미래전기광학 변조기
전기광학 변조기는 현대 광전자 시스템에서 핵심적인 역할을 하며, 빛의 특성을 조절함으로써 통신에서 양자 컴퓨팅에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 수행합니다. 본 논문에서는 전기광학 변조기 기술의 현황, 최근의 획기적인 발전 및 미래 발전 방향에 대해 논의합니다.
그림 1: 다양한 성능 비교광 변조기삽입 손실, 대역폭, 전력 소비, 크기 및 제조 능력 측면에서 박막 리튬 니오베이트(TFLN), III-V 전기 흡수 변조기(EAM), 실리콘 기반 및 폴리머 변조기를 포함한 기술들을 비교합니다.
기존 실리콘 기반 전기광학 변조기와 그 한계점
실리콘 기반 광전 변조기는 오랫동안 광통신 시스템의 핵심 소자였습니다. 플라즈마 분산 효과를 기반으로 하는 이러한 소자는 지난 25년간 데이터 전송 속도를 세 자릿수 이상 향상시키는 등 괄목할 만한 발전을 이루었습니다. 최신 실리콘 기반 변조기는 4단계 펄스 진폭 변조(PAM4)를 통해 최대 224Gb/s, PAM8 변조를 통해서는 300Gb/s 이상의 속도를 구현할 수 있습니다.
하지만 실리콘 기반 변조기는 재료 특성에서 비롯된 근본적인 한계에 직면합니다. 광 송수신기가 200기가보드(Gbaud) 이상의 전송률을 요구할 경우, 이러한 장치의 대역폭으로는 요구량을 충족하기 어렵습니다. 이러한 한계는 실리콘 고유의 특성, 즉 과도한 광 손실을 피하면서 충분한 전도성을 유지하는 것 사이의 균형을 맞추는 과정에서 불가피한 절충이 발생하기 때문입니다.
새로운 변조기 기술 및 소재
기존 실리콘 기반 변조기의 한계로 인해 대체 재료 및 집적 기술에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 박막 리튬 니오베이트는 차세대 변조기를 위한 가장 유망한 플랫폼 중 하나로 떠오르고 있습니다.박막 리튬 니오베이트 전기광학 변조기벌크 리튬 니오베이트의 우수한 특성을 계승하며, 여기에는 넓은 투명 창, 큰 전기광학 계수(r33 = 31 pm/V), 선형 셀 커 효과, 다양한 파장 범위에서 작동 가능 등이 포함됩니다.
최근 리튬 니오베이트 박막 기술의 발전으로 채널당 1.96Tb/s의 데이터 전송률로 260Gbaud에서 작동하는 변조기를 비롯한 놀라운 성과를 거두었습니다. 이 플랫폼은 CMOS 호환 구동 전압 및 100GHz의 3dB 대역폭과 같은 독보적인 장점을 가지고 있습니다.
신기술 응용
전기광학 변조기의 개발은 여러 분야에서 새롭게 등장하는 응용 분야와 밀접한 관련이 있습니다. 인공지능 및 데이터 센터 분야에서도 마찬가지입니다.고속 변조기차세대 상호 연결에 중요한 역할을 하는 변조기 기술은 AI 컴퓨팅 애플리케이션의 발달로 800G 및 1.6T 플러그형 트랜시버에 대한 수요를 견인하고 있습니다. 또한, 변조기 기술은 양자 정보 처리, 뉴로모픽 컴퓨팅, 주파수 변조 연속파(FMCW) 라이더, 마이크로파 광자 기술 등에도 적용됩니다.
특히, 리튬 니오베이트 박막 전기광학 변조기는 광학 연산 처리 엔진에서 뛰어난 성능을 보여주며, 머신 러닝 및 인공지능 애플리케이션의 속도를 향상시키는 빠르고 저전력의 변조를 제공합니다. 이러한 변조기는 저온에서도 작동할 수 있으며 초전도 라인의 양자-고전 인터페이스에 적합합니다.
차세대 전기광학 변조기 개발은 다음과 같은 몇 가지 주요 과제에 직면해 있습니다. 생산 비용 및 규모: 현재 박막 리튬 니오베이트 변조기는 150mm 웨이퍼 생산으로 제한되어 있어 비용이 높습니다. 업계는 박막 균일성과 품질을 유지하면서 웨이퍼 크기를 확대해야 합니다. 통합 및 공동 설계: 성공적인 개발은고성능 변조기광전자 및 전자 칩 설계자, EDA 공급업체, 펀드, 패키징 전문가의 협업을 포함하는 포괄적인 공동 설계 역량이 필요합니다. 제조 복잡성: 실리콘 기반 광전자 공정은 첨단 CMOS 전자 공정보다 덜 복잡하지만, 안정적인 성능과 수율을 달성하려면 상당한 전문 지식과 제조 공정 최적화가 필요합니다.
인공지능 붐과 지정학적 요인에 힘입어 전 세계 정부, 산업계, 민간 부문에서 인공지능 분야에 대한 투자가 증가하고 있으며, 이는 학계와 산업계 간의 협력 기회를 확대하고 혁신을 가속화할 것으로 기대됩니다.
게시 시간: 2024년 12월 30일