Blog

Trong vài thập kỷ qua, lĩnh vực quang học tích hợp (integrated photonics) đã trải qua những bước tiến vượt bậc, từ những chip quang đơn giản dùng cho cảm biến đến các hệ thống phức tạp có khả năng tính toán ánh sáng và xử lý thông tin lượng tử. Một trong những phát triển đột phá gần đây là việc thiết kế photonic chip thụ động (passive photonic chip) có thể tạo ra nhiều màu ánh sáng từ một nguồn laser duy nhất. Công trình này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Joint Quantum Institute (JQI) và được công bố trên Phys.org tháng 11 năm 2025.

Khái niệm cơ bản về chip quang và laser

Để hiểu rõ ý nghĩa của nghiên cứu này, trước tiên chúng ta cần nắm một số khái niệm cơ bản:

• Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation): là thiết bị phát ra ánh sáng có tính đơn sắc cao, nghĩa là ánh sáng phát ra có một tần số xác định, với bước sóng hẹp. Laser được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông, y học, sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học.
• Photonic chip (chip quang): là mạch điện tử dùng ánh sáng thay vì điện tử để truyền dẫn, xử lý và đo lường tín hiệu. Các chip này tích hợp các thành phần quang học như vòng cộng hưởng (micro-ring resonator), dẫn sóng quang (waveguide) và bộ tách tần số (beam splitter).
• Thụ động (passive): trong ngữ cảnh quang học, thụ động có nghĩa là thiết bị hoạt động mà không cần các bộ điều chỉnh chủ động như heater hay bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh quang phổ hay pha của ánh sáng.

Vấn đề và thách thức trong tạo nhiều màu laser

Truyền thống, việc tạo ra nhiều màu từ một laser yêu cầu các phương pháp phức tạp:

1. Sử dụng nhiều laser: điều này tăng chi phí, kích thước và tiêu thụ năng lượng.
2. Điều chỉnh nhiệt hoặc điện: các photonic chip thường cần gắn heater hoặc các bộ điều khiển điện tử để tinh chỉnh tần số và pha ánh sáng, nhằm đảm bảo các điều kiện phi tuyến (nonlinear) được thỏa mãn.
3. Khó tái lập: các thiết kế chủ động phức tạp thường khó nhân rộng và đảm bảo hiệu suất ổn định trên nhiều con chip.

Các nhà nghiên cứu tại JQI đã tìm ra cách vượt qua những khó khăn này bằng một thiết kế thụ động, đơn giản nhưng hiệu quả cao.

Thiết kế mảng vòng cộng hưởng hai thời quy mô

Điểm đặc biệt trong nghiên cứu này là thiết kế mảng vòng cộng hưởng hai thời quy mô (two-timescale resonator array). Thiết kế bao gồm:

• Vòng cộng hưởng nhỏ (micro-ring resonators): cho ánh sáng quay quanh rất nhanh, tạo ra các hiệu ứng phi tuyến cần thiết.
• Vòng cộng hưởng lớn (super-ring): ánh sáng quay quanh chậm hơn, giúp đồng bộ pha và tần số.

Sự kết hợp hai thời quy mô này cho phép chip thỏa mãn điều kiện frequency-phase matching, tức là các sóng ánh sáng khi tương tác phi tuyến sẽ tạo ra các tần số mới mà không cần điều chỉnh thêm.

Quá trình tạo ra nhiều màu ánh sáng

Khi chiếu laser đầu vào có tần số khoảng 190 THz, chip sẽ tạo ra các hài bậc 2, 3 và 4. Hài bậc là một khái niệm trong phi tuyến quang học (nonlinear optics):

• Hài bậc 2: tần số gấp đôi, ánh sáng chuyển thành màu khác.
• Hài bậc 3: tần số gấp ba.
• Hài bậc 4: tần số gấp bốn.

Nhờ thiết kế thụ động, các màu này được tạo ra ổn định trên nhiều con chip mà không cần tinh chỉnh.

Ưu điểm của chip thụ động

1. Không cần điều chỉnh chủ động: giảm độ phức tạp và chi phí sản xuất.
2. Tiêu thụ năng lượng thấp: không cần heater hay bộ điều khiển điện tử.
3. Khả năng tái lặp cao: nhiều chip được sản xuất có hiệu suất gần như nhau.
4. Ứng dụng linh hoạt: từ đo lường tần số, mạng quang học đến tính toán lượng tử.

Ứng dụng tiềm năng

Các ứng dụng quan trọng của photonic chip thụ động bao gồm:

• Metrology (đo lường tần số và thời gian): ánh sáng nhiều tần số giúp đo chính xác khoảng cách, thời gian và đặc tính vật lý của vật liệu.
• Chuyển đổi tần số trong quang học: hỗ trợ trong các hệ thống viễn thông, nơi nhiều kênh dữ liệu được truyền trên các tần số khác nhau.
• Tính toán quang phi tuyến (nonlinear optical computing): chip có thể thực hiện các phép tính phức tạp bằng cách khai thác các tương tác phi tuyến giữa các sóng ánh sáng.

So sánh với các công nghệ khác

Trước đây, các thiết kế cần sử dụng chip quang lập trình được (programmable photonic chips), trong đó tần số và pha ánh sáng được điều chỉnh bằng các bộ điều khiển điện tử hoặc voltage probes. Trong khi đó, thiết kế thụ động của JQI:

• Đơn giản hơn.
• Khả năng sản xuất hàng loạt cao hơn.
• Tiêu thụ năng lượng thấp.
• Hiệu suất ổn định mà không cần tinh chỉnh từng con chip.

Khái niệm liên quan trong bài viết

• Nonlinear optics (quang học phi tuyến): nghiên cứu các hiện tượng quang học xảy ra khi cường độ ánh sáng cao, làm vật liệu quang học phản ứng không tỷ lệ tuyến tính với trường điện từ.
• Micro-ring resonator (vòng cộng hưởng siêu nhỏ): cấu trúc dạng vòng nhỏ trên chip, dùng để tạo cộng hưởng ánh sáng, tăng cường tương tác phi tuyến.
• Frequency-phase matching: điều kiện để các sóng ánh sáng phi tuyến tương tác hiệu quả, tạo ra tần số mới mà không bị triệt tiêu.

Tương lai của công nghệ

Chip quang thụ động với khả năng tạo nhiều màu từ một laser duy nhất mở ra nhiều hướng phát triển:

1. Tích hợp mạng quang học trên chip (on-chip optical networks): các chip có thể truyền nhiều kênh dữ liệu đồng thời với tần số khác nhau.
2. Quantum computing (tính toán lượng tử quang): ánh sáng nhiều tần số có thể được dùng để mã hóa và xử lý thông tin lượng tử.
3. Ứng dụng y sinh và vật liệu: ánh sáng đa màu hỗ trợ các kỹ thuật quang học trong sinh học, phân tích vật liệu, cảm biến môi trường.

Kết luận

Công trình của JQI về photonic chip thụ động tạo nhiều màu laser là một bước tiến quan trọng trong quang học tích hợp. Nhờ thiết kế mảng vòng cộng hưởng hai thời quy mô, chip đạt hiệu suất cao, ổn định và có khả năng sản xuất hàng loạt mà không cần điều chỉnh chủ động. Đây là nền tảng để phát triển các hệ thống quang học tích hợp, mạng quang học, tính toán lượng tử và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.

Công nghệ này minh chứng cho tiềm năng to lớn của nonlinear photonics trên chip, đưa chúng ta tiến gần hơn tới việc xử lý và điều khiển ánh sáng với độ chính xác và linh hoạt chưa từng có. Trong tương lai, việc tích hợp các chip như vậy sẽ thay đổi cách chúng ta truyền dữ liệu, đo lường vật lý và phát triển các thiết bị quang học tiên tiến.