulsado la investigación de materiales alternativos y tecnologías de integración. El niobato de litio en película delgada se ha convertido en una de las plataformas más prometedoras para una nueva generación de moduladores.moduladores electroópticos de niobato de litio de película delgadaHereda las excelentes características del niobato de litio a granel, incluyendo: amplia ventana de transparencia, gran coeficiente electroóptico (r33 = 31 pm/V), efecto Kerrs de celda lineal, puede operar en múltiples rangos de longitud de onda.
Los recientes avances en la tecnología de niobato de litio de película delgada han arrojado resultados notables, incluyendo un modulador que opera a 260 Gbaud con velocidades de datos de 1,96 Tb/s por canal. La plataforma presenta ventajas únicas, como una tensión de accionamiento compatible con CMOS y un ancho de banda de 3 dB de 100 GHz.
Aplicación de tecnología emergente
El desarrollo de moduladores electroópticos está estrechamente relacionado con las aplicaciones emergentes en numerosos campos. En el ámbito de la inteligencia artificial y los centros de datos,moduladores de alta velocidadSon importantes para la próxima generación de interconexiones, y las aplicaciones de computación de IA impulsan la demanda de transceptores conectables de 800G y 1,6T. La tecnología de modulación también se aplica a: procesamiento de información cuántica, computación neuromórfica, lidar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) y tecnología fotónica de microondas.
En particular, los moduladores electroópticos de niobato de litio de película delgada presentan un gran potencial en los sistemas de procesamiento computacional óptico, ya que proporcionan una modulación rápida y de bajo consumo que acelera las aplicaciones de aprendizaje automático e inteligencia artificial. Estos moduladores también pueden operar a bajas temperaturas y son idóneos para interfaces cuántico-clásicas en líneas superconductoras.
El desarrollo de moduladores electroópticos de próxima generación se enfrenta a varios desafíos importantes: Coste y escala de producción: actualmente, la producción de moduladores de niobato de litio de película delgada está limitada a obleas de 150 mm, lo que conlleva costes más elevados. El sector necesita aumentar el tamaño de las obleas manteniendo la uniformidad y la calidad de la película. Integración y codiseño: El desarrollo exitoso demoduladores de alto rendimientoRequiere capacidades integrales de codiseño, que implican la colaboración de diseñadores de optoelectrónica y chips electrónicos, proveedores de EDA, fabricantes de fuentes y expertos en empaquetado. Complejidad de fabricación: Si bien los procesos de optoelectrónica basados en silicio son menos complejos que la electrónica CMOS avanzada, lograr un rendimiento y una producción estables exige una gran experiencia y la optimización del proceso de fabricación.
Impulsado por el auge de la IA y factores geopolíticos, el campo está recibiendo una mayor inversión de gobiernos, la industria y el sector privado de todo el mundo, creando nuevas oportunidades de colaboración entre la academia y la industria y prometiendo acelerar la innovación.
Fecha de publicación: 30 de diciembre de 2024