電気光学変調器の未来

の未来電気光変調器

電気光学変調器は現代の光電子システムにおいて中心的な役割を果たしており、光の特性を制御することで通信から量子コンピューティングまで多くの分野で重要な役割を果たしています。本稿では、電気光学変調器技術の現状、最新のブレークスルー、そして将来の発展について論じます。

図1: 異なる光変調器挿入損失、帯域幅、消費電力、サイズ、製造能力の観点から、薄膜ニオブ酸リチウム (TFLN)、III-V 電気吸収変調器 (EAM)、シリコンベースおよびポリマー変調器などの技術を比較します。

従来のシリコンベースの電気光学変調器とその限界

シリコンベースの光電変調器は、長年にわたり光通信システムの基盤となってきました。プラズマ分散効果を基盤とするこのデバイスは、過去25年間で目覚ましい進歩を遂げ、データ転送速度を3桁向上させました。最新のシリコンベースの変調器は、最大224Gb/sの4値パルス振幅変調（PAM4）を実現し、PAM8変調では300Gb/sを超える速度を実現できます。

しかし、シリコンベースの変調器は、材料特性に起因する根本的な限界に直面しています。光トランシーバーが200Gbaudを超えるボーレートを必要とする場合、これらのデバイスの帯域幅ではその要求を満たすことが困難です。この限界はシリコン固有の特性に起因しており、過度の光損失を回避しながら十分な導電性を維持するというバランスをとることで、避けられないトレードオフが生じます。

新たな変調器技術と材料

従来のシリコンベースの変調器の限界により、代替材料と集積技術の研究が進められてきました。薄膜ニオブ酸リチウムは、新世代の変調器にとって最も有望なプラットフォームの一つとなっています。薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器バルクニオブ酸リチウムの優れた特性を継承しており、広い透明窓、大きな電気光学係数（r33 = 31 pm/V）、線形セル、カース効果などがあり、複数の波長範囲で動作できます。

薄膜ニオブ酸リチウム技術の近年の進歩は、チャネルあたり1.96 Tb/sのデータレートで260 Gbaudで動作する変調器など、目覚ましい成果をもたらしました。このプラットフォームは、CMOS互換の駆動電圧と100 GHzの3dB帯域幅といった独自の利点を備えています。

新興技術の応用

電気光学変調器の開発は、多くの分野における新たな応用と密接に関連しています。人工知能やデータセンターの分野では、高速変調器次世代の相互接続には重要であり、AIコンピューティングアプリケーションは800Gおよび1.6Tのプラガブルトランシーバの需要を牽引しています。変調器技術は、量子情報処理、ニューロモルフィックコンピューティング、周波数変調連続波（FMCW）、ライダー、マイクロ波光子技術にも応用されています。

特に、薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器は、光計算処理エンジンにおいて優れた性能を示し、機械学習や人工知能アプリケーションを加速する高速・低消費電力変調を実現します。また、低温でも動作可能で、超伝導線路における量子-古典インターフェースにも適しています。

次世代電気光学変調器の開発には、いくつかの大きな課題があります。製造コストと規模：薄膜ニオブ酸リチウム変調器は現在、150mmウェハ生産に制限されており、その結果コストが上昇しています。業界は、膜の均一性と品質を維持しながらウェハサイズを拡大する必要があります。統合と共同設計：高性能変調器これには、オプトエレクトロニクスおよび電子チップ設計者、EDAサプライヤー、フォント、パッケージング専門家の連携を含む包括的な共同設計能力が必要です。製造の複雑さ：シリコンベースのオプトエレクトロニクスプロセスは高度なCMOSエレクトロニクスほど複雑ではありませんが、安定した性能と歩留まりを達成するには、高度な専門知識と製造プロセスの最適化が必要です。

AIブームと地政学的要因に後押しされ、この分野は世界中の政府、産業界、民間部門から投資が増加しており、学界と産業界の新たな協力の機会が生まれ、イノベーションの加速が期待されています。