Tương lai của bộ điều biến quang điện

Tương lai củabộ điều biến quang điện

Bộ điều biến quang điện 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 tình hình hiện tại, những đột phá mới nhất và sự phát triển trong tương lai của công nghệ bộ điều biến quang điện.

Hình 1: So sánh hiệu suất của cácbộ điều biến quang họccông nghệ, bao gồm lithium niobat màng mỏng (TFLN), bộ điều biến hấp thụ điện III-V (EAM), bộ điều biến gốc silicon và polymer về mặt suy hao chèn, băng thông, mức tiêu thụ điện năng, kích thước và năng lực 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 các hệ thống truyền thông quang học trong nhiều năm. Dựa trên hiệu ứng tán sắc plasma, các thiết bị này đã có những tiến bộ đáng kể trong 25 năm qua, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu lên gấp ba lần. 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/giây, và thậm chí hơn 300 Gb/giây với điều chế PAM8.

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

Công nghệ và vật liệu điều biến mới nổi

Những hạn chế của các bộ điều biến silicon truyền thống đã thúc đẩy nghiên cứu về vật liệu thay thế và công nghệ tích hợp. Niobate lithium màng mỏng đã trở thành một trong những nền tảng đầy hứa hẹn cho thế hệ bộ điều biến mới.Bộ điều biến quang điện màng mỏng lithium niobatethừa hưởng những đặc tính tuyệt vời của lithium niobat dạng 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 lithium niobate màng mỏng đã mang lại những kết quả đáng chú ý, bao gồm bộ điều biến hoạt động ở 260 Gbaud với tốc độ dữ liệu 1,96 Tb/giây trên mỗi kênh. Nền tảng này có những ưu điểm độc đáo như điện áp điều khiển tương thích CMOS và băng thông 3 dB lên đến 100 GHz.

Ứng dụng công nghệ mới nổi

Sự phát triển của 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 cho thế hệ kết nối tiếp theo, và các ứng dụng điện toán AI đang thúc đẩy nhu cầu về bộ thu phát cắm được 800G và 1,6T. Công nghệ điều biến cũng được áp dụng cho: xử lý thông tin lượng tử, điện toán hình thái thần kinh, công nghệ photon vi sóng lidar, sóng liên tục điều chế tần số (FMCW).

Đặc biệt, các 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 biến nhanh với công suất thấp, 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 giao diện lượng tử-cổ điển trong các đường dây siêu dẫn.

Việc phát triển các bộ điều biến quang điện thế hệ tiếp theo đang đối mặt với một số thách thức lớn: Chi phí sản xuất và quy mô: các bộ điều biến lithium niobate màng mỏng hiện đang bị giới hạn ở kích thước 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 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 hợp tác giữa các nhà thiết kế chip quang điện tử và điện tử, nhà cung cấp EDA, nhà sản xuất linh kiện và chuyên gia đóng gói. Độ phức tạp trong sản xuất: Mặc dù quy trình quang điện tử dựa trên silicon ít phức tạp hơn so với thiết bị điện tử CMOS tiên tiến, nhưng việc đạt được hiệu suất và năng suất ổn định đòi hỏi chuyên môn đáng kể và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Nhờ sự bùng nổ của AI và các yếu tố địa chính trị, lĩnh vực này đang nhận được ngày càng nhiều đầu tư 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 học viện và ngành công nghiệp và hứa hẹn sẽ thúc đẩy sự đổi mới.