Giới thiệu về cấu trúc và hiệu năng củaBộ điều biến điện quang màng mỏng lithium niobat
An bộ điều biến điện quangdựa trên các cấu trúc, bước sóng và nền tảng khác nhau của màng mỏng niobat lithi, và so sánh hiệu năng toàn diện của các loại khác nhau.bộ điều biến EOMcũng như phân tích về nghiên cứu và ứng dụng củabộ điều biến niobat lithi màng mỏngtrong các lĩnh vực khác.
1. Bộ điều biến niobat lithi màng mỏng khoang không cộng hưởng
Loại bộ điều biến này dựa trên hiệu ứng điện quang tuyệt vời của tinh thể niobat lithi và là thiết bị then chốt để đạt được khả năng truyền thông quang tốc độ cao và khoảng cách xa. Có ba cấu trúc chính:
1.1 Bộ điều biến MZI điện cực sóng truyền: Đây là thiết kế điển hình nhất. Nhóm nghiên cứu Lončar tại Đại học Harvard lần đầu tiên đạt được phiên bản hiệu năng cao vào năm 2018, với những cải tiến tiếp theo bao gồm tải điện dung dựa trên chất nền thạch anh (băng thông cao nhưng không tương thích với chất nền silicon) và chất nền silicon tương thích dựa trên việc làm rỗng chất nền, đạt được băng thông cao (>67 GHz) và truyền tín hiệu tốc độ cao (như PAM4 112 Gbit/s).
1.2 Bộ điều biến MZI gấp gọn: Để rút ngắn kích thước thiết bị và thích ứng với các mô-đun nhỏ gọn như QSFP-DD, phương pháp xử lý phân cực, ống dẫn sóng chéo hoặc điện cực vi cấu trúc đảo ngược được sử dụng để giảm một nửa chiều dài thiết bị và đạt được băng thông 60 GHz.
1.3 Bộ điều biến trực giao đồng bộ (IQ) phân cực đơn/kép: Sử dụng định dạng điều biến bậc cao để tăng tốc độ truyền dẫn. Nhóm nghiên cứu Cai tại Đại học Sun Yat-sen đã đạt được bộ điều biến IQ phân cực đơn đầu tiên trên chip vào năm 2020. Bộ điều biến IQ phân cực kép được phát triển trong tương lai có hiệu suất tốt hơn, và phiên bản dựa trên chất nền thạch anh đã lập kỷ lục về tốc độ truyền dẫn đơn bước sóng là 1,96 Tbit/s.
2. Bộ điều biến niobat lithi màng mỏng kiểu khoang cộng hưởng
Để chế tạo bộ điều biến siêu nhỏ và có băng thông rộng, có nhiều cấu trúc khoang cộng hưởng khác nhau:
2.1 Tinh thể quang tử (PC) và bộ điều biến vòng siêu nhỏ: Nhóm nghiên cứu của Lin tại Đại học Rochester đã phát triển bộ điều biến tinh thể quang tử hiệu suất cao đầu tiên. Ngoài ra, các bộ điều biến vòng siêu nhỏ dựa trên tích hợp dị thể và tích hợp đồng thể niobat lithi silicon cũng đã được đề xuất, đạt được băng thông vài GHz.
2.2 Bộ điều biến khoang cộng hưởng lưới Bragg: bao gồm khoang Fabry-Perot (FP), lưới Bragg dẫn sóng (WBG) và bộ điều biến ánh sáng chậm (SL). Các cấu trúc này được thiết kế để cân bằng kích thước, dung sai quy trình và hiệu suất, ví dụ, bộ điều biến khoang cộng hưởng FP 2 × 2 đạt được băng thông cực lớn vượt quá 110 GHz. Bộ điều biến ánh sáng chậm dựa trên lưới Bragg ghép nối mở rộng phạm vi băng thông hoạt động.
3. Bộ điều biến niobat lithi màng mỏng tích hợp không đồng nhất
Có ba phương pháp tích hợp chính để kết hợp khả năng tương thích của công nghệ CMOS trên nền tảng silicon với hiệu suất điều chế tuyệt vời của lithium niobate:
3.1 Tích hợp dị thể kiểu liên kết: Bằng cách liên kết trực tiếp với benzocyclobutene (BCB) hoặc silicon dioxide, màng mỏng lithium niobate được chuyển lên nền silicon hoặc silicon nitride, đạt được sự tích hợp ổn định ở nhiệt độ cao trên cấp độ wafer. Bộ điều biến thể hiện băng thông rộng (>70 GHz, thậm chí vượt quá 110 GHz) và khả năng truyền tín hiệu tốc độ cao.
3.2 Tích hợp dị thể vật liệu dẫn sóng bằng phương pháp lắng đọng: việc lắng đọng silicon hoặc silicon nitride trên màng mỏng lithium niobate làm dẫn sóng tải cũng giúp đạt được hiệu quả điều biến điện quang.
3.3 Tích hợp dị thể bằng in chuyển vi mô (μTP): Đây là công nghệ được kỳ vọng sẽ được sử dụng trong sản xuất quy mô lớn, chuyển các thiết bị chức năng được chế tạo sẵn sang chip đích thông qua thiết bị có độ chính xác cao, tránh các bước xử lý hậu kỳ phức tạp. Công nghệ này đã được ứng dụng thành công trên nền tảng silicon nitride và silicon, đạt được băng thông hàng chục GHz.
Tóm lại, bài báo này trình bày một cách hệ thống lộ trình công nghệ của các bộ điều biến điện quang dựa trên nền tảng niobat lithi màng mỏng, từ việc theo đuổi các cấu trúc khoang không cộng hưởng hiệu suất cao và băng thông rộng, khám phá các cấu trúc khoang cộng hưởng thu nhỏ, và tích hợp với các nền tảng quang tử dựa trên silicon đã phát triển. Bài báo chứng minh tiềm năng to lớn và sự tiến bộ liên tục của các bộ điều biến niobat lithi màng mỏng trong việc vượt qua nút thắt hiệu suất của các bộ điều biến truyền thống và đạt được khả năng truyền thông quang tốc độ cao.
Thời gian đăng bài: 31/03/2026