Mạch tích hợp quang học

Mạch tích hợp quang học

Công nghệ mạch tích hợp quang học

Công nghệ Mạch tích hợp Quang học (còn được biết đến là PIC) là một mạch tích hợp phức tạp kết hợp nhiều thiết bị quang học thành một mạch quang học duy nhất. Sự khác biệt chính giữa PIC và Mạch tích hợp Điện tử là PIC tương tự như Mạch tích hợp Điện tử. Nhiều thiết bị quang học như bộ khuếch đại quang, bộ phân đa kênh, bộ phân đa kênh ngược, máy laser quang học, máy giảm tín hiệu và cảm biến cũng được tích hợp vào một Mạch tích hợp Quang học. Đối với việc vận hành của một thiết bị như vậy ở quy mô lớn, hàng nghìn thiết bị quang học sẽ được tích hợp vào thiết bị.

Trong một PIC, tín hiệu được gửi đi bằng cách đặt chúng lên các bước sóng thường nằm trong khoảng giữa phổ quang và hồng ngoại. Phổ thông thường là từ 800 nanômét đến 1700 nanômét.

Năm 2005, trong quá trình phát triển ánh sáng laser thông qua silic trong một mạch tích hợp điện tử, đã xảy ra một vấn đề với nhiễu lượng tử, làm ngăn chặn quá trình phát sinh. Vấn đề này đã dễ dàng được vượt qua bằng một mạch tích hợp quang học, mà dễ dàng tạo ra ánh sáng laser và thậm chí ở băng thông cao hơn, trong một môi trường duy nhất trên mạch. Do đó, giá trị của PIC đã được nhận thức.

Khám phá những khả năng tiên tiến của công nghệ Mạch tích hợp Quang học, tích hợp mượt mà các yếu tố quang học để đẩy mạnh các ứng dụng trong viễn thông, cảm biến, và công nghệ lượng tử.

Mạch tích hợp quang học (PIC) so với Mạch tích hợp điện tử

Sự khác biệt chính giữa Mạch tích hợp Quang học (PIC) và Mạch tích hợp Điện tử nằm ở loại vật liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất. Trong trường hợp của Mạch tích hợp Điện tử, vật liệu phổ biến nhất được sử dụng là silic. Tuy nhiên, đối với PIC, vật liệu sản xuất chủ yếu phụ thuộc vào mục đích của thiết bị. Điều này có nghĩa là vật liệu sẽ phụ thuộc vào chức năng mà thiết bị đó muốn tích hợp. Các vật liệu phổ biến nhất được sử dụng cho quá trình sản xuất bao gồm sự kết hợp của silic trên silic, silic trên cách điện, và nhiều loại vật liệu khác nữa. Ngoài các hỗn hợp này, thậm chí còn sử dụng một số loại polymer và vật liệu bán dẫn để tạo ra laser, như làm laser bán dẫn như Gallium Arsenide [GaAs] và Indium Phosphide [InP]. Điều này cho phép PIC linh hoạt chọn lựa vật liệu để đáp ứng các chức năng quang học tích hợp đa dạng.

Cả hai thiết bị đều sử dụng phương pháp chế tạo giống nhau với phôi quang, nhưng điểm khác biệt chủ yếu nằm ở thiết bị chính được sử dụng. Trong mạch tích hợp điện tử, transistor chiếm vị trí chủ đạo, trong khi Mạch tích hợp Quang học không có thiết bị chủ lực cụ thể. Chế tạo PIC liên quan đến nhiều thiết bị khác nhau như bộ khuếch đại quang, bộ lọc, waveguide kết nối hiệu suất cao-thấp mất, cảm biến, máy phân phối năng lượng, điều chế và máy laser. Gần đây, phương pháp nhiễu sáng cảm ứng quang học đã phát triển, giúp chế tạo LED tia tử ngoại (UV) hiệu quả chi phí, đồng thời giải quyết những thách thức trong tính toán quang học. Các Phương Pháp Tích Hợp Quang Học

Có chủ yếu hai loại phương pháp tích hợp quang học:

Tích Hợp Quang Học Hỗn Hợp (Hybrid Photonic Integration): Trong phương pháp này, vi mạch tích hợp phát triển sẽ được đóng gói trong một gói duy nhất. Gói này sẽ bao gồm nhiều thiết bị quang học được sử dụng cho cùng một chức năng. Nhờ vào ưu điểm này, nhiều Vi mạch tích hợp (IC) được tạo ra thông qua phương pháp này để kết hợp nhiều thiết bị quang học tích hợp.
Tích Hợp Quang Học Đồng Mảnh (Monolithic Photonic Integration): Trong phương pháp này, nhiều thiết bị quang học có các chức năng khác nhau được kết hợp để tạo thành một IC duy nhất. Chế tạo của một thiết bị như vậy khó khăn vì cần sử dụng nhiều vật liệu chế tạo. Tất cả các vật liệu này phải được chế tạo để xây dựng và tích hợp vào một chất liệu chung. Do đó, nhiều chức năng có thể được thực hiện trên một vi môcụm duy nhất.

Các Ứng Dụng của Mạch Tích Hợp Quang Học

Mạch Tích Hợp Quang Học (PICs) có ứng dụng rộng rãi trong truyền thông quang học, đặc biệt là trong việc tạo ra Laser Được Modul hóa Tại Bên Ngoài (EML). Những EML này tích hợp một đèn laser phản hồi phân tán với một bộ điều chế hấp thụ điện trên một vi môcụm chất liệu Indium-Phosphide [InP] duy nhất.

Công nghệ này đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống truyền thông quang học sử dụng phương pháp chia bước sóng (Wavelength Division Multiplexing - WDM), đặc biệt là trong việc phát triển lưới đều sóng dẫn hướng (Arrayed Waveguide Gratings - AWGs) thông qua công nghệ này.

AWGs thường được sử dụng như là bộ chia và ghép đa cực quang học, đóng góp đáng kể vào việc tăng cường hiệu suất truyền thông.

Ngoài việc ứng dụng trong truyền thông, PICs thể hiện tính linh hoạt trong các ứng dụng y sinh và máy tính quang học. Sự tích hợp của chúng trong cảm biến quang học và đo lường quang học mở rộng khả năng sử dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Những ứng dụng đa dạng này của công nghệ này là minh chứng cho vai trò quan trọng của nó trong việc đẩy mạnh các hệ thống truyền thông, công nghệ cảm biến và các phương pháp tính toán sáng tạo.

Ưu Điểm của Mạch Tích Hợp Quang Học

Việc sử dụng các thiết bị quang học giúp hệ thống trở nên rời rạc, nhỏ gọn hơn và đồng thời cung cấp hiệu suất cao.

Chip cũng có thể được tích hợp với các mạch điện tử cơ bản, điều này làm cho nó có thể áp dụng cho nhiều chức năng khác nhau.

Mặc dù hiếm gặp, PIC có thể bị ảnh hưởng do hiệu ứng dòng neutron và gây mất một số chức năng. Tuy nhiên, không có vấn đề như mạch tích hợp điện tử khi bị tác động của xung điện từ [EMP].