Bộ tách sóng quang silicon mang tính cách mạng (Si photodetector)

Cách mạngbộ tách sóng quang silicon(Bộ tách sóng quang Si)

Bộ tách sóng quang hoàn toàn bằng silicon mang tính cách mạngBộ tách sóng quang Si), hiệu suất vượt xa truyền thống

Với sự phức tạp ngày càng tăng của các mô hình trí tuệ nhân tạo và mạng nơ-ron sâu, các cụm máy tính đặt ra yêu cầu cao hơn đối với giao tiếp mạng giữa các bộ xử lý, bộ nhớ và các nút tính toán. Tuy nhiên, các mạng truyền thống trên chip và giữa các chip dựa trên kết nối điện không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về băng thông, độ trễ và mức tiêu thụ điện năng. Để giải quyết nút thắt cổ chai này, công nghệ kết nối quang học với ưu điểm về khoảng cách truyền dẫn xa, tốc độ nhanh và hiệu suất năng lượng cao, đang dần trở thành niềm hy vọng cho sự phát triển trong tương lai. Trong đó, công nghệ quang tử silicon dựa trên quy trình CMOS cho thấy tiềm năng lớn nhờ khả năng tích hợp cao, chi phí thấp và độ chính xác xử lý. Tuy nhiên, việc chế tạo các bộ tách sóng quang hiệu suất cao vẫn còn gặp nhiều thách thức. Thông thường, các bộ tách sóng quang cần tích hợp các vật liệu có khe năng lượng hẹp, chẳng hạn như germanium (Ge), để cải thiện hiệu suất phát hiện, nhưng điều này cũng dẫn đến quy trình sản xuất phức tạp hơn, chi phí cao hơn và năng suất không ổn định. Bộ tách sóng quang hoàn toàn bằng silicon do nhóm nghiên cứu phát triển đã đạt được tốc độ truyền dữ liệu 160 Gb/s mỗi kênh mà không cần sử dụng germanium, với tổng băng thông truyền tải là 1,28 Tb/s, thông qua thiết kế bộ cộng hưởng vi vòng kép cải tiến.

Gần đây, một nhóm nghiên cứu chung tại Hoa Kỳ đã công bố một nghiên cứu đột phá, thông báo rằng họ đã phát triển thành công một điốt quang avalanche hoàn toàn bằng silicon (bộ tách sóng quang APD(chip) này có chức năng giao diện quang điện tốc độ cực cao và chi phí thấp, dự kiến ​​sẽ đạt được tốc độ truyền dữ liệu hơn 3,2 Tb mỗi giây trong các mạng quang tương lai.

Bước đột phá kỹ thuật: thiết kế bộ cộng hưởng vi vòng kép

Các bộ tách sóng quang truyền thống thường có những mâu thuẫn không thể dung hòa giữa băng thông và độ nhạy. Nhóm nghiên cứu đã giải quyết thành công mâu thuẫn này bằng cách sử dụng thiết kế bộ cộng hưởng vi vòng kép và triệt tiêu hiệu quả hiện tượng nhiễu xuyên kênh. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng...bộ tách sóng quang hoàn toàn bằng siliconThiết bị này có đáp ứng A là 0,4 A/W, dòng điện tối thấp tới 1 nA, băng thông rộng 40 GHz và nhiễu xuyên kênh cực thấp dưới −50 dB. Hiệu suất này tương đương với các bộ tách sóng quang thương mại hiện nay dựa trên vật liệu silicon-germanium và III-V.

Hướng tới tương lai: Con đường đổi mới trong mạng quang

Việc phát triển thành công bộ tách sóng quang hoàn toàn bằng silicon không chỉ vượt trội so với giải pháp truyền thống về công nghệ mà còn tiết kiệm được khoảng 40% chi phí, mở đường cho việc hiện thực hóa các mạng quang tốc độ cao, chi phí thấp trong tương lai. Công nghệ này hoàn toàn tương thích với các quy trình CMOS hiện có, có hiệu suất và năng suất cực cao, và dự kiến ​​sẽ trở thành một linh kiện tiêu chuẩn trong lĩnh vực công nghệ quang tử silicon trong tương lai. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục tối ưu hóa thiết kế để cải thiện hơn nữa tỷ lệ hấp thụ và hiệu suất băng thông của bộ tách sóng quang bằng cách giảm nồng độ pha tạp và cải thiện điều kiện cấy ghép. Đồng thời, nghiên cứu cũng sẽ tìm hiểu cách công nghệ hoàn toàn bằng silicon này có thể được ứng dụng vào các mạng quang trong các cụm AI thế hệ tiếp theo để đạt được băng thông, khả năng mở rộng và hiệu quả năng lượng cao hơn.