Tiến độ nghiên cứu và thách thức của chip quang tử dựa trên silicon
Apr 22, 2024
Để lại lời nhắn
Chip quang tử dựa trên silicon sử dụng photon làm phương tiện truyền thông tin, có ưu điểm là băng thông cao, tốc độ cao, tích hợp cao và tương thích với quy trình CMOS và có giá trị ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Một chip quang tử dựa trên silicon hoàn chỉnh tích hợp nguồn sáng, ống dẫn sóng quang, bộ điều biến, bộ lọc, máy dò và các thiết bị khác, có thể thực hiện việc tạo, định tuyến, điều chế, xử lý và phát hiện ánh sáng và các chức năng này cùng nhau tạo thành một vòng quang học tương tự như một mạch tích hợp điện tử, để thực hiện việc truyền tải, kiểm soát và xử lý thông tin.
Theo MEMS Consulting, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Yang Jianyi và Phó nhà nghiên cứu Wang Yuehai của Trường Kỹ thuật Thông tin và Điện tử thuộc Đại học Chiết Giang đã giới thiệu các nền tảng vật liệu khác nhau của chip quang tử dựa trên silicon, đồng thời xem xét tiến trình nghiên cứu cũng như những thách thức của họ trong các lĩnh vực này. về truyền thông quang học và kết nối quang học, điện toán quang học, cảm biến sinh học, lidar trên chip và lượng tử quang học, và cuối cùng được tóm tắt. Nội dung nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí "Quang điện tử bán dẫn" với tiêu đề "Tiến trình nghiên cứu và thách thức của chip quang tử dựa trên silicon".
Nền tảng sản xuất chip quang tử dựa trên silicon
Hình 1 cho thấy dự báo giá trị thị trường của quang điện tử dựa trên silicon trong các kịch bản ứng dụng khác nhau của viện nghiên cứu thị trường Yole và quy mô thị trường của toàn bộ ngành quang điện tử dựa trên silicon ước tính đạt 1,1 tỷ USD vào năm 2026. Có nhiều nền tảng sản xuất khác nhau dành cho chip quang tử dựa trên silicon và sau đây là phần giới thiệu ngắn gọn về bốn nền tảng sản xuất thường được sử dụng: silicon trên chất cách điện (SOI), SiN, nhóm III.-V (GaAs và InP) và màng mỏng lithium niobate trên đế silicon.
Hình 1 ChợVnước lọcFdự đoán củaSdựa trên iiconPthuốc kích dụcIn Dkhác biệtAsự ứng dụng Skịch bản
Nền tảng SOI
SOI chỉ bao gồm silicon và silicon dioxide và là nền tảng vật liệu cơ bản cho chip quang tử dựa trên silicon. Cửa sổ trong suốt của vật liệu silicon có bước sóng 1270 ~ 1650 nm nên gần như trong suốt đối với ánh sáng trong dải truyền thông cáp quang. Để tạo thành một vòng quang, nhiều thành phần thụ động và chủ động cần được tích hợp trên nền tảng SOI.
Các thành phần thụ động không yêu cầu điều chế điện bên ngoài, chẳng hạn như ống dẫn sóng, bộ cộng hưởng vi vòng (MRR), giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI), cách tử, v.v., trong đó ống dẫn sóng là thiết bị cơ bản. Lõi và lớp bọc của ống dẫn sóng hình chữ nhật SOI lần lượt là silicon và silicon dioxide, đồng thời chiết suất của silicon và silica ở bước sóng 155{16}} nm lần lượt là khoảng 3,5 và 1,45. Các thành phần hoạt động bao gồm tia laser, bộ điều biến, máy dò, v.v. Về nguồn sáng, silicon là vật liệu có vùng cấm gián tiếp, hiệu suất phát sáng thấp, không thích hợp làm nguồn sáng nên cần kết hợp với các vật liệu khác như nguồn sáng pha tạp đất hiếm, nguồn sáng nhóm III.-V, Nguồn sáng nhóm IV, v.v. Bộ điều biến SOI thường sử dụng điều chế nhiệt hoặc điều chế phân tán sóng mang. Hình 2 cho thấy một máy dò germanium kiểu bánh sandwich có cấu trúc giống như bóng bán dẫn dạng vây (FinFET) do IHP ở Đức phát hành vào năm 2021, giúp giảm độ rộng vùng nội tại của germanium và sóng mang theo thời gian để đạt được băng thông lên tới 3 dB tại 265 GHz ở 1550 nm, vượt qua tất cả các máy dò tích hợp dựa trên silicon trước đây, với độ phản hồi 0,3 A/W và dòng điện tối hoạt động từ 100~200 nA.
Hình 2. Mặt cắt ngang của máy dò Germanium có cấu trúc FinFET
Ngoài ra, silicon còn có nhiều hiệu ứng phi tuyến phong phú, chẳng hạn như trộn bốn sóng, hiệu ứng Kerr, hiệu ứng phân tán sóng mang, v.v., có thể được sử dụng trong lược tần số quang, quang học lượng tử và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, khi công suất bơm cao, hiệu ứng hấp thụ hai photon và hấp thụ sóng mang tự do xảy ra trong silicon, dẫn đến tổn thất phi tuyến bổ sung.
TộiNền tảng
SiN được sử dụng để cách ly các bóng bán dẫn riêng lẻ trong quy trình CMOS của chip vi điện tử truyền thống và cũng được sử dụng làm vật liệu cổng cho một số loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường, có thể được sử dụng làm nền tảng bổ sung cho SOI. Cửa sổ lớn trong suốt của SiN và tổn thất truyền tải thấp (<1 dB/m) from the visible band of 400 nm to the near-infrared band of 2350 nm enable MRRs with a figure of merit (Q) of up to one million. The core layer and cladding layer of SiN waveguides are SiN and SiO₂, respectively, and SiN materials also have good nonlinear effects, which are widely used in on-chip nonlinear studies. The recently developed SiN-on-SOI platform combines the advantages of both SiN and SOI platforms, and has application prospects in the fields of nonlinear optics, filters, low-loss waveguides, and integrated optical gyroscopes.
III.-V.Fbạn thânPlưới
Vật liệu nhóm III.-V là nền tảng chế tạo chính cho các chip truyền thông quang học đời đầu. III.-V. các hợp chất, đặc biệt là gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), v.v., là các vật liệu vùng cấm trực tiếp tự nhiên, và đỉnh dải hóa trị và đáy dải dẫn của chúng ở cùng một vị trí trong không gian vectơ sóng k và sự tái hợp của các electron và lỗ trống không cần trao đổi động lượng, có hiệu suất lượng tử bên trong cao, có thể phát ra ánh sáng hiệu quả và có thể được sử dụng làm vật liệu khuếch đại cho nguồn laser. Sự tích hợp không đồng nhất của các nguồn laser lai bao gồm III.-V. vật liệu nhóm trên đế Si là một trong những cách để đạt được nguồn sáng trên đế silicon, nhưng sự tích hợp không đồng nhất làm tăng độ phức tạp của quy trình sản xuất. Hình 3 cho thấy một tia laser giếng lượng tử được bơm điện có bước sóng 1550 nm được phát triển trực tiếp trên đế silicon với công suất đầu ra liên tục tối đa là 18 mW ở nhiệt độ phòng vào năm 2019 do nhóm của Jonathan Klamkin tại Đại học California, Santa Barbara phát triển. Hình 4 cho thấy tia laser có thể điều chỉnh chấm lượng tử được phát triển trực tiếp trên đế silicon do nhóm của John E. Bowers tại Đại học California, Santa Barbara thực hiện trong cùng năm đó, với tỷ lệ loại bỏ chế độ cạnh lớn hơn 45 dB, phạm vi có thể điều chỉnh bước sóng 16 nm ở nhiệt độ phòng và công suất đầu ra lớn hơn 2,7 mW.
Hình 3 Sơ đồDbiểu tượng của mộtQuantumWtia laser
Hình 4 Sơ đồDbiểu tượng của mộtQuantumDồTkhông thểLaser
Ứng dụng vàChội trường củaSdựa trên iiconPnóng tínhChông
Quang họcCtruyền thông vàOquang họcIkết nối
Hiện tại, kịch bản ứng dụng chính của chip quang tử dựa trên silicon vẫn là truyền thông quang học. Chip quang tử dựa trên silicon có ưu điểm là tích hợp cao, ổn định tốt, tiêu thụ điện năng thấp và đặc tính điều chế pha tốt, không chỉ phù hợp để truyền dữ liệu đường dài mà còn rất phù hợp với yêu cầu khoảng cách ngắn và lớn. dung lượng truyền dữ liệu bên trong hoặc giữa các chip và là nền tảng kết nối quang và truyền thông quang học lý tưởng. Thông qua sự tích hợp nguyên khối của các mạch vi điện tử, chip quang tử dựa trên silicon có thể đạt được kết nối trên chip tốc độ cao, băng thông cao, năng lượng thấp, độ trễ thấp, đồng thời giảm số lượng thiết bị trên chip, tăng mật độ kết nối, và vượt qua những hạn chế của chip vi điện tử hiện nay trong việc kết nối dữ liệu.
Chip thu phát quang điện dựa trên silicon đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, có ý nghĩa to lớn trong truyền thông dữ liệu dung lượng lớn và nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong những năm gần đây. Truyền thông quang học cũng yêu cầu mảng chuyển mạch quang quy mô lớn. Số lượng kết nối truyền thông trong các trung tâm dữ liệu tăng gấp đôi sau mỗi 2,5 năm, dẫn đến nhu cầu kết nối tăng lên đáng kể, điều này có thể được đáp ứng bằng công nghệ đóng gói quang học. Ngoài ra, các photon có nhiều chiều về bước sóng, phân cực, chế độ, thời gian và các tài nguyên khác có thể được sử dụng, công nghệ ghép kênh đa chiều đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông sợi quang, kết hợp với chip tích hợp quang tử đa chiều dự kiến sẽ giải quyết được vấn đề mới khủng hoảng dung lượng của thông tin quang. Vào năm 2020, nhóm nghiên cứu của Yikai Su tại Đại học Shanghai Jiao Tong đã đề xuất sơ đồ ghép kênh/phân kênh đa chiều trên chip cho các tín hiệu phân cực chế độ bước sóng sử dụng cấu trúc bộ ghép ngược dựa trên các cách tử bước sóng dưới bước sóng xếp tầng (SWG), như trong Hình 5.
Hình.5. sơ đồDbiểu đồ của 8-kênhMsiêu chiềuMsự đa năngSkết cấu
Các chip kết nối quang và truyền thông quang học dựa trên silicon hiện đang phải đối mặt với ba thách thức lớn: (1) Nguồn sáng trên chip nền silicon. Các nguồn sáng trên chip có thể cải thiện khả năng tích hợp và hiệu quả sử dụng năng lượng của các mạng kết nối quang và vấn đề nguồn sáng là một thách thức lớn đối với toàn bộ công nghệ quang điện tử dựa trên silicon. Hiện tại, nguồn sáng trên chip nền silicon tương đối trưởng thành dựa trên vật liệu nhóm III.-V và laser nhóm III.-V được hiện thực hóa trên chip quang tử dựa trên silicon thông qua tích hợp lai hoặc tích hợp không đồng nhất. (2) Băng thông điều chế bị hạn chế do hiệu ứng phân tán sóng mang. Việc sử dụng các cơ chế điều chế mới, chẳng hạn như lithium niobate, được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề này. (3) Tích hợp quy mô lớn và đóng gói đáng tin cậy. Công nghệ đóng gói đồng thời hiện có thể được sử dụng để cải thiện khả năng tích hợp quy mô lớn.
Điện toán nhẹ
Trong những năm gần đây, các công nghệ như trí tuệ nhân tạo, mạng lưới thần kinh, xử lý giọng nói và nhận dạng hình ảnh đã phát triển nhanh chóng và các kịch bản phân tích và xử lý dữ liệu thời gian thực dung lượng lớn đã tạo ra nhu cầu khốc liệt về sức mạnh tính toán. Quá trình xử lý dữ liệu hiện tại dựa trên chip vi điện tử truyền thống, mặc dù công nghệ xử lý và sản xuất chip này đã trưởng thành nhưng do khiếm khuyết về cấu trúc nên băng thông nhỏ, tốc độ chậm và tiêu thụ điện năng lớn. Mạng lưới thần kinh quang học và điện toán hiệu năng cao dựa trên chip quang tử dựa trên silicon được kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề này.
Mạng nơ-ron nhân tạo có thể được sử dụng làm công cụ xử lý dữ liệu cho trí tuệ nhân tạo và các tính toán của chúng tập trung vào một số lượng lớn các phép toán ma trận, trong khi mạng nơ-ron quang học hầu như không tiêu thụ năng lượng trong các hoạt động này. Mạng thần kinh quang học chủ yếu bao gồm mạng thần kinh chuyển tiếp (FNN), mạng thần kinh tái phát (RNN) và mạng thần kinh tăng đột biến (SNN), có thể được triển khai bằng MZI hoặc MRR.
Mặc dù chip quang tử dựa trên silicon có tiềm năng ứng dụng lớn trong mạng điện toán và mạng thần kinh, mặc dù chúng vượt trội hơn so với chip vi điện tử truyền thống về tốc độ tính toán và mức tiêu thụ điện năng, nhưng chúng vẫn có những thiếu sót trong việc triển khai toàn quang các chức năng kích hoạt phi tuyến của mạng thần kinh, thuật toán tích hợp và kết hợp của chip quang tử.
Cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là thiết bị có thể chuyển đổi thông tin về cấu trúc phân tử như protein và axit nucleic thành âm thanh, ánh sáng, điện và các tín hiệu khác và được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán sinh học, khám phá thuốc, khoa học đời sống và các lĩnh vực nghiên cứu khác. Cảm biến sinh học quang học dựa trên silicon sử dụng sự tương tác giữa các phân tử sinh học và trường ánh sáng để thay đổi pha, cường độ, bước sóng và các thông số khác của ánh sáng, đồng thời sử dụng chuyển đổi quang điện để chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nhằm thu được thông tin cấu trúc của các phân tử sinh học, có ưu điểm là độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu điện từ mạnh, tích hợp đa chức năng tiện lợi và linh hoạt mạnh mẽ. Theo các nguyên tắc cảm biến khác nhau, cảm biến sinh học dựa trên silicon có thể được chia thành cảm biến sinh học dựa trên sự thay đổi chiết suất, cảm biến sinh học dựa trên công nghệ huỳnh quang và cảm biến sinh học dựa trên tán xạ Raman. Cảm biến sinh học dựa trên sự thay đổi chiết suất sử dụng sóng lệch của ống dẫn sóng và sự tương tác giữa sóng lệch và dung dịch cần đo sẽ làm thay đổi chiết suất của lớp bọc, sau đó thay đổi chiết suất hiệu dụng và pha của sóng ánh sáng trong ống dẫn sóng. MZI và MRR được sử dụng làm ví dụ để giới thiệu nguyên lý của cảm biến sinh học này. MZI là một cảm biến sinh học giao thoa kế, một cánh tay tương tác với dung dịch khi làm việc và độ lệch pha của hai cánh tay thay đổi theo dung dịch cần đo và có thể thu được thông tin của chất cần đo bằng cách phát hiện phổ truyền được hình thành bởi sự can thiệp của hai cánh tay ở đầu ra.
nắp
LiDAR là công nghệ phát hiện hướng và tốc độ của mục tiêu bằng cách phát ra chùm tia laser và có các ứng dụng quan trọng trong lái xe tự động, hình ảnh ba chiều và các lĩnh vực khác. Lidar truyền thống áp dụng phương pháp lái cơ học, có nhược điểm là cấu trúc phức tạp, dễ mài mòn và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ rung. LiDAR dựa trên silicon sử dụng mảng pha quang học trạng thái rắn (OPA) để khắc phục những vấn đề này. OPA là một phần quan trọng của lidar trên đế silicon, chịu trách nhiệm tạo và phát tín hiệu phát hiện và bao gồm bốn phần: nguồn laser, bộ tách chùm, bộ dịch pha và bộ phát, có thể được sử dụng trong giao tiếp, phát hiện, hình ảnh trong không gian tự do , cảm biến sinh học và các lĩnh vực khác. Các số liệu của OPA chủ yếu bao gồm trường nhìn (FOV), độ rộng chùm tia, loại bỏ búp sóng bên, tốc độ điều chế, mức tiêu thụ điện năng, v.v. trong đó FOV xác định phạm vi định dạng chùm tia và điều hướng, còn độ rộng chùm tia đo kích thước của điểm truyền hoặc nhận OPA .
.
Hình 6 Sơ đồ OPA 1D và OPA 2D
Quang họcQuantum
Chip lượng tử quang học sử dụng các dẫn sóng để dẫn hướng các photon, cung cấp các mạch lượng tử ổn định pha với các chức năng cốt lõi, bao gồm tạo trạng thái lượng tử, thao tác và phát hiện photon đơn. So với quang học máy tính để bàn truyền thống, chip lượng tử quang học sử dụng thư viện thiết bị thụ động, tổn hao thấp, đa chiều và dễ điều khiển trên nền tảng quang tử dựa trên silicon, thuận tiện cho việc tích hợp quy mô lớn và dự kiến sẽ thực hiện xử lý thông tin lượng tử quy mô lớn với hàng trăm hoặc hàng nghìn photon, có thể nhanh chóng thúc đẩy ứng dụng thực tế của công nghệ lượng tử quang học. Trong những năm gần đây, chip lượng tử quang học đã phát triển nhanh chóng, dự kiến sẽ thúc đẩy sự phát triển của điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử, cảm biến lượng tử, mô phỏng lượng tử và khoa học cơ bản. Nguồn sáng lượng tử có những ứng dụng quan trọng trong truyền thông lượng tử, điện toán lượng tử và các lĩnh vực khác, và được chia thành các nguồn photon đơn, nguồn trạng thái vướng víu và nguồn sáng biến đổi liên tục. Các nguồn photon đơn trên chip có thể được triển khai bằng cách sử dụng ống dẫn sóng silicon hoặc trộn bốn sóng tự phát (SFWM) trong MRR. SFWM là hiệu ứng phi tuyến bậc ba biến đổi hai photon bơm thành một cặp photon tín hiệu vướng víu tần số và photon tần số nhàn rỗi, đồng thời các cặp photon có thể được sử dụng để dự đoán nguồn photon đơn lẻ sau khi gỡ rối.
Hình 7Wđánh đậpPnguyên tắc vàScụ thểScấu trúc của XanaduOquang họcQuantumCtính toánChông
Sự phát triển của chip lượng tử quang học dựa trên silicon cũng phải đối mặt với nhiều vấn đề và thách thức: (1) nhu cầu về mạng chuyển mạch quang nhanh và tổn thất thấp. Việc xử lý một số lượng lớn các photon đơn trong thời gian ngắn đòi hỏi phải ghép kênh và phân kênh các nguồn photon đơn lẻ, và gần đây các công tắc LN, Si-LN và Si-barium titanate đã cho thấy những ứng dụng đầy hứa hẹn về vấn đề này. (2) Một chip lượng tử quang học tích hợp đầy đủ nguồn sáng lượng tử, vòng lặp và máy dò vẫn chưa được hiện thực hóa và thách thức nằm ở việc loại bỏ ánh sáng bơm và thao tác ở nhiệt độ thấp đối với các photon. MRR xếp tầng và MZI có tỷ lệ loại bỏ lên tới 100 dB đã được báo cáo, dự kiến sẽ giải quyết được thách thức đầu tiên, dự kiến sẽ được giải quyết bằng công tắc Si-barium titanate hoạt động ở nhiệt độ thấp. (3) Cách cải thiện hơn nữa hiệu suất của MBQC cũng như cách khắc phục lỗi và sự biến đổi trong quá trình sản xuất quy mô lớn. Kết hợp với khả năng lập trình cao của chip lượng tử quang học và thuật toán học máy, nó được kỳ vọng sẽ bù đắp cho những khiếm khuyết trong sản xuất. Sự phát triển của chip lượng tử quang học có liên quan chặt chẽ đến công nghệ quang điện tử dựa trên silicon và hiệu suất chính của mạch lượng tử quang học cần được thúc đẩy bởi các vật liệu mới, quy trình tích hợp và đóng gói tiên tiến. Để đáp ứng những thách thức của nhu cầu thị trường và lượng tử quang tích hợp, cần có cách tiếp cận phối hợp, đầu tư vào phát triển các thành phần và chuỗi cung ứng nền tảng tích hợp quang tử mới, đồng thời thiết lập cơ sở hạ tầng tích hợp lai và không đồng nhất.
Gửi yêu cầu