Chip mới có thể bắn hàng nghìn tia laser vào không gian
Các “cú nhảy trượt tuyết” tí hon của ánh sáng đang mở ra cách kết nối chip với thế giới bên ngoài.
Các nhà nghiên cứu tại MIT vừa công bố một bước đột phá trong giao diện quang học trên chip, cho phép ánh sáng đi trực tiếp từ mạch quang tử ra không gian tự do. Công nghệ này hứa hẹn tạo ra bước tiến lớn trong các lĩnh vực như cảm biến quang học, màn hình hiển thị, truyền thông, điện toán và công nghệ lượng tử.
Vấn đề cũ và giải pháp mới
Hiện nay, các phương pháp quét tia laser trên chip thường gặp hạn chế:
- Quang học nhiễu xạ: dễ mở rộng nhưng chất lượng chùm tia kém.
- Máy quét cơ học: cho chùm tia chất lượng cao nhưng khó tích hợp và mở rộng.
Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã phát triển giải pháp “photonic skijump” – một ống dẫn sóng nano đặt trên dầm áp điện, có thể bẻ cong và phát tia laser ra ngoài chip. Những cấu trúc này trông như những “cú nhảy trượt tuyết” phát sáng, cho phép phát và điều khiển đồng thời hàng nghìn chùm tia.
Ứng dụng tiềm năng
- Màn hình siêu nhỏ: nhóm đã trình diễn hình ảnh full-color có kích thước chỉ bằng nửa hạt muối, mở ra khả năng ứng dụng trong kính AR và màn hình siêu gọn.
- Điện toán lượng tử: các tia laser có thể điều khiển qubit kim cương, hướng tới nền tảng lượng tử có thể mở rộng.
- Lidar và in 3D: chip có thể trở thành động cơ quang học siêu nhỏ cho robot, hoặc tăng tốc in 3D bằng laser.
Công nghệ chế tạo
Các cấu trúc “skijump” được tạo từ hai lớp vật liệu khác nhau – silicon nitride và aluminum nitride – có tốc độ co giãn khác nhau khi làm lạnh, khiến chúng cong lên khỏi bề mặt chip. Đây là bước đột phá trong chế tạo, kết hợp hai công nghệ vốn tách biệt trước đây.
Chip có diện tích chưa tới 0,1 mm² nhưng có thể phát chùm tia quang phổ rộng, ổn định ở tần số kilohertz, và đạt tốc độ quét nhanh gấp 50 lần so với gương cơ học hiện đại. Đặc biệt, công nghệ này được sản xuất trong quy trình CMOS tiêu chuẩn, đảm bảo khả năng mở rộng.
Tương lai
Ngoài màn hình và lượng tử, nhóm nghiên cứu dự định thử nghiệm độ bền của hệ thống và mở rộng sang các ứng dụng mới như lab-on-chip hay robot quang học siêu nhỏ.
Như lời nhà nghiên cứu Henry Wen: “Trên chip, ánh sáng đi trong dây dẫn, nhưng trong thế giới tự do, ánh sáng đi bất cứ đâu. Với nền tảng mới này, chúng tôi có thể tạo ra hàng nghìn tia laser có thể tương tác trực tiếp với thế giới bên ngoài chỉ trong một lần phát.”