光调制器的发展与未来趋势

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引言
2 a; R- y4 E4 B1 q' I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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( U) P- o4 k) \) Q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。

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。
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新兴调制器技术与材料
1 z. s8 w" ]' R, L/ B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：
) d* [2 E" N) I4 a( [4 X宽透明窗口
大电光系数(r33 = 31 pm/V)
  B; n2 H: j7 k+ A) s$ V线性泡克尔斯效应
可在多个波长范围内运行
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/ {% ?& V7 I& r! i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。
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新兴技术应用
5 o. {0 U, |0 O1 H& C3 A* M" e: w5 @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：
4 _' y) G9 [; J. U" b0 a0 L: ?4 @+ s量子信息处理
: S3 Y; z$ _6 \8 m% K+ `4 `神经形态计算
调频连续波(FMCW)激光雷达
微波光子技术

6 m8 o& b; N& d4 I% r  R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。

& J7 p+ A2 o. _: l挑战与未来方向
, p( d5 T$ s4 Q# M下一代光调制器的发展面临几个主要挑战：
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。
$ h& j% V/ l- ]! c' D$ E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。
. s$ g( }0 D- U) j0 j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。

( l8 ^9 i; ]% {4 U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。
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结论
( y# I3 H- \7 F# f/ [* \$ H! K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。
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参考文献
[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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