Tương lai củabộ điều biến quang điện tử
Bộ điều biến điện quang đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống quang điện tử hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ truyền thông đến điện toán lượng tử bằng cách điều chỉnh các đặc tính của ánh sáng. Bài báo này thảo luận về hiện trạng, những đột phá mới nhất và hướng phát triển trong tương lai của công nghệ bộ điều biến điện quang.
Hình 1: So sánh hiệu năng của các thiết bị khác nhaubộ điều biến quang họcCác công nghệ, bao gồm niobat lithi màng mỏng (TFLN), bộ điều biến hấp thụ điện III-V (EAM), bộ điều biến dựa trên silicon và polymer, xét về tổn hao chèn, băng thông, mức tiêu thụ điện năng, kích thước và khả năng sản xuất.
Các bộ điều biến điện quang dựa trên silicon truyền thống và những hạn chế của chúng.
Các bộ điều biến ánh sáng quang điện dựa trên silicon đã là nền tảng của các hệ thống truyền thông quang học trong nhiều năm. Dựa trên hiệu ứng tán xạ plasma, các thiết bị này đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong 25 năm qua, làm tăng tốc độ truyền dữ liệu lên ba bậc độ lớn. Các bộ điều biến dựa trên silicon hiện đại có thể đạt được điều chế biên độ xung 4 mức (PAM4) lên đến 224 Gb/s, và thậm chí hơn 300 Gb/s với điều chế PAM8.
Tuy nhiên, các bộ điều biến dựa trên silicon phải đối mặt với những hạn chế cơ bản xuất phát từ tính chất vật liệu. Khi các bộ thu phát quang yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu hơn 200 Gbaud, băng thông của các thiết bị này khó có thể đáp ứng được nhu cầu. Hạn chế này bắt nguồn từ các đặc tính vốn có của silicon – sự cân bằng giữa việc tránh tổn thất ánh sáng quá mức trong khi vẫn duy trì độ dẫn điện đủ tạo ra những sự đánh đổi không thể tránh khỏi.
Công nghệ và vật liệu điều biến mới nổi
Những hạn chế của các bộ điều biến dựa trên silicon truyền thống đã thúc đẩy nghiên cứu về các vật liệu thay thế và công nghệ tích hợp. Màng mỏng lithium niobate đã trở thành một trong những nền tảng đầy hứa hẹn nhất cho thế hệ bộ điều biến mới.Bộ điều biến điện quang màng mỏng lithium niobateKế thừa những đặc tính ưu việt của lithium niobate khối, bao gồm: cửa sổ trong suốt rộng, hệ số điện quang lớn (r33 = 31 pm/V), hiệu ứng Kerrs của tế bào tuyến tính, có thể hoạt động trong nhiều dải bước sóng.
Những tiến bộ gần đây trong công nghệ màng mỏng lithium niobate đã mang lại những kết quả đáng chú ý, bao gồm bộ điều biến hoạt động ở tốc độ 260 Gbaud với tốc độ truyền dữ liệu 1,96 Tb/s mỗi kênh. Nền tảng này có những ưu điểm độc đáo như điện áp điều khiển tương thích CMOS và băng thông 3-dB là 100 GHz.
Ứng dụng công nghệ mới nổi
Sự phát triển của các bộ điều biến điện quang có liên quan mật thiết đến các ứng dụng mới nổi trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và trung tâm dữ liệu,bộ điều biến tốc độ caoCông nghệ điều biến rất quan trọng đối với thế hệ kết nối liên thông tiếp theo, và các ứng dụng điện toán AI đang thúc đẩy nhu cầu về các bộ thu phát cắm được 800G và 1.6T. Công nghệ điều biến cũng được ứng dụng trong: xử lý thông tin lượng tử, điện toán thần kinh, lidar sóng liên tục điều tần (FMCW), công nghệ photon vi sóng.
Đặc biệt, các bộ điều biến điện quang màng mỏng lithium niobate thể hiện thế mạnh trong các hệ thống xử lý tính toán quang học, cung cấp khả năng điều biến nhanh, tiêu thụ ít năng lượng, giúp tăng tốc các ứng dụng học máy và trí tuệ nhân tạo. Các bộ điều biến này cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp và phù hợp với các giao diện lượng tử-cổ điển trong các đường siêu dẫn.
Việc phát triển các bộ điều biến điện quang thế hệ tiếp theo đang đối mặt với một số thách thức lớn: Chi phí và quy mô sản xuất: các bộ điều biến niobat lithium màng mỏng hiện chỉ giới hạn ở sản xuất trên tấm wafer 150 mm, dẫn đến chi phí cao hơn. Ngành công nghiệp cần mở rộng kích thước wafer trong khi vẫn duy trì tính đồng nhất và chất lượng của màng. Tích hợp và đồng thiết kế: Sự phát triển thành công củabộ điều biến hiệu suất caoYêu cầu khả năng thiết kế hợp tác toàn diện, bao gồm sự cộng tác của các nhà thiết kế chip quang điện tử và điện tử, nhà cung cấp EDA, nhà sản xuất và chuyên gia đóng gói. Độ phức tạp trong sản xuất: Mặc dù các quy trình quang điện tử dựa trên silicon ít phức tạp hơn so với điện tử CMOS tiên tiến, nhưng để đạt được hiệu suất và năng suất ổn định cần có chuyên môn cao và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Được thúc đẩy bởi sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo và các yếu tố địa chính trị, lĩnh vực này đang nhận được sự đầu tư ngày càng tăng từ các chính phủ, ngành công nghiệp và khu vực tư nhân trên toàn thế giới, tạo ra những cơ hội mới cho sự hợp tác giữa giới học thuật và công nghiệp, đồng thời hứa hẹn sẽ đẩy nhanh quá trình đổi mới.
Thời gian đăng bài: 30/12/2024