光调制器的发展与未来趋势

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引言
光调制器在现代光电子系统中扮演着核心角色，通过调控光的特性，在从通信到量子计算等多个领域发挥重要作用。本文探讨光调制器技术的现状、最新突破及未来发展方向[1]。

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; z' G: H5 g/ R6 R( T图1：不同光调制器技术的性能对比，包括薄膜铌酸锂(TFLN)、III-V族电吸收调制器(EAM)、硅基和聚合物调制器在插入损耗、带宽、功耗、尺寸和制造能力等方面的比较。
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传统硅基光调制器及其局限性
硅基光调制器多年来一直是光通信系统的基础。基于等离子体色散效应，这类器件在过去25年取得了显著进展，数据传输速率提升了三个数量级。现代硅基调制器可实现高达224 Gb/s的4电平脉冲幅度调制(PAM4)，使用PAM8调制甚至可超过300 Gb/s。

然而，硅基调制器面临着源于材料特性的根本局限。当光收发器要求波特率超过200+ Gbaud时，这些器件的带宽难以满足需求。这一限制源于硅的固有特性——在避免过度光损耗的同时保持足够的电导率，这种平衡造成了不可避免的折衷。

5 ^$ `" W* z( ^/ z- O新兴调制器技术与材料
8 F) d! n- h# W# H5 ~) s传统硅基调制器的局限推动了对替代材料和集成技术的研究。薄膜铌酸锂已成为新一代调制器最具潜力的平台之一。薄膜铌酸锂继承了块状铌酸锂的优良特性，包括：
1 j4 R; ^* N8 u9 T& e宽透明窗口
3 U% r$ N" ?$ M4 a$ y大电光系数(r33 = 31 pm/V)
3 O: [' ~# z- h  u% J& e线性泡克尔斯效应
! `7 J( Z% p+ d可在多个波长范围内运行
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薄膜铌酸锂技术的最新进展已取得显著成果，包括工作在260 Gbaud的调制器，每通道可达1.96 Tb/s的数据速率。该平台具有独特优势，如CMOS兼容的驱动电压和100 GHz的3-dB带宽。

新兴技术应用
& S* Z9 R  ?8 B5 E/ i! U光调制器的发展与多个领域的新兴应用密切相关。在人工智能和数据中心领域，高速调制器对下一代互连很重要，人工智能计算应用推动了对800G和1.6T可插拔收发器的需求。调制器技术还应用于：
/ L9 B3 I6 ]5 w2 l: R3 B: I$ s量子信息处理
3 C: G. g/ x4 G神经形态计算
调频连续波(FMCW)激光雷达
微波光子技术
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特别是薄膜铌酸锂调制器在光计算处理引擎方面显示出优势，提供快速低功耗调制，加速机器学习和人工智能应用。这类调制器还可在低温环境下工作，适用于超导线路中的量子-经典接口。
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挑战与未来方向
下一代光调制器的发展面临几个主要挑战：
; \. P: w8 i- ^" `* G: G3 w! s  G生产成本和规模化：薄膜铌酸锂调制器目前限于150毫米晶圆生产，导致成本较高。业界需要扩大晶圆尺寸，同时保持薄膜均匀性和质量。
集成和协同设计：高性能调制器的成功开发需要全面的协同设计能力，涉及光电子和电子芯片设计师、EDA供应商、代工厂和封装专家的合作。
制造复杂性：虽然硅基光电子制程不如先进CMOS电子复杂，但实现稳定性能和良率需要大量专业知识和制造工艺优化。

) d  P. {& g0 d# C在人工智能热潮和地缘政治因素推动下，该领域正获得来自全球政府、产业和私营部门的增加投资，为学术界和产业界的合作创造了新机会，有望加速创新。

: |3 l( Y/ C! A2 Z1 Y结论
, d5 v7 H3 A9 G0 R! w1 m% J光调制器的未来在于成功整合新材料和技术，同时解决当前的限制和挑战。从传统硅基平台向薄膜铌酸锂等新材料的转变，加上设计和制造工艺的创新，将促进多个领域下一代应用的发展。随着业界持续投入研发，光调制器的性能、集成度和功能性将继续提升。

参考文献
& |/ |; O8 c9 r$ z2 Y# E' X[1] D. Liang, M. Xu, L. Chen, H. Rong, and A. Bechtolsheim, "The Future of Optical Modulation: The PGE Engages With an Interdisciplinary Panel of Industry and Academic Experts," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 1000606, July/Aug. 2024, doi: 10.1109/JSTQE.2024.3448914.

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