光调制器的发展与未来趋势

逍遥设计自动化

引言
. Q0 L, x# I5 b- k1 B0 c1 U; D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]。
8 r! l; Z; x2 F. B  Q

zjcpv0nkkx16401575111.png

% e% w- }8 I& {7 B, S7 X0 @

vy2vlqy1ube6401575211.jpg

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。

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。
  ]  b* b4 E0 u
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。
3 J7 @5 m9 y2 q% `. Z/ A
新兴调制器技术与材料
* ]* @6 F/ T+ @+ g) \8 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：
8 S1 u1 s( b2 E: |% ^; F宽透明窗口
3 r. s& o4 x- U7 r! M) n( @7 F大电光系数(r33 = 31 pm/V)
* h  _1 i0 }( v线性泡克尔斯效应
4 m& g7 F( p6 v# Y可在多个波长范围内运行
4 R* M1 @, q" n' r+ e
5 L9 [% a9 w5 K1 T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。
! {" m; [1 s5 u8 T& b, V) k5 ?1 e) y
新兴技术应用
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：
" _* O6 s" {7 D. I2 w3 Y量子信息处理
9 E- a2 T5 s$ a- }( o+ u2 j: W: O9 P神经形态计算
7 d3 E7 H% g& ^5 k# [8 w调频连续波(FMCW)激光雷达
微波光子技术
9 B3 _- W, ~7 [
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。
, z; s7 u1 i* p; u6 p% P
! g2 i7 j) u2 p( l9 f9 q挑战与未来方向
( ?& d# h: ?! X! @- o1 u# L( `: e下一代光调制器的发展面临几个主要挑战：
7 J! w% h. `- T2 S+ Q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。
; s/ p% R! d. }3 q* b, D2 f: A1 m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。
: y, j% c: H, C  z% j! s9 A
: w5 b% C% B$ Y; t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。

; ^+ ]0 w" P! j) W0 v2 H3 }结论
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。
) ~2 N; m" v0 c( T" h* f
参考文献
& ?( W  a7 L) o  V/ i[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.

END


软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
; T7 R0 t, l( t; V点击左下角"阅读原文"马上申请

欢迎转载
( {! q/ \: y( M
  \* u0 V- }1 t转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

( v$ X. w8 B( b$ L8 X

b0ax42luudq6401575311.gif

0 h, k* A1 T: L8 B) s4 l
0 I* t& Q  Z6 Z6 w关注我们

fcfiumy2xid6401575411.png 6 y+ h( ^/ [3 ?! q

( z. s0 [1 z& s psalw1ghn1f6401575511.png

nierklxid1p6401575611.png % R) D% R& T& }- Q6 A

                     
+ O1 ?1 w6 n. V* g
, I! x) R2 _/ |( h/ H

关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
8 m+ [1 Y# H. [& d+ g. S& w& T
+ x; p0 D3 _9 J/ a* d3 V# x* ehttp://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）