Tương lai của bộ điều biến quang điện

Tương lai củabộ điều biến quang điện

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 tính chất của ánh sáng. Bài viết này thảo luận về hiện trạng, bước đột phá mới nhất và sự phát triển trong tương lai của công nghệ điều chế điện quang

Hình 1: So sánh hiệu suất của các loại khác nhaubộ điều biến quangcác công nghệ, bao gồm lithium niobate màng mỏng (TFLN), bộ điều biến hấp thụ điện III-V (EAM), bộ điều biến dựa trên silicon và polymer về tổn thất chèn, băng thông, mức tiêu thụ điện năng, kích thước và công suất sản xuất.

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

Bộ điều biến ánh sáng quang điện dựa trên silicon đã là nền tảng của hệ thống truyền thông quang học trong nhiều năm. Dựa trên hiệu ứng phân tán plasma, các thiết bị như vậy đã đạt được tiến bộ đáng kể trong 25 năm qua, 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 cấp (PAM4) lên tới 224 Gb/s và thậm chí hơn 300 Gb/s với điều chế PAM8.

Tuy nhiên, bộ điều biến dựa trên silicon gặp phải những hạn chế cơ bản xuất phát từ đặc tính vật liệu. Khi các bộ thu phát quang yêu cầu tốc độ truyền trên 200+ Gbaud thì băng thông của các thiết bị này khó đáp ứng được nhu cầu. Hạn chế này bắt nguồn từ các đặc tính vốn có của silicon – sự cân bằng giữa việc tránh mất ánh sáng quá mức trong khi vẫn duy trì đủ độ dẫn sẽ tạo ra những sự đánh đổi không thể tránh khỏi.

Công nghệ và vật liệu điều biến mới nổi

Những hạn chế của bộ điều biến dựa trên silicon truyền thống đã thúc đẩy nghiên cứu về các vật liệu thay thế và công nghệ tích hợp. Lithium niobate màng mỏng đã trở thành một trong những nền tảng hứa hẹn nhất cho thế hệ bộ điều biến mới.Bộ điều biến điện quang lithium niobate màng mỏngkế thừa các đặc tính tuyệt vời của lithium niobate số lượng lớn, bao gồm: cửa sổ trong suốt rộng, hệ số quang điện lớn (r33 = 31 pm/V) tế bào tuyến tính Hiệu ứng Kerrs có thể hoạt động ở nhiều dải bước sóng

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ lithium niobate màng mỏng đã mang lại những kết quả đáng chú ý, bao gồm một bộ điều biến hoạt động ở tốc độ 260 Gbaud với tốc độ dữ liệu 1,96 Tb/s trên mỗi kênh. Nền tảng này có những ưu điểm độc đáo như điện áp ổ đĩa tương thích với CMOS và băng thông 3 dB ở tần số 100 GHz.

Ứng dụng công nghệ mới nổi

Sự phát triển của bộ điều biến điện quang 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 còn được áp dụng cho: Xử lý thông tin lượng tử Điện toán biến đổi thần kinh Công nghệ photon vi sóng điều chế tần số liên tục (FMCW)

Đặc biệt, bộ điều biến điện quang lithium niobate màng mỏng thể hiện sức mạnh trong các động cơ xử lý tính toán quang học, cung cấp khả năng điều chế nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp giúp tăng tốc các ứng dụng học máy và trí tuệ nhân tạo. Những bộ điều biến như vậy cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp và phù hợp với các giao diện lượng tử-cổ điển trong các dây chuyền siêu dẫn.

Sự phát triển của bộ điều biến điện quang thế hệ tiếp theo phải đối mặt với một số thách thức lớn: Chi phí và quy mô sản xuất: bộ điều biến lithium niobate màng mỏng hiện bị giới hạn ở sản xuất 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 caođòi hỏi khả năng đồng thiết kế toàn diện, bao gồm sự cộng tác của các nhà thiết kế chip điện tử và quang điện tử, nhà cung cấp EDA, đài phun nước 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 thiết bị điện tử CMOS tiên tiến, nhưng để đạt được hiệu suất và năng suất ổn định đòi hỏi phải có kiến ​​thức chuyên môn đáng kể và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Được thúc đẩy bởi sự bùng nổ AI 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 cơ hội hợp tác mới giữa giới học thuật và ngành công nghiệp, đồng thời hứa hẹn sẽ thúc đẩy đổi mới.