Tương lai của bộ điều biến quang điện

Tương lai củaBộ điều biến quang điện

Các bộ điều biến quang điện đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống quang điện tử hiện đại, đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ giao tiếp đến điện toán lượng tử bằng cách điều chỉnh các tính chất của ánh sáng. Bài viết này thảo luận về tình trạng hiện tại, đột phá mới nhất và phát triển trong tương lai của công nghệ điều chế quang điện

Hình 1: So sánh hiệu suất của các khác nhauBộ điều biến quang họcCác công nghệ, bao gồm các bộ điều biến hấp thụ điện (TFLN), bộ điều biến hấp thụ điện III-V (EAM), bộ điều biến dựa trên silicon và polymer về mất chèn, băng thông, tiêu thụ năng lượng, kích thước và năng lực sản xuất.

Bộ điều biến quang điện quang dựa trên silicon truyền thống và những hạn chế của chúng

Bộ điều biến ánh sáng quang điện dựa trên silicon đã là cơ sở của các hệ thống truyền thông quang trong nhiều năm. Dựa trên hiệu ứng phân tán plasma, các thiết bị như vậy đã đạt được tiến bộ đáng chú ý trong 25 năm qua, tăng tốc độ truyền dữ liệu theo ba bậc độ lớn. Các bộ điều biến dựa trên silicon hiện đại có thể đạt được điều chế biên độ xung 4 cấp (PAM4) lên tới 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 các tính chất vật liệu. Khi các bộ thu phát quang yêu cầu tốc độ BAUD hơn 200 GBaud, băng thông của các thiết bị này rất khó đáp ứng nhu cầu. Hạn chế này bắt nguồn từ các tính chất vốn có của silicon - sự cân bằng của việc tránh mất ánh sáng quá mức trong khi duy trì độ dẫn đủ tạo ra 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. Phim mỏng lithium niobate đã trở thành một trong những nền tảng hứa hẹn nhất cho một thế hệ điều biến mới.Bộ điều biến quang điện lithium màng mỏngkế thừa các đặc điểm tuyệt vời của niobate lớn, bao gồm: cửa sổ trong suốt rộng, hệ số điện tử lớn (R33 = 31 pm/v) Hiệu ứng KERRS tuyến tính có thể hoạt động trong nhiều phạm vi bước sóng

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ lithium niobate màng mỏng đã mang lại kết quả đáng chú ý, bao gồm một bộ điều biến hoạt động ở mức 260 GBAUD với tốc độ dữ liệu là 1,96 TB/s mỗi kênh. Nền tảng này có những ưu điểm độc đáo như điện áp ổ đĩa 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 quang điện có liên quan chặt chẽ 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 caorất quan trọng đối với thế hệ kết nối tiếp theo và các ứng dụng điện toán AI đang thúc đẩy nhu cầu về bộ thu phát có thể cắm 800g và 1.6T. Công nghệ điều biến cũng được áp dụng cho: Xử lý thông tin lượng tử Tần số Máy tính thần kinh Tần suất điều chế sóng liên tục (FMCW)

Cụ thể, các bộ điều biến quang quang lithium niobate màng mỏng cho thấy sức mạnh trong các công cụ xử lý tính toán quang học, cung cấp điều chế công suất thấp nhanh để tăng tốc các ứng dụng học máy và trí tuệ nhân tạo. Các bộ điều biến như vậy cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp và phù hợp cho các giao diện cổ điển lượng tử trong các đường siêu dẫn.

Sự phát triển của các bộ điều biến quang điện thế hệ tiếp theo phải đối mặt với một số thách thức lớn: chi phí sản xuất và quy mô: bộ điều biến lithium niobate màng mỏng hiện bị giới hạn trong việc sản xuất wafer 150 mm, dẫn đến chi phí cao hơn. Ngành công nghiệp cần mở rộng kích thước wafer trong khi duy trì tính đồng nhất và chất lượng phim. Tích hợp và đồng thiết kế: Sự phát triển thành công củaBộ điều biến hiệu suất caoYêu cầu các khả năng đồng thiết kế toàn diện, liên quan đến sự hợp tác của các nhà thiết kế quang điện tử và chip điện tử, nhà cung cấp EDA, Founts và các chuyên gia đóng gói. Độ phức tạp của sản xuất: Mặc dù các quy trình quang điện tử dựa trên silicon ít phức tạp hơn so với điện tử CMOS tiên tiến, việc đạt được hiệu suất ổn định và năng suất đòi hỏi phải tối ưu hóa quy trình sản xuất và chuyên môn đáng kể.

Được thúc đẩy bởi các yếu tố bùng nổ và địa chính trị của AI, lĩnh vực này đang nhận được sự đầu tư tăng từ các chính phủ, ngành công nghiệp và khu vực tư nhân trên toàn thế giới, tạo ra những cơ hội mới để hợp tác giữa học viện và công nghiệp và hứa hẹn sẽ tăng tốc đổi mới.