Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ California (Caltech, Hoa Kỳ) đã tạo ra các ống dẫn sóng quang học có mức độ tổn hao cực thấp trên chip silic, đạt hiệu năng tiệm cận sợi quang và vượt trội đáng kể so với công nghệ hiện có ở vùng ánh sáng khả kiến. Bước đột phá, được công bố trên tạp chí Nature, có thể mở đường cho laser mạnh hơn, cảm biến và đồng hồ nguyên tử thu nhỏ, hệ thống lượng tử và trung tâm dữ liệu tiết kiệm năng lượng hơn.

Sợi quang là thiết bị rất phổ biến và là hạ tầng kết nối thế giới số, cho phép truyền dữ liệu gần như tức thời trên khoảng cách lớn. Hiệu năng này phần lớn đến từ loại thủy tinh cực kỳ tinh khiết và bề mặt siêu nhẵn của sợi; khi ánh sáng đi vào một đầu, gần như toàn bộ tín hiệu có thể truyền tới đầu kia mà ít bị hấp thụ, tán xạ hoặc thất thoát. Tái tạo mức tổn hao cực thấp đó trên chip là một thách thức lớn, đặc biệt ở vùng bước sóng khả kiến.

Nghiên cứu do nhóm của Giáo sư Kerry Vahala thực hiện, với nghiên cứu viên chính là tiến sĩ Hao-Jing Chen và nghiên cứu sinh Kellan Colburn. Để tạo các ống dẫn sóng - những đường dẫn ánh sáng ở cấp nano trên chip - nhóm sử dụng thủy tinh germano-silicate, cũng là vật liệu dùng trong sợi quang, thông qua quy trình chế tạo dựa trên quang khắc và tương thích với sản xuất bán dẫn. Các ống dẫn sóng được bố trí theo hình xoắn ốc để kéo dài đường truyền quang học, tương tự cuộn ánh sáng quanh một ống sợi nhưng chiếm diện tích nhỏ hơn nhiều nhờ công nghệ chế tạo nano.

Một yếu tố then chốt của bước đột phá là nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp của vật liệu, cho phép nung chảy lại bề mặt ống dẫn sóng để làm nhẵn tới cấp độ gần nguyên tử. Các thiết bị chế tạo trên nền tảng mới đạt hiệu năng tương đương những thiết bị nitrua silic hàng đầu ở vùng cận hồng ngoại và vượt trội rõ rệt ở vùng khả kiến: mức tổn hao thấp hơn kỷ lục của nitrua silic 20 lần. Laser chế tạo bằng nền tảng này cũng cải thiện hơn 100 lần về thời gian ánh sáng duy trì tính kết hợp so với các thế hệ trước.

Theo Giáo sư Vahala, sức hấp dẫn của nghiên cứu nằm ở việc có thể ứng dụng trong nhiều bối cảnh. Để chứng minh tính đa năng, nhóm đã chế tạo nhiều thiết bị bằng vật liệu mới, trong đó có bộ cộng hưởng vòng, nhiều loại laser và bộ cộng hưởng phi tuyến có khả năng tạo ra một dải tần số.

Khả năng chế tạo ống dẫn sóng tổn hao cực thấp trên dải bước sóng từ tím đến cận hồng ngoại có thể hữu ích cho nhiều công nghệ, như đồng hồ quang học phục vụ định thời, con quay hồi chuyển đo chuyển động quay, truyền thông cho trung tâm dữ liệu AI và điện toán lượng tử. Theo Giáo sư Vahala, nhóm vẫn chưa đạt tới mục tiêu cuối cùng, những tiến bộ đáng kể trong năm năm qua mới chỉ là điểm khởi đầu.

NPA (Theo California Institute of Technology)