Thành tựu này mở ra thế hệ mới của các mạch tích hợp quang tử (PICs) siêu hiệu quả và siêu ổn định, hứa hẹn ứng dụng trong đồng hồ quang học, con quay hồi chuyển, truyền thông dữ liệu cho AI trong trung tâm dữ liệu, và thậm chí cả máy tính lượng tử.

Sợi quang kết nối thế giới số của chúng ta nhờ khả năng truyền dữ liệu gần như không tổn hao. Được chế tạo từ thủy tinh siêu tinh khiết và bề mặt cực mịn, ánh sáng đi vào một đầu sợi sẽ gần như toàn bộ đến được đầu kia mà không bị hấp thụ hay tán xạ. Đây chính là hiệu suất “siêu thấp tổn hao” mà giới nghiên cứu luôn muốn tái tạo trên chip.

Giáo sư Kerry Vahala (Caltech) cho biết: “Chúng tôi đã phát triển phương pháp in mạch quang, làm từ cùng vật liệu với sợi quang, trực tiếp trên wafer 8 và 12 inch vốn dùng cho chip máy tính. Điều này giúp mang lại hiệu suất giống sợi quang ngay trên chip, đặc biệt ở dải khả kiến.”

Nhóm nghiên cứu sử dụng germano-silicate – loại thủy tinh dùng trong sợi quang – và áp dụng quy trình quang khắc để tạo ra các waveguide (đường dẫn ánh sáng ở cấp độ nano). Các waveguide được bố trí theo dạng xoắn ốc, tương tự cuộn sợi quang nhưng gọn hơn nhiều nhờ công nghệ nano.

Điểm nổi bật:

• Vật liệu này cho phép truyền ánh sáng với tổn hao cực thấp.
• Có thể kết nối hiệu quả với sợi quang và laser bán dẫn, giảm chi phí năng lượng cho hạ tầng máy chủ.
• Ở bước sóng khả kiến, nền tảng mới vượt silicon nitride – vật liệu vốn được dùng phổ biến – tới 20 lần về hiệu suất.

Nhờ nhiệt độ nóng chảy thấp, các waveguide có thể được đưa vào lò để “tái chảy” bề mặt, làm mịn đến mức nguyên tử, từ đó giảm mạnh hiện tượng tán xạ ánh sáng.

Tổn hao ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thiết bị quang. Với nền tảng mới:

• Các laser chế tạo trên chip có độ duy trì tính kết hợp ánh sáng cao hơn gấp 100 lần so với thế hệ trước.
• Hỗ trợ nhiều thao tác quang học quan trọng, mở đường cho cảm biến nguyên tử, đồng hồ quang học và hệ thống ion-trap ở quy mô chip.

Ví dụ, trong vòng cộng hưởng quang học – thiết bị cơ bản trong truyền dữ liệu – ánh sáng có thể lưu thông lâu hơn nhờ tổn hao thấp, từ đó tăng hiệu suất và độ ổn định của laser.

Khả năng chế tạo waveguide siêu thấp tổn hao ở dải khả kiến mang tính “dao đa năng”, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

• Vòng cộng hưởng quang học.
• Các loại laser khác nhau.
• Bộ cộng hưởng phi tuyến tạo ra phổ tần đa dạng.

Giáo sư Vahala nhấn mạnh: “Chúng tôi mới chỉ bắt đầu, nhưng đã đạt được tiến bộ đáng kể trong 5 năm qua. Đây là nền tảng cho nhiều công nghệ quang tử tương lai.”